斯特林循環：具有再生功能的等溫腿
1·預測
斯特林循環使用 2 個等溫腿和 2 個等容腿，完全沒有絕熱腿。如果完美的「再生器」在等容腿之間回收熱量，則其效率原則上可以與卡諾值相符。如果沒有理想的再生器，您測量的簡單循環效率是否達不到卡諾界？
- 是的 - 如果沒有再生器，該循環的原始效率低於相同兩個儲層溫度的卡諾極限。
- 無論再生如何，效率完全等於卡諾極限。
- 效率超過卡諾極限。
2·設定
- 開啟 stirling-cycle 預設並按下 Reset。僅使用等溫和等容腿，1 摩爾氬氣在 600 K 和 300 K 之間循環。
- 啟用各階段功讀數與循環效率讀數。
- 對於循環的每條腿（1 到 4），讀出該腿的目標體積以及該腿期間氣體所做的功。
3·收集數據
| 腿數 | 腿部目標體積V (m³) | 這條腿透過氣體做功 (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
繪製所有 4 條腿的 P-V 圖，標記 2 個等溫（彎曲）段和 2 個等容（垂直）段。
4·分析
- 確認第 2 條和第 4 條（等容）顯示 W = 0。將所有 4 條腿的功相加以獲得淨循環功，並將循環的效率讀數與卡諾界限 η_c = 1 − 300/600 = 0.5 進行比較。
- 該循環的原始效率（未使用理想回熱器回收等容階段的熱量）保持在0.5以下。請利用熱力學第一定律解釋，為什麼在等容冷卻階段排出的熱量代表了這台簡單發動機無法回收的能量。
5·擴展
- 真正的斯特林發動機使用蓄熱器——一種網格，用於存放等容冷卻過程中釋放的熱量並在等容加熱過程中將其返回。解釋為什麼即使沒有絕熱腿，完美的再生器也會讓這個循環接近卡諾效率。
- 史特靈引擎因能利用任何外部熱源（太陽能、廢熱，甚至太空中的溫差）運行，而不需要內燃，而備受推崇。為什麼採用外部加熱的閉式循環引擎對這類應用會具有吸引力？
這個實驗背後的物理原理
卡諾對循環效率的約束
任何在Tc與Th之間運行的循環——史特靈循環也不例外——都無法超過卡諾效率η_c = 1 − Tc/Th。真實（未回熱）的史特靈循環由於在等容冷卻階段排出了未回收的熱量，因此達不到這一上限。