斯特林循环：具有再生功能的等温腿
1·预测
斯特林循环使用 2 个等温腿和 2 个等容腿，根本没有绝热腿。如果完美的“再生器”在等容腿之间回收热量，则其效率原则上可以与卡诺值相匹配。如果没有理想的再生器，您测量的简单循环效率是否达不到卡诺界？
- 是的 - 如果没有再生器，该循环的原始效率低于相同两个储层温度的卡诺极限。
- 无论再生如何，效率完全等于卡诺极限。
- 效率超过卡诺极限。
2·设置
- 打开「斯特林循环：具有再生功能的等温腿（stirling-cycle）」预设并按重置。仅使用等温和等容腿，1 摩尔氩气在 600 K 和 300 K 之间循环。
- 启用各阶段功读数与循环效率读数。
- 对于循环的每条腿（1 到 4），读出该腿的目标体积以及该腿期间气体所做的功。
3·收集数据
| 腿数 | 腿部目标体积V (m³) | 这条腿通过气体做功 (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
绘制所有 4 条腿的 P-V 图，标记 2 个等温（弯曲）段和 2 个等容（垂直）段。
4·分析
- 确认第 2 条和第 4 条（等容）显示 W = 0。将所有 4 条腿的功相加以获得净循环功，并将循环的效率读数与卡诺界限 η_c = 1 − 300/600 = 0.5 进行比较。
- 该循环的原始效率（未使用理想回热器回收等容阶段的热量）保持在0.5以下。请利用热力学第一定律解释，为什么在等容冷却阶段排出的热量代表了这台简单发动机无法回收的能量。
5·扩展
- 真正的斯特林发动机使用蓄热器——一种网格，用于存储等容冷却过程中释放的热量并在等容加热过程中将其返回。解释为什么即使没有绝热腿，完美的再生器也会让这个循环接近卡诺效率。
- 斯特林发动机因能利用任何外部热源（太阳能、废热，甚至太空中的温差）运行，而不需要内燃，而备受推崇。为什么采用外部加热的闭式循环发动机对这类应用会具有吸引力？
这个实验背后的物理原理
卡诺对循环效率的约束
任何在Tc与Th之间运行的循环——斯特林循环也不例外——都无法超过卡诺效率η_c = 1 − Tc/Th。真实（未回热）的斯特林循环由于在等容冷却阶段排出了未回收的热量，因此达不到这一上限。