מעגל סטרלינג

מעגל סטרלינג או מכונת סטרלינג היא מכונת חום אשר פועלת באופן מחזורי על ידי דחיסה והתפשטות של גז בטמפרטורות שונות. השימוש העיקרי במעגל הוא במנוע סטרלינג, שבו הוא מנוצל לשם הנעת גלגל.

רכיבי המכונה

• בוכנה- אלמנט המעביר את גז העבודה מהאזור החם אל האזור הקר.
• גז העבודה- מכונת סטרלינג היא מערכת בה אין מעבר חומר, גז העבודה לא משתנה בין מחזור למחזור.
• מחליפי חום – מחליף החום הוא המרכיב אשר מאפשר לחום להיכנס אל המערכת. במקרה שלנו מדובר בתחתית הפחית אשר נמצאת בסמוך ללהבה.
• רגנרטור – רכיב זה בעל שני תפקידים: הראשון הוא לשמש כחיץ בין הסביבה החמה לקרה והשני הוא לשמש במעין "מאגר תרמי" בתוך המערכת. כאשר המערכת מתחממת חום נאגר, בין היתר, במאתחל. המאתחל הוא לרוב רשת (כמו צמד פלדה), וכאשר הגז החם עובד דרכה חלק מהחום מועבר אליה. כאשר הטמפ' של גז העבודה יורדת עתה המאתחל עובד בכיוון ההפוך ועוזר לחמם אותו לקראת המחזור החדש של המונע.

מעגל המכונה

• התפשטות איזותרמית – גז העבודה הדחוס מקבל חום מאמבט החום ומבצע התפשטות איזותרמית. הוא מבצע עבודה על הפיסטון.
• דחיסה איזוכורית- גז העבודה עובר אל האזור הקר במכונה, במעבר דרך המאתחל הוא מאבד מהחום שלו. כאשר הגז מאבד מהחום שלו הלחץ קטן משמעותית.
• התפשטות איזותרמית- הפיסטון מבצע עבודה על גז העבודה. בגלל הלחץ הנמוך העