斯特林原理發動機在創新實驗中的應用

劉彥平

摘? 要 以斯特林原理的單缸高溫置換型發動機演示模型、低溫磁鏈型發動機演示模型以及模塊化小型斯特林原理高溫發動機組裝模型為例，為學生具體形象地闡述熱力學原理以及空氣動力學原理在實際中的應用。同時讓學生通過了解斯特林原理發動機特點，引發學生對于能源的綜合利用、減少環境污染進行多維度思考。這類創新實驗室的建立，對于提高學生對學習物理學基本原理的積極性和學習興趣具有重要意義。

關鍵詞 斯特林原理;發動機;創新實驗室;發動機模型

中圖分類號：G482? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）07-0123-03

1 引言

自18世紀中葉，瓦特改良蒸汽機并引發工業革命開始，各種機械設備相繼出現在人類的日常生活和生產活動中，對于機械設備的應用方式和范圍及其本身創新的追逐，推動了社會的一次次變革。蒸汽機到了20世紀乃至今天仍然作為動力機在使用。正如馬克思所說，蒸汽機的發明與應用，在短時間內改變了整個世界的面貌。蒸汽機作為發動機的鼻祖，不僅引起了交通運輸的變革，帶動了工業部門的發展，促進了工業結構產業的興起，并且引發生產力與生產關系的矛盾，進而引起社會結構的變革，甚至導致世界格局的變化。因此，自從蒸汽機開始，各國在發動機上的研究和投入不遺余力，誰掌握了更加先進的原理和實際應用，誰就是經濟的領跑者。正是在這樣的環境下，發動機也發展出蒸汽機、汽/柴油機、燃氣輪機、直/交流電機等眾多種類，而每一次的變革都伴隨著時代的變遷。

當今，內燃機和電機被廣泛應用于航天、交通、制造、信息以及日常生活等諸多方面，而具有效率極高特點的斯特林原理發動機的實際應用卻非常有限。這種現象應該引起教育工作者的思考和重視，不能忘記實業對一個民族、一個國家的重要性。而在實業中更加需要的就是對這種基礎自然學科的應用的不斷探討，所以建立物理學基礎原理創新型實驗室是非常有必要的。

創新并不一定是從無到有，對已有事物的改造或推廣應用也是創新。所以，通過外燃機的典型代表——斯特林發動機在創新實驗室中的應用，對斯特林發動機的工作原理進行研究和探討，提高學生對自然科學的思考，塑造學生審視世界的多維視角。

2 建立斯特林原理創新實驗室的意義

斯特林原理發動機是由英國科學家Robert Stirling于1816年發明的，所以人們把這種運用“熱—功轉換”原理的外燃發動機命名為斯特林（以下簡稱STL）發動機，并將其中運用的物理學基本原理統稱為STL原理。STL發動機是在蒸汽機出現之后才發明的，也是人們在工業革命階段對熱機效率的探索中出現的產物。Stirling當時的主要工作是牧師，并在一所學校任教以及搞科研工作。當時蒸汽機盛行，但是蒸汽機的鍋爐高溫高壓，經常有爆炸事故發生，Stirling任教的學校就發生過鍋爐爆炸事件并造成人員傷亡。如果有一種發動機不需要鍋爐，那就可以避免爆炸的危險，Stirling由此深入地研究了蒸汽機以及當時出現的各種熱機，并發明了STL循環及STL熱機。

STL循環是一種重要的熱機循環，這種循環是全封閉式循環，也就是說整個熱機循環中，熱機內部的工質（發動機內部參與工作的氣體）不與外界產生交換。而與此對應的開放式循環，比如蒸汽機、內燃機等的熱機循環，都屬于開放式循環，這種循環包括進氣和排氣。STL循環的全封閉的循環工作方式，決定了STL發動機可以長時間工作而不需要維護的特性。如果在理想狀態下，STL循環的熱效率近似等于卡諾循環。

從燃料的供給方式來區分的話，STL發動機屬于外燃機。不同于內燃機的燃料進入發動機內部，也就是燃料參與工作，STL發動機的燃料不進入發動機內部，僅提供發動機所需的熱量。由此帶來的好處是，STL發動機可以使用大家熟悉的燃料，如汽油、柴油等常規燃料都可以，同時低品位的燃料一樣可以使用，甚至煤炭、木柴也不在話下，清潔的太陽能也可以在STL發動機中找到利用的方向，太空中使用更可以發揮其優勢。另外，由于內部工質不參與燃燒，因此，STL發動機沒有內燃機工作時的劇烈震動現象，沒有震動就沒有相應的噪音。這些優點決定了STL發動機應該會有十分廣闊的應用前景。

科幻小說家凡爾納的《海底兩萬里》中的那艘神出鬼沒的安靜的潛艇——諾第留斯號的動力源就是講STL發動機，它的驅動熱源就是采用金屬鈉與水反應生熱。當年的幻想在今天未必不能成為現實。所以，建立像STL原理這樣的闡述基礎物理學的創新實驗室，可以使學生意識到：其實一切前沿科學的基礎都是自然學科的基礎原理，任何科學研究和創新發明不能離開對自然科學和基礎科學的研究探索。可以引導學生的正確思維，使他們懂得，基礎的學科不僅僅是用來應對考試的，即使將來受到最高水平的教育，一切學術的提升都是來源于扎實的基礎學術水平。一個古老的STL原理尚且如此，還有很多可以深入探索的東西，何況茫茫的科學之海中的其他呢？

