スターリングサイクル：再生を伴う等温過程
1 · 予測
スターリングサイクルは2つの等温過程と2つの定積過程だけを使い、断熱過程を持ちません。理想再生器が定積過程間の熱を再利用すれば効率は原理的にカルノー値に達します。理想再生器なしでは、測定効率はカルノー限界を下回るでしょうか？
- はい — 再生器がないと、同じ2つの熱源温度で生の効率はカルノー限界を下回ります。
- 再生に関係なく効率はカルノー限界に正確に等しくなります。
- 効率はカルノー限界を超えます。
2 · 準備
- stirling-cycle プリセットを開いて Reset を押します。1 mol のアルゴンが 600 K と 300 K の間を、等温・定積過程だけで循環します。
- 各過程の仕事とサイクル効率の読み出しを有効にします。
- 各過程（1〜4）の目標体積と気体がした仕事を読み取ります。
3 · データ収集
| 過程番号 | 過程の目標体積 V (m³) | この過程で気体がした仕事 (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
4過程の P-V 図を描き、2つの等温（曲線）と2つの定積（垂直）部分を示します。
4 · 分析
- 定積過程2と4が W = 0 であることを確認します。4過程の仕事を合計して正味サイクル仕事を求め、効率表示をカルノー限界 η_c = 1 − 300/600 = 0.5 と比較します。
- 理想再生器がないと生の効率は0.5未満です。第一法則を用い、定積冷却で捨てる熱が単純機関で回収されないエネルギーである理由を説明します。
5 · 発展
- 実際のスターリング機関は再生器を使い、定積冷却で放出した熱を蓄えて定積加熱で戻します。理想再生器が断熱過程なしでもサイクルをカルノー効率へ近づける理由を説明します。
- スターリング機関は内燃を必要とせず、太陽熱や廃熱など任意の外部熱源で動かせます。外部加熱の閉サイクル機関が魅力的な用途と理由を述べます。
この実験の物理
サイクル効率のカルノー限界
Tc と Th の間で動くどのサイクルも、スターリングを含め、カルノー効率 η_c = 1 − Tc/Th を超えられません。実際の非再生スターリングサイクルは定積冷却で熱を回収せず捨てるため、この限界を下回ります。