斯特林原理发动机在创新实验中的应用

刘彦平

摘  要 以斯特林原理的單缸高温置换型发动机演示模型、低温磁链型发动机演示模型以及模块化小型斯特林原理高温发动机组装模型为例，为学生具体形象地阐述热力学原理以及空气动力学原理在实际中的应用。同时让学生通过了解斯特林原理发动机特点，引发学生对于能源的综合利用、减少环境污染进行多维度思考。这类创新实验室的建立，对于提高学生对学习物理学基本原理的积极性和学习兴趣具有重要意义。

关键词 斯特林原理;发动机;创新实验室;发动机模型

中图分类号：G482    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）07-0123-03

1 引言

自18世纪中叶，瓦特改良蒸汽机并引发工业革命开始，各种机械设备相继出现在人类的日常生活和生产活动中，对于机械设备的应用方式和范围及其本身创新的追逐，推动了社会的一次次变革。蒸汽机到了20世纪乃至今天仍然作为动力机在使用。正如马克思所说，蒸汽机的发明与应用，在短时间内改变了整个世界的面貌。蒸汽机作为发动机的鼻祖，不仅引起了交通运输的变革，带动了工业部门的发展，促进了工业结构产业的兴起，并且引发生产力与生产关系的矛盾，进而引起社会结构的变革，甚至导致世界格局的变化。因此，自从蒸汽机开始，各国在发动机上的研究和投入不遗余力，谁掌握了更加先进的原理和实际应用，谁就是经济的领跑者。正是在这样的环境下，发动机也发展出蒸汽机、汽/柴油机、燃气轮机、直/交流电机等众多种类，而每一次的变革都伴随着时代的变迁。

当今，内燃机和电机被广泛应用于航天、交通、制造、信息以及日常生活等诸多方面，而具有效率极高特点的斯特林原理发动机的实际应用却非常有限。这种现象应该引起教育工作者的思考和重视，不能忘记实业对一个民族、一个国家的重要性。而在实业中更加需要的就是对这种基础自然学科的应用的不断探讨，所以建立物理学基础原理创新型实验室是非常有必要的。

创新并不一定是从无到有，对已有事物的改造或推广应用也是创新。所以，通过外燃机的典型代表——斯特林发动机在创新实验室中的应用，对斯特林发动机的工作原理进行研究和探讨，提高学生对自然科学的思考，塑造学生审视世界的多维视角。

2 建立斯特林原理创新实验室的意义

斯特林原理发动机是由英国科学家Robert Stirling于1816年发明的，所以人们把这种运用“热—功转换”原理的外燃发动机命名为斯特林（以下简称STL）发动机，并将其中运用的物理学基本原理统称为STL原理。STL发动机是在蒸汽机出现之后才发明的，也是人们在工业革命阶段对热机效率的探索中出现的产物。Stirling当时的主要工作是牧师，并在一所学校任教以及搞科研工作。当时蒸汽机盛行，但是蒸汽机的锅炉高温高压，经常有爆炸事故发生，Stirling任教的学校就发生过锅炉爆炸事件并造成人员伤亡。如果有一种发动机不需要锅炉，那就可以避免爆炸的危险，Stirling由此深入地研究了蒸汽机以及当时出现的各种热机，并发明了STL循环及STL热机。

STL循环是一种重要的热机循环，这种循环是全封闭式循环，也就是说整个热机循环中，热机内部的工质（发动机内部参与工作的气体）不与外界产生交换。而与此对应的开放式循环，比如蒸汽机、内燃机等的热机循环，都属于开放式循环，这种循环包括进气和排气。STL循环的全封闭的循环工作方式，决定了STL发动机可以长时间工作而不需要维护的特性。如果在理想状态下，STL循环的热效率近似等于卡诺循环。

从燃料的供给方式来区分的话，STL发动机属于外燃机。不同于内燃机的燃料进入发动机内部，也就是燃料参与工作，STL发动机的燃料不进入发动机内部，仅提供发动机所需的热量。由此带来的好处是，STL发动机可以使用大家熟悉的燃料，如汽油、柴油等常规燃料都可以，同时低品位的燃料一样可以使用，甚至煤炭、木柴也不在话下，清洁的太阳能也可以在STL发动机中找到利用的方向，太空中使用更可以发挥其优势。另外，由于内部工质不参与燃烧，因此，STL发动机没有内燃机工作时的剧烈震动现象，没有震动就没有相应的噪音。这些优点决定了STL发动机应该会有十分广阔的应用前景。

科幻小说家凡尔纳的《海底两万里》中的那艘神出鬼没的安静的潜艇——诺第留斯号的动力源就是讲STL发动机，它的驱动热源就是采用金属钠与水反应生热。当年的幻想在今天未必不能成为现实。所以，建立像STL原理这样的阐述基础物理学的创新实验室，可以使学生意识到：其实一切前沿科学的基础都是自然学科的基础原理，任何科学研究和创新发明不能离开对自然科学和基础科学的研究探索。可以引导学生的正确思维，使他们懂得，基础的学科不仅仅是用来应对考试的，即使将来受到最高水平的教育，一切学术的提升都是来源于扎实的基础学术水平。一个古老的STL原理尚且如此，还有很多可以深入探索的东西，何况茫茫的科学之海中的其他呢？

