周鑑值
西元 1816 年史特林 (RobertStirling)
發明一種外燃引擎 (externalcombustion
engine)
，後世稱之為史特林引擎(註)。這 種引擎不拘燃料，甚至可直接利用地熱或太 陽能運轉、安靜、效率高、污染少，雖使用 起來預熱時間長，馬力較有限，目前主要只 用於靜音潛艇(包括通過嚴格檢驗的瑞典海 軍現役潛艇)和低溫冷凍(可冷卻至約 100 K) 。但因其優點恰能適應油源耗盡、環境汙 染的未來，至今仍受到工程師們廣泛注意， 前景不可限量。 所謂熱機(heat engine)
，包括活塞蒸汽 機、蒸汽渦輪機、汽油或柴油引擎、噴射引 擎、噴射渦輪引擎、衝壓引擎，無論其結構 複雜與杏，無論其加熱方式為內燃或外燃， 無論其使用之工作流體之種類，也無論是重 覆循環使用工作流體或不斷使用用過即拋的 E作流體，基本上原理都一樣是:工作流體 高溫時膨脹作正功，工作流體較低溫時作負 功被壓縮。從能量的角度來看，當工作流體 無論經什麼途徑恢復到初始狀態而在 PV 圖 仁形成封閉曲線時，亦即 E作流體把添加入 之熱能完全散逸時，部分添加入的熱能將轉 換成輸出的巨觀動能。熱力學第二定律則指 出，從機率的角度來看，被添加入微觀動能 之工作流體，回復到原來狀態而在 PV 圖上 形成封閉曲線時，添加入的微觀動能，不可 能完全轉換成輸出的巨觀動能，其輸出之淨 功 A 定小於添入之熱能。 熱機的發明和應用啟動了人類第一次 工業革命，深遠而根本改變了全體人類的生 活和社會發展的軌跡，熱機甚至在人類歷史 仁都佔有 A 席之地。熱機也是熱力學發展的 核心出發點，在熱力學乃至統計力學上的重 要性更不遑多言。坊間介紹各種蒸汽機和引 擎的科普讀物不勝枚舉，各級教科書或多或 少也不能遺漏這個有趣而重要的熱學主題。 但是，能去蕪存菁'簡潔凸顯上述熱機原理， 適宜作為講授熱機原理的範例，則是大一普 通物理的卡諾引擎'絕大多數教科書並從卡 諾循環推演禍 (entropy) 的概念和熱力學第 三定律。史特林引擎之運轉情形和卡諾引擎 1 分相似，構造簡單，極適宜作為熱機教具。 本文介紹」項史特林引擎的簡易設計 和製作方法，不用精密的重型工具機，也不 用自量引擎常用的堅韌合金，只利用日常生 活所用的物品、學校實驗室襄常見的工具， 打造﹒具屬於老師們的引擎O 雖然這具引擎 的馬力微不足道，但可帶給學生難以置信的 驚奇和對熱機更直接具象的了解。教學的效 果和樂趣非筆墨所能形容。 自製此套設備所需的材料 (1)壓克力圓環→個(內徑約 15~22 em 均 可，高 2~3 em' 厚約 3mm; 本文採用內 徑 20 em' 高 3cm 者);
(2) 25x25
em
2銅片兩塊(厚0.3mm' 更厚些
無妨。台北市太原路有好幾家廠商);
(3) 美勞用的珍珠板一塊(厚 7-20 mm' 美
術社有售，作為圓餅狀移氣胸體);
(4) 組約 0.3mm 的吉他鋼弦(樂器行有售);
(5) 玻璃毛細管(外徑 6mm' 內徑 0.4mm; 學校實驗室應該找得到);
(6) 圓木棒一小截(直徑 2em' 長約1. 5em .
作為玻璃毛細管之基座);
(7) 直徑1. 5mm 玻璃纖維棒(釣真店可買得 到。一般美工刀難以切斷，須以小型砂 輪裁切，作為轉軸和曲軸);
(8) 內徑 27.8 mm 的針筒(藥局有賣，約 500-800 元);
(9) 直徑 10mm 及直徑 30mm 、長約 6-10em
的 PE 棒(車製成活塞和軸承);
(1 0) 白楊木條若干(五金行有售。白楊木硬 度恰好，加工容易);
所需的工具 (1)小型車床和鑽床(大學或專科學校機械 類科系必備，高中工藝教室亦常見) ;迷 你鑽石圓鋸(用來切割針筒。此工具不 罕見，亦不昂貴，機械五金店買得到。 有人建議用砂輪加工針筒，為避免受傷 起見，仍以使用迷你鑽石圓鋸為宜);
(2) 老虎鉗、美工刀;
(3)
AB 膠、熱熔膠、強力膠。 圖一為本引擎的示意圖。其中 PE 活塞 藉由連桿、動力曲柄、移氣曲柄、吉他鋼弦， 連動圓餅狀移氣桐體，將壓克力圖環和銅片 組成的容器中之空氣反覆排移於下方熱庫(可用任荷方式加熱以維持底部約 80°C 高
溫)和上方較冷區域之間，空氣隨著溫度變 化而熱脹冷縮，推動活塞，即能運轉。配囂
···N
銅版 圖一製程如下
(一)在銅片上畫出與壓克力國環將要膠合 的圓形記號，在圓心鑽出直徑 lmm 的國孔，在離圓心約 4em 處鑽男一直徑
。 .8em 的小孔。