為什么STL發動機有這么多的優點卻沒有像蒸汽機一樣被人們重視呢？那是因為它與蒸汽機一樣受到了當時應用條件的限制。以當時的工藝，STL發動機的氣缸會出現長時間工作后開裂的情況，同時受到內燃機改良后逐漸盛行起來的影響，STL發動機逐漸消失在人們的視野中。直到20世紀60年代發生能源危機，STL發動機又被人們記起，進而在多個領域中開始嘗試應用。

綜上所述，如果能夠建立相應的STL原理創新實驗室，能讓學生通過教師對演示模型的講解以及直觀觀察，然后通過對組裝模型的親身實踐，從而更加深刻地理解、掌握相應的物理學原理，還能開拓學生對基礎物理學在實際中應用的思考，能夠多維度地審視世界。因此，建立STL原理創新實驗室，能讓學生在了解發動機演變史的同時，深刻理解物理學基本原理，以及這些原理在發動機上的具體應用，在引發學生對應用創新思考方面具有重要的現實意義。

3 STL原理創新實驗室的主要活動

創新實驗室首先需要引進演示類教學模型，通過教師對演示模型的講解，使學生掌握物理學基本原理的具體應用。

作為演示類教學使用的STL原理發動機模型，一般主要結構包括動力氣缸、動力壓氣活塞、傳動連桿、配重部件、可視結構框架等部件。按照使用的熱源溫度，大致分為兩類：一類是單缸高溫置換型發動機演示模型（圖1）;一類是低溫磁鏈型發動機演示模型（圖2）。

單缸高溫置換型高溫差STL發動機模型，一般可以采用酒精燈加熱、電熱絲加熱或者太陽能聚焦集熱，熱氣缸多采用耐高溫玻璃制成，動力氣缸采用人工研磨配和的玻璃氣缸和活塞制成，以保證氣密性及免維護性。這種模型輸入的熱量比較高，轉速比較快，動力性能比較好，一般還可帶動一些負載，比如LED燈等，展示效果比較震撼，每次課堂展示時都使學生產生不小的轟動。

低溫磁鏈型STL發動機模型，一般采用熱水、低溫電熱絲或者太陽直接照射集熱，熱氣缸一般采用耐高溫透明工程塑料制成，動力氣缸采用人工研磨配合的玻璃氣缸和活塞制成，以保證氣密性及免維護性。這種模型的輸入熱量比較少，所以這種結構的熱氣缸一般都比動力氣缸大數倍，用以增加吸熱面。這種模型雖然動力較高溫模型弱，但演示效果也非常明顯，畢竟只是那么一點點的熱量就能實現發動機的轉動。

通過認識這些STL原理發動機由不同熱源驅動，讓學生理解熱能直接轉換為機械能的熱力學過程，以及利用多種能源的意義，啟發多種思考。

為了達到最好的教學效果，創新實驗室中應引入可以分組展開的、簡易組裝的、模塊化的小型STL原理發動機模型，如圖3、圖4所示，每一個零部件都由學生親自動手組裝。在完成組裝的過程中，讓學生充分體會物理學基本原理和知識的現實應用，以及發動機模型轉動所帶來的創造動力與樂趣。

如何在教育工作中培養和提升學生的創新意識和創新能力，如何使教育工作及時順應時代的需要，如何使教育工作最大限度地為社會服務，是這個快速發展的時代對教育工作者發出的挑戰，也是值得深思的重要的改革課題。每一位教師都在為了知識的傳授兢兢業業地工作，也都期望培養出未來可以適應社會需求的、富有創新意識和能力的人才。學生對理論知識的學習可以通過教師對教導方法的不斷豐富來實現，而創新意識和能力的培養則需要通過有效的實踐活動作為教學補充來實現。另外，這些實踐活動對加深學生對物理學等自然科學的基礎理論在實際中的應用的理解，有著廣泛的指導作用。

4 STL原理創新實驗室的拓展意義

1）安全、穩定、啟動時間短的特性，可以適應教學時間的需要，增強生動性;

2）學生可以通過演示模型，直接觀察“熱—功轉換”的實際過程，方便對物理學基本原理的理解，從而增強教學效果;

3）通過小型發動機模型的組裝，使學生在具體的操作中更加深刻單理解物理學基本原理在STL發動機中的應用，或者說著名的STL原理是由哪些物理學基本原理組成的;

4）通過這種教師演示到學生操作的教學方式，可以增加教學中的互動，使原本枯燥抽象的物理教學內容更容易被學生接受。

STL原理創新實驗室的建立，不僅能夠清晰地講解物理學基本原理及應用，對提高學生的學習興趣和動手能力也有更加廣闊的拓展意義。

一方面，可以通過STL發動機的講解，拓展學生對發動機結構、活塞運動方式、機械連接方式等知識的認識，從而積極引導學生的思維方向。

另一方面，可以通過STL發動機作為一種被歷史遺忘的熱機，如今卻再次被審視和重新研究，告訴學生任何創新都要依靠對基礎科學及理論的熟練運用。比如：STL原理在氣體制冷機或氣體熱泵機上的運用;STL原理的循環特性更適應當今社會對環保節能等多種環境改善的需求;軍事上，凡爾納的幻想變成現實，STL發動機或將替代第三代和第四代常規潛艇上裝備的柴油機，成為第五代常規動力潛艇的主流發動機。

通過這些知識面的介紹，告訴學生：基于基礎科學理論的幻想，可以通過努力探索變為現實。這對于開拓學生思維，使他們學會多維度地觀察世界，具有十分重要的指導意義。

5 結語

從無到有是創新，對原事物的改造或者實際應用的推廣也是創新，在當今環境保護與節能的主題環境下，現實意義更加重要。物理是一門實驗科學，只有不斷地創新和改革實驗的教學方法，才能不斷地推動物理教學的發展。這也是教育工作者努力的方向！■