能源之星史特林引擎

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1、物理專文能源之星--史特林引擎文/周鑑恆成極大的衝擊，二氧化碳的濃度和排放量都創下了前一、環保的工業革命所未有的記錄，衍生的各種後果不堪設想，於是而有京都議定書的簽署，減少依賴化石能源勢在必行。從十八世紀初葉開平常就以賽球對抗排譴競爭本性的人類，立刻露始，一連串對往復式蒸汽出爭取珍貴石油的衝動，國際間暗潮洶湧，甚至爆發機的改良，確定了動力機戰爭。面對能源危機和其連鎖所引發的糧食、環保、械的實用性，促成能源科氣候變遷、生態威脅、國際關係等難題，憑藉第一次技的突飛猛進，人類從此工業革命以降迅速累積的科技實力，賦予與蒸汽機幾掙脫了人力和獸力的限乎同

2、時誕生，卻蟄伏近兩世紀的一種外燃引擎-—制，生產力一夕暴增，引史特林引擎-—新的生命，展開著眼於永續非碳能發了以碳能源為基礎的源的下一場工業革命，相信必能和平的為當前困局找第一次工業革命，深遠改變全體人類的文明軌跡。到兩全其美的解決方案。人類於是發展出一種極度依賴能源的生活方式。然而，人們慣用的化石能源(如煤、石油、天然二、從熱機談起氧等)蘊藏量有限，不可逆的大量消耗，原本即非長久之計。再加上近年來金磚四國經濟起飛，大量人除了早期的蒸氣機之外，各種精巧的內燃引擎也口也競相使用能源，近日油價於是屢創歷史新高，新陸續問世。這些能將熱能轉換成機械能

3、的機器統稱一波能源危機隱隱浮現。「熱機(heatengine)」。從物理學的角度來看，儘管各值得注意的是，7O年代的石油危機，是產油國種引擎的構造大異其趣，但所有熱機的主角都是工作在以巴衝突中藉高油價杯葛英美之中東政策，人為造流體(workingfluid)。熱能進入工作流體之後，透過工製造出來的，幾經外交折衝，油價不難復歸平穩。但作流體之運作，轉換成動能。打個比方來說，熱機好最近油價居高不下，則是市場上的確存在供不應求的似公司行號，工作流體好似員工，無論公司之體制，客觀因素所造成，長遠來看，這樣的趨勢只會日益嚴聘僱方式如何，也無論員工領薪水

4、的方式是用支票，峻，高油價時代實已無可避免。還是給現金，總而言之，公司的營運方式都是員工領薪水然後辦理公事。另一方面，由於大量消耗化石能源，也對環境造老式火車頭上的往復式活塞蒸汽機，現代核能電周鑑恆廠中的渦輪蒸汽機，不用火星塞的柴油引擎，常見的萬能科技大學光電系助理教授e-mail:chou0717@gmail.com汽油引擎，戰機或客機搭載的噴射引擎(圖2-１)，推■363■物理雙月刊(卅卷四期)2008年八月物理專文動高空偵察機SR-71以三倍音速巡戈的衝壓引擎，不變化其狀態，完成熱機循環。用連桿的轉子引擎，無論這些熱機的構造複雜與否；也

5、不論它們加熱工作流體的方式，是直接在工作流體資料來源：www.grc.nasa.gov/中燃燒燃料(內燃)，還是經由鍋爐或汽缸來加熱工作WWW/K-12/airplane/brayton.html流體(外燃)；也不論他們的工作流體是氦氣、氫氣、encyclozine.com/Science/Physics/Thermodynamics/空氣、水蒸氣或其他物質；也不論他們是重複循環使用工作流體，或不斷使用用過即拋的工作流體，他們的工作原理都是一樣的：「工作流體被加熱或高溫狀態時，膨脹作正功，工作流體降溫或較低溫的狀態時，被壓縮作負功。」把工作流

6、體的壓力和體積關係的封閉曲線畫在ＰＶ圖上，無論Rankine循環、Otto循環、Diesel循環，或者圖2-１所示的Brayton循環，工作流體狀態之變化都必須隨著相似的順時鐘方向。圖2-1噴射引擎之工作流體，由外界吸入，PV狀態圖2-2二行程汽油引擎示意圖。經0--23(壓縮)--34(燃燒升溫)--45(膨脹對渦熱力學第二定律則指出，工作流體被加熱之後，輪(turbine)作工)--58(回到外界降溫)，順時針又必然恢復到原來狀態時，被加熱時獲得的熱能，因■364■物理雙月刊(卅卷四期)2008年八月物理專文為機率的原故，不可能完全經做功

7、轉換成機械能，所熱區和冷區的溫差。溫差氣室中的移氣胴體(displacer)以沒有完美的熱機。可上下移動。移動時顯然不會改變引擎中工作流體的體積，但移氣胴體在上方時，工作流體被移往熱區，就以大家最熟悉的汽油引擎為例，圖2-2是理想移氣胴體在下方時，工作流體被移往冷區。熱再生器化的二行程汽油引擎，汽油引擎的主角當然也是工作的功能是，當工作流體從熱區移到冷區時預先冷卻工流體，也就是進出引擎的空氣。作流體，並暫時儲存工作流體釋出的熱能，當工作流過程1：混合著少量汽油的空氣（此時溫度較低）被體從冷區移到熱區時，利用儲存的熱能預先加熱工作壓縮後，點火爆

8、燃油氣，使空氣溫度升高。流體。工作流體預冷後停留在冷區繼續冷卻，預熱後過程2：加熱後的高溫空氣膨脹作正功，推動活塞，停留在熱區繼續加熱。經連桿驅動飛輪轉動。活塞的往