咖啡杯上的史特林引擎 (Stirling engine)

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1 咖啡杯上的史特林引擎 (Stirling engine)
透視引擎的視覺化運作！ 目的：藉由透視史特林引擎的運作 ，瞭解抽象的熱力學循環過程。 實驗：組裝好的史特林引擎置於裝滿熱水的杯子上。熱水的熱能透過引擎氣室下方的金屬板傳導至氣室內金屬板和白色活塞之間的氣體。此時稍微撥動一下飛輪，引擎即開始轉動。當氣室上下兩金屬板的溫度差越大，飛輪則旋轉地越快。引擎就靠著熱水所提供的熱能量，持續轉動，直至水溫冷卻到接近室溫，引擎才逐漸停止旋轉。 工作機制：熱能動能的能量轉換機制，即蒸汽引擎的工作原理 應用：(1)早期推動蒸汽火車和蒸汽汽車前進的主要機制。 (2)火力發電廠中帶動發電機高速旋轉發電的主要機制發電廠中的能量轉換流程：化學能熱能動能電動。

2 史特林引擎 -推動科技進步、改善人類生活品質 的關鍵性發明
史特林引擎，又稱發動機：是一種活塞式熱氣引擎 經由外部加熱裝有氫氣或氦氣氣體的密封氣室，使氣體受熱膨脹，進而推動活塞做功。 膨脹後的氣體在冷氣室冷卻，然後進入下一個流程。同樣只要有一定值的溫度差存在，都可以形成斯特林發動機，比如上面這個咖啡杯上的斯特林發動機，如果下面是冰塊，它也能轉起來，而且比裏面是熱咖啡（或熱水）還要持久，一個小時左右。斯特林發動機可以使用多種的燃料，各種可燃氣體估計是最佳材料，Dean Kamen還用牛糞來作過燃料。而且排氣潔淨，還有一個優勢相對於內燃機來說，因為沒有氣體爆炸，所以大大降低了噪音污染。

3 原理思考 史特林引擎中的熱力學循環過程 「卡諾循環」(Carnot-cycle engine)
左圖是引擎內工作氣體的工作圖 PV相圖 縱軸是工作氣體的壓力 橫軸是工作氣體的體積  為工作氣體的體積壓縮比。 理想的史特林引擎是由兩個等溫過程及兩個等體積過程組成的熱力學循環。 等溫壓縮(a  b)：工作氣體的溫度T1 不變，但壓力上升。 等體積加熱(b  c)：從熱水的熱蒸汽中獲得熱能。 等溫膨脹(c  d)：工作氣體的溫度不變 T2 ，但壓力減小。 等體積冷卻(d  a)：將熱能排至環境。 理想狀況下，若T1 與T2固定的情況下，史特林引擎的效率等於 理想「卡諾循環」的熱機效率

4 深入探討 使特林引擎的循環對應的熱力學過程為何？ 氣體在不同的階段和過程中，氣體的壓力、體積及溫度的關係為何？
飛輪的旋轉方向與引擎的機構設計有關嗎？還是由初始旋轉方向決定？ 如果熱水的溫度增加，會影響什麼？ 可用什麼方法讓引擎運轉的時間持續增加？ 日常生活中充滿了使特林引擎運用的物品，您知道有哪些嗎？

5 問題：是熱縮冷脹嗎? 現象：通電，蝴蝶的翅膀會揮舞 老師的答案：這可不是熱漲冷縮哦！
目的：介紹反直覺的物理現象。 實驗：在一迴路中加入特殊金屬絲並通入電流，觀察通電前後特殊金屬絲的變化。 思考：一通電，物體就會被往上拉了？上頭是有裝馬達嗎？要不然怎麼一通電就往上拉。，通電的目的是為了加熱該金屬絲，使其改變形狀，以達到此實驗所想表現的現象。 討論：請舉出非熱漲冷縮的例子。 備註：本實驗利用通電的方式加熱，取代用火所造成的不均勻加熱。 參考資料：Wikipedia-Shape memory alloy