(二)再用迷你鑽石圓鋸，將內徑 27.8mm 的 針筒鋸成高 4 .5 em 的圓管，將針筒圓管 用 AB 膠密實黏在銅片上，針筒圓管底 部以方形小木塊加強，並使之垂直銅 片，針筒圓管下方經 0.8 em 的小孔連通 銅片下方之空氣。利用車床將直徑 3em 、長約 6em 的 PE 棒車成恰可在針 筒中滑動之活塞，活塞上方並製成軸承 (讀者可自行設計活塞上之軸承。本文 之軸承設計成 U 型，製成 U 型的白楊木 兩側打孔，作為連桿轉軸之軸承，整個 U 型軸承埋入活塞中之間型凹穴;見圖 二) .以便藉由連桿上的轉軸與連桿絞 一 37 一移氣曲柄 配重 項材料】為轉軸。 (五)把白楊木條鋸成兩截，一截作為 7
em
長的動力曲柄，此截動力曲柄須鑽兩相距 8mm 的平行小孔，小孔能緊緊塞入
作為轉軸和曲軸的玻璃纖維棒;另一截 作為 1.2 em 長的移氣曲柄，於此截鑽兩相距 8mm 的平行小孔，這兩小孔也
得能緊緊塞入作為轉軸和曲軸的玻璃 纖維棒。依圍四所示，將玻璃纖維轉軸 置於 PE 棒軸承中，再組合動力曲柄和 移氣曲柄。注意使兩者之夾角為 90·,
同時以 AB 膠固定轉軸和曲柄，使之在 運轉時不會變形。 圖三 接。 國二 (三)另外，用車床將直徑 2em' 長約1. 5em 圓木棒【第 (6) 項材料】的中心鑽一 恰可容納玻璃毛細管的孔，將玻璃毛細 管塞入，也用 AB 膠密實黏妥，密封其 間隙，之後以圓木棒為基座將玻璃毛細 管黏牢在銅片中心，銅片中心直徑 l mm 的小孔可容組約 0..3 mm 的吉他鋼 』玄，經過毛細管遇到銅片下方(見圖 (四)將 PE 圓棒用車床鑽一恰容直徑 1.5mm
玻璃纖維棒在其中自由轉動的小孔，以 此 PE 棒為軸承，玻璃纖維棒【第 (7)(六)以白楊木製成高約 18 em 支架，牢牢黏 在銅片上，再穩固安裝 PE 棒軸承於支 架頂端。將銅片依之前繪上的圓用 AB 膠黏在壓克力圓環上(見圖五)。 圓五 (七)如圖一及圖六所示，製作圓餅狀移氣桐 體 ， H同體的直徑約 19 em' 高約 0.8
em
。 國六 (八)組絢 0.3 mm 的吉他鋼弦，藉一白楊木 製連桿一端掛在移氣曲柄上，其另一端 穿過玻璃毛細管，黏結珍珠板製的移氣 1同體，調整吉他鋼絲的長度。當移氣曲 柄旋轉而連動移氣桐體，使移氣1同體在 壓克力圓環中上下振動時，儘可能接近 壓克力圓環上方銅片，卻不致於撞及。 也儘可能接近壓克力圖環底部銅片(尚 未黏妥) ，卻亦不致撞及(移氣1同體最 高時離上方銅片約0.3em
IlP可) (見圖六)。
(九)接著製作另一白楊木質連桿(長約12.5em)
，連桿一端，鑽一小孔，連結動力 曲柄(見圖一及圖四)，男一端連結 PE 棒活塞。 (十)最後用強力膠黏合另一片銅片在壓克 力圖環底部，並外敷熱融膠補強，密封 壓克力圓環。再將配重黏在動力曲柄 上，使其平衡，即大功告成(見圖五、 六)。 發動引擎的方式很簡單:自製一類似無 籠的裝置， (見圖六),
(此部分讀者亦可自行 設計，若用其他輕質物體製成的移氣桐體、 底部銅片和壓克力圓環之間的膠、壓克力圓 管本身，均不致融化，以火焰直接加熱無 妨) ，以蒸氣或吹風機加熱(見圖七) ，待下 方熱庫和上方較冷區域溫差 40°C 以上，用手 撥動動力曲柄，注意轉動方向不可弄錯，若 發覺起動不了，換個方向試試，並詳細檢查 所有接縫有無漏氣，以膠加以填補後再發 動。若一切正常，持續加熱，此引擎即不停 轉動。 一 39 一圖七 註釋 有關史特林引擎之詳細原理，相關文獻 不少，本文不再贅述。請參閱台大普通物理 實驗講講， 1998 年出版，普通物理實驗教學 研究委員會編印。 (上承第 23 頁)
5.F. E. Lytle
,
An Introduction to
D£伊actionPart II
:
The
Far
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,
Applied
Spectroscopy
,
53
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262-276
,
1999.
6.M. Born and E. Wolf
,
Principles of Optics:
圖說 一、史特林引擎之側視示意圖(未全然依尺 寸比例繪製，為清楚起見，支架均略 去)。 二、可在針筒中滑動之間活塞、埋入活塞 圓型凹穴中之U 型木製軸承。 三、以方形木塊加強底部，垂直銅片之針筒 圓管;以圓木棒為基座，也垂直銅片之 玻璃毛細管。 四、軸承、動力曲柄和移氣曲柄組件之俯視 特寫及示意圖。 五、密封壓克力間環後整具引擎的實物攝 影。 六、密封壓克力圓環中的圓餅狀移氣桐 體 ， n同體的直徑約 19 cm' 高約 0.8
