Stirling Engine 学研 大人の科学 スターリングエンジン

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Stirling Engine スターリングエンジン

スターリングエンジンを知っていますか?
今回紹介するのは、学研から出ていた「大人の科学」のスターリングエンジン工作キットです。

自分で組み立てるので仕組みがよくわかります。

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Movie スターリングエンジン動画

この模型を組立てて、お湯や氷で動かしてみました。
とても良く回ります。

初めてこの低温タイプのスターリングエンジンを目にしたとき、こんなもので回るのか!と驚いたことを覚えています。

また、上面を氷で冷やして上下の温度差を大きくしてやると、さらに勢いよく回りだします。

冬の寒冷地では手のひらに乗せても回るようです。
犬の頭に乗せて回していたりする人も・・・。

現在、残念ながらこのスターリングエンジン模型キット「大人の科学」は絶版です。
完成品は色々売られていますのでそれらを手に入れることができます。

 

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How it works 仕組み

このスターリングエンジンは、高音部から熱をもらって仕事に変え、そして低温部へ排熱するという仕組みです。
この低温部への排熱を0にすることはできない、というのが熱力学第2法則の教えることころです。

作動させてみると、装置内部にディスプレーサと呼ばれるものが動くのが見えます。
ディスプレーサはこの模型ではスポンジでできています。
ディスプレーサは内部の空気を入れ替える役目をしており、いわゆるピストンのようなものとは違います。また、装置自体は密閉されています。

だいたい次のようなイメージで動作します。

  1. ディスプレーサが上にあります
  2. 下面で空気が温められ膨張します
  3. 装置の上面に取り付けられている膜が空気膨張により、膨れます
  4. 膜に取り付けられたアームが連動して、回転体を動かします
  5. ディスプレーサが動いて上下の空気を入れ替えて、上方に暖かい空気が集まります
  6. 上方で空気が冷やされます
  7. 空気が収縮して膜がへこみます
  8. 連動するアームが動いて回転体を回します
  9. ディスプレーサが動いて上下の空気を入れ替えて下方に冷えた空気が集まります
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Thermal efficiency 熱効率

この学研の装置は熱力学におけるイメージ作りにもってこいです。

 

例えば熱効率 $e$ ですが、上の図から
$e=\dfrac{W}{Q_1}$ と表されます。

ここで、エネルギー保存から、$Q_1=W+Q_2$ です。
したがって、

$e=\dfrac{W}{Q_1}=\dfrac{Q_1-Q_2}{Q_1}$

つまりもらったエネルギーのうちどれだけ仕事に変えることができるのか?というのが熱効率の意味です。

熱力学第2法則により、捨てる熱を0にすることはできません。
よって必ず、$0\leqq e<1$ となります。

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