מנוע סטרלינג הינו מנוע חום, בעל מעגל סגור, וכמות גז עבודה קבועה. כלומר זהו מנוע, אשר אינו מאבד או מקבל מן הסביבה את הגז הנחוץ לו לשם הפעולה, ומצד שני מקבל/נותן לסביבה חום במהלך פעילותו (בניגוד למנועי בעירה פנימית בהם דלק נשרף בתוך המנוע עצמו).

המנוע מכיל גז עבודה, אשר נדחס ומתפשט שוב ושוב במהלך פעולת המנוע על ידי שתי בוכנות שונות. ניתן לחלק את המנוע לשלושה חלקים חשובים
א) בוכנה באזור החם (מסומן באדום). אזור זה מחומם על ידי מקור חום חיצוני (שריפה של דלק, אור השמש וכו')
ב) בוכנה באזור הקר (מסומן בכחול) המקורר על יידי מקור קור חיצוני.
ג) מחלף חום - רגנרטור, הנמצא בצינורית המחברת את הבוכנה החמה והקרה, כך שגז יוכל לנוע ביניהם, ובדרך לקבל/לתת חום לרגנרטור.


מנוע סטירלינג | האנימציה לקוחה מוויקיפדיה; היוצר: ריצ'רד וילר

המנוע פועל בארבע שלבים:
א) שלב ראשון דחיסה איזוטרמית (טמפרטורה קבועה) - האוויר נדחס על ידי הבוכנה הקרה, ולא מתחמם מכיוון שהיא מקוררת כל העת על ידי מקור חיצוני
ב) חימום בנפח קבוע - הבוכנה הקרה ממשיכה לדחוף את האוויר והוא נדחף דרך הרגנרטור שם הוא מתחמם אל הבוכנה החמה, ודוחף אותה, כך שסה"כ נפח האוויר בשתי הבוכנות נשאר קבוע, אולם טמפטורת הגז עולה, וגם לחץ הגז עולה
ג) התפשטות איזוטרמית (בטמפרטורה קבועה) - בשלב זה האוויר החם נמצא בלחץ גבוה ולכן הוא דוחף את הבוכנה החמה ומגדיל את נפחו באזור החם. הוא אינו מתקרר בתהליך שכן אזור זה מחומם כל העת על ידי מקור חיצוני
ד) קירור בנפח קבוע - בשלב זה זורם אוויר בחזרה מהאזור החם לקר, ומתקרר בדרך ברגנרטור. נפח האוויר בשני האזורים נשאר קבוע (קטן באזור החם וגדל בקר). בשלב זה הלחץ של האוויר יורד.

ניתן להראות כי תיאורתית במידה והגז המשמש כגז העבודה של המנוע הינו גד אידיאלי, יעילותו של מנוע זה זהה ליעילותו של מנוע קרנו (שהוא המנוע בעל היעילות הגבוה ביותר). במקור הופעלו מנועיים אלו עם אוויר כגז עבודה. על מנת להבין את יעילותו המדויקת של המנוע יש לדעת את משוואת הגז של האוויר כלומר מה היחס בין לחץ טמפרטורה ונפח, שכן משוואה זו תקבע את יעילותו התיאורטית של המנוע.

הגרסה המתוארת של מנוע זה נקראת גרסה אלפא, בה מופרדות שתי הבוכנות זו מזו לחלוטין והגז זורם ביניהם באמצעות הרגנרטור. ישנן גרסאות אחרות בשם בטא וגממא בהם ההפרדה בין הבוכנות שונה במקצת אולם עקרון הפעולה זהה.

מאת: ירון גרוס
המחלקה לפיזיקה של חומר מעובה

מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.


 

6 תגובות

  • איש

    100% נצילות

    בעצם 100% נצילות
    מהווה סתירה לחוק שימור האנרגיה
    היות ונוצר מנוע נצחי
    שאינו נצרך למקור אנרגיה חיצוני

    מה שאומר:
    שהחוק השני של התרמודינמיקההוא זה
    שמחייב את חוק שימור האנרגיה
    כי בלעדיו עדיין :
    אנרגיה חינמית היא אפשרית
    כמו במנוע קרנו

  • אחוזים

    באחוזים

    בבקשה
    אדון נכבד
    כמה יעילות מקסימלית באחוזים?

  • קרנו

    האם מנוע קרנו הינו סתירה לחוק שימור האנרגיה?

    האם מנוע קרנו הינו סתירה לחוק שימור האנרגיה?

  • מאיר

    מנוע סטרלינג יתרונות וחיסרונות

    עם יש חישובים למנוע זה? מהיא הנצילות?

  • יואש פלח

    עבודה שלילית?

    קיימים מחזורים טרמודנימיים בהם אחד מהשלבים הוא שלב של התכווצות איזוטרמית.
    זאת אומרת בתחילת השלב נוזל העבודה נמצא בטמפרטורה גבוה נפח גבוה ולחץ הסביבה ובסופו נוזל העבודה בטמפרטורה נמוכה נפח נמוך ובלחץ הסביבה.

    בניתוח טרמודינמי של מכונת החום שלב זה נחשב כשלב בו הסביבה עשתה עבודה על המכונה ולכן ייחשב כשלב שלילי.
    למרות זאת, בעבר ניבנו מכונות חום שהפיקו עבודה יעילה משלב כזה, הכיצד?

  • ירון גרוס

    עבודה שלילית

    תחילה תיקון קל, התכווצות איזוטרמית הינה תהליך בה נוזל/גז העבודה נשמר בטמפרטורה קבועה (ומכאן השם איזוטרמי). בשלב זה הנוזל נשמר בטמפרטורה של מאגר החום הקר, חום זורם ממנו אל המאגר הקר והוא מתכווץ, והלחץ עולה.

    בהנחה שאכן התכוונת לתהליך זה, אתה צודק, בתהליך זה הסביבה מבצעת עבודה על המנוע, כלומר העבודה שלילית.

    עם זאת יש לזכור כי העבודה שאנו מקבלים ממנוע הינה סכום של העבודה המתקבלת בכל אחד משלבי פעילותו (ממצב התחלתי ועד שהוא חוזר לאותו המצב). לכן גם אם באחד מן השלבים העבודה שלילית, כל עוד שבשאר השלבים סך העבודה גבוה מן העבודה השלילית, סה"כ נקבל עבודה חיובית.

    הדוגמה הטובה ביותר לכך הינה מנוע קרנו, המנוע היעיל ביותר. במנוע זה קימים 4 שלבים. בשניים מהם (התפשטות איזוטרמית, התפשטות אדיאבטית) המנוע מבצע עבודה על הסביבה (עבודה חיובית) ואילו בשניים הסביבה מבצעת עבודה על המנוע, כלומר עבודה שלילית (התכווצות איזוטרמית כפי שציינת, והתכווצות אדיאבטית).

    כך שאפילו במנוע בעל הנצילות הגבוהה ביותר קימים שלבים בהם יש עבודה שלילית, הדבר החשוב הוא שכשאר סוכמים את העבודה הכוללת מכל השלבים מתקבלת עבודה חיובית.