Z dwóch puszek po napoju, gumki balonowej i świeczki budujesz silnik, który kręci się sam dzięki ciepłu. To ta sama zasada, która napędzała rewolucję przemysłową.

Co nam będzie potrzebne?

⚠️ Uwaga: Eksperyment wymaga kontaktu z ogniem. Przeprowadzaj przy dorosłych, w wentylowanym miejscu, z dala od materiałów łatwopalnych. Rozgrzana puszka parzy.

Jak wykonać doświadczenie?

Budowa silnika Stirlinga z puszek:

Odetnij górę z pierwszej puszki (ostrożnie, brzeg jest ostry) i wytnij z balonika okrąg nieco większy niż otwór puszki. Naciągnij gumę balonową na otwór puszki jak membranę bębenka i przytwierdź ją taśmą lub gumką recepturką. Guma powinna być lekko napięta, ale elastyczna.

Do środka drugiej puszki (nietkniętej) wlej kilka łyżek wody i postaw na płaskim, stabilnym podłożu. Na niej ustaw odwróconą pustą puszkę (bez dna), a na niej połóż pierwszą puszkę z membraną balonową, membrana na spodzie, skierowana w dół. Teraz masz wieżę: dół – puszka z wodą, środek – odwrócona puszka jako przestrzeń na gorące powietrze, góra – membrana.

Przymocuj igłę lub patyczek do środka membrany jako “popychacz tłoka”. Podpal świeczkę pod dolną puszką z wodą i ogrzewaj przez kilka minut.

Gdy woda zacznie parować, para podgrzewa powietrze w środkowej puszce. Ciepłe powietrze rozszerza się, wypycha membranę ku górze, a gdy gaz stygnie – membrana opada. Ten cykl powtarza się rytmicznie.

Wyjaśnienie naukowe

To uproszczony model silnika Stirlinga – silnika cieplnego wynalezionego przez Roberta Stirlinga w 1816 roku. Silnik Stirlinga działa dzięki cyklicznemu ogrzewaniu i chłodzeniu gazu zamkniętego w szczelnej komorze.

Każdy silnik cieplny działa na podstawie drugiej zasady termodynamiki: ciepło samoistnie przepływa z obszaru gorętszego do zimniejszego. Silnik “przechwyca” część tej energii przepływu i zamienia ją na pracę mechaniczną.

W naszym modelu:

  1. Świeca podgrzewa gaz w dolnej puszce
  2. Gaz rozszerza się (prawo Gay-Lussaca: temperatura ↑ → objętość ↑)
  3. Ekspansja gazu wypycha membranę w górę (praca mechaniczna)
  4. Gaz styka się z chłodniejszymi ściankami górnej puszki i stygnie
  5. Zimniejszy gaz kurczy się → membrana opada
  6. Cykl się powtarza

Sprawność silnika cieplnego (maksymalna, teoretyczna) wyznacza cykl Carnota: η = 1 – T_zimne / T_gorące (temperatury w kelwinach)

Im większa różnica temperatur między gorącą a zimną stroną, tym wyższa sprawność. Silnik parowy parowozu operował w temperaturach ok. 200°C (para) i 30°C (otoczenie), co daje max. sprawność ok. 37%. Nowoczesne silniki parowe w elektrowniach osiągają 40–45%.

Warianty

Silnik karuzelowy z puszki – zrób z blachy aluminiowej śmigło z 4 ramionami lekko zakrzywionymi. Zawieś na igle nad gorącą puszką z wodą. Para unosząca się z małych otworów w krawędzi śmigła wprawia je w obroty – to zasada turbiny parowej.

Termometr z membrany – podłącz igłę wskazówkę do membrany i zrób skalę z papieru. Gdy powietrze się ogrzewa, membrana unosi wskazówkę. Możesz skalibrować “termometr” za pomocą prawdziwego termometru i znać temperaturę w otoczeniu.

Porównanie paliw – używaj różnych źródeł ciepła: świeczka, palnik spirytusowy, ciepła woda, lampa 100 W. Zmierz jak szybko membrana zaczyna poruszać. Mocniejsze źródło ciepła = szybszy cykl.

Często zadawane pytania

Czym różni się silnik Stirlinga od silnika parowego? W silniku parowym czynnikiem roboczym jest para wodna: woda gotuje się i paruje, para wywiera ciśnienie na tłok, a po pracy jest skraplana z powrotem. W silniku Stirlinga czynnikiem jest gaz (powietrze lub hel), który nigdy nie zmienia stanu skupienia – tylko jest cyklicznie podgrzewany i chłodzony. Silnik Stirlinga jest cichszy, bardziej sprawny przy małej mocy i może pracować na dowolnym źródle ciepła (nawet słońce).

Dlaczego silniki parowe wyparły konie, a potem same zniknęły? Silnik parowy wyparł siłę mięśni, bo mógł pracować nieprzerwanie i rozwijać dużo większą moc. Sam został wyparty przez silnik spalinowy (benzyna, diesel), który jest lżejszy i bardziej kompaktowy – bo nie potrzebuje kotła, skraplacza ani dużych zapasów wody. Silniki parowe wróciły w elektrowniach jądrowych i węglowych, gdzie turbiny parowe produkują większość energii elektrycznej na świecie.

Czy silnik Stirlinga mógłby napędzać samochód? Teoretycznie tak, i były próby (Ford i NASA badały to w latach 70.). Silnik Stirlinga jest bardzo sprawny i cichy, ale ma wadę: wymaga długiego czasu rozruchu (musi się nagrzać) i słabo reaguje na zmiany obciążenia. Dlatego nadaje się do zastosowań, gdzie pracuje stale przy stałym obciążeniu – np. w łodziach podwodnych, satelitach (ogrzewanych przez radioizotopy) i układach kogeneracyjnych.