为什么STL发动机有这么多的优点却没有像蒸汽机一样被人们重视呢？那是因为它与蒸汽机一样受到了当时应用条件的限制。以当时的工艺，STL发动机的气缸会出现长时间工作后开裂的情况，同时受到内燃机改良后逐渐盛行起来的影响，STL发动机逐渐消失在人们的视野中。直到20世纪60年代发生能源危机，STL发动机又被人们记起，进而在多个领域中开始尝试应用。

综上所述，如果能够建立相应的STL原理创新实验室，能让学生通过教师对演示模型的讲解以及直观观察，然后通过对组装模型的亲身实践，从而更加深刻地理解、掌握相应的物理学原理，还能开拓学生对基础物理学在实际中应用的思考，能够多维度地审视世界。因此，建立STL原理创新实验室，能让学生在了解发动机演变史的同时，深刻理解物理学基本原理，以及这些原理在发动机上的具体应用，在引发学生对应用创新思考方面具有重要的现实意义。

3 STL原理创新实验室的主要活動

创新实验室首先需要引进演示类教学模型，通过教师对演示模型的讲解，使学生掌握物理学基本原理的具体应用。

作为演示类教学使用的STL原理发动机模型，一般主要结构包括动力气缸、动力压气活塞、传动连杆、配重部件、可视结构框架等部件。按照使用的热源温度，大致分为两类：一类是单缸高温置换型发动机演示模型（图1）;一类是低温磁链型发动机演示模型（图2）。

单缸高温置换型高温差STL发动机模型，一般可以采用酒精灯加热、电热丝加热或者太阳能聚焦集热，热气缸多采用耐高温玻璃制成，动力气缸采用人工研磨配和的玻璃气缸和活塞制成，以保证气密性及免维护性。这种模型输入的热量比较高，转速比较快，动力性能比较好，一般还可带动一些负载，比如LED灯等，展示效果比较震撼，每次课堂展示时都使学生产生不小的轰动。

低温磁链型STL发动机模型，一般采用热水、低温电热丝或者太阳直接照射集热，热气缸一般采用耐高温透明工程塑料制成，动力气缸采用人工研磨配合的玻璃气缸和活塞制成，以保证气密性及免维护性。这种模型的输入热量比较少，所以这种结构的热气缸一般都比动力气缸大数倍，用以增加吸热面。这种模型虽然动力较高温模型弱，但演示效果也非常明显，毕竟只是那么一点点的热量就能实现发动机的转动。

通过认识这些STL原理发动机由不同热源驱动，让学生理解热能直接转换为机械能的热力学过程，以及利用多种能源的意义，启发多种思考。

为了达到最好的教学效果，创新实验室中应引入可以分组展开的、简易组装的、模块化的小型STL原理发动机模型，如图3、图4所示，每一个零部件都由学生亲自动手组装。在完成组装的过程中，让学生充分体会物理学基本原理和知识的现实应用，以及发动机模型转动所带来的创造动力与乐趣。

如何在教育工作中培养和提升学生的创新意识和创新能力，如何使教育工作及时顺应时代的需要，如何使教育工作最大限度地为社会服务，是这个快速发展的时代对教育工作者发出的挑战，也是值得深思的重要的改革课题。每一位教师都在为了知识的传授兢兢业业地工作，也都期望培养出未来可以适应社会需求的、富有创新意识和能力的人才。学生对理论知识的学习可以通过教师对教导方法的不断丰富来实现，而创新意识和能力的培养则需要通过有效的实践活动作为教学补充来实现。另外，这些实践活动对加深学生对物理学等自然科学的基础理论在实际中的应用的理解，有着广泛的指导作用。

4 STL原理创新实验室的拓展意义

1）安全、稳定、启动时间短的特性，可以适应教学时间的需要，增强生动性;

2）学生可以通过演示模型，直接观察“热—功转换”的实际过程，方便对物理学基本原理的理解，从而增强教学效果;

3）通过小型发动机模型的组装，使学生在具体的操作中更加深刻单理解物理学基本原理在STL发动机中的应用，或者说著名的STL原理是由哪些物理学基本原理组成的;

4）通过这种教师演示到学生操作的教学方式，可以增加教学中的互动，使原本枯燥抽象的物理教学内容更容易被学生接受。

STL原理创新实验室的建立，不仅能够清晰地讲解物理学基本原理及应用，对提高学生的学习兴趣和动手能力也有更加广阔的拓展意义。

一方面，可以通过STL发动机的讲解，拓展学生对发动机结构、活塞运动方式、机械连接方式等知识的认识，从而积极引导学生的思维方向。

另一方面，可以通过STL发动机作为一种被历史遗忘的热机，如今却再次被审视和重新研究，告诉学生任何创新都要依靠对基础科学及理论的熟练运用。比如：STL原理在气体制冷机或气体热泵机上的运用;STL原理的循环特性更适应当今社会对环保节能等多种环境改善的需求;军事上，凡尔纳的幻想变成现实，STL发动机或将替代第三代和第四代常规潜艇上装备的柴油机，成为第五代常规动力潜艇的主流发动机。

通过这些知识面的介绍，告诉学生：基于基础科学理论的幻想，可以通过努力探索变为现实。这对于开拓学生思维，使他们学会多维度地观察世界，具有十分重要的指导意义。

5 结语

从无到有是创新，对原事物的改造或者实际应用的推广也是创新，在当今环境保护与节能的主题环境下，现实意义更加重要。物理是一门实验科学，只有不断地创新和改革实验的教学方法，才能不断地推动物理教学的发展。这也是教育工作者努力的方向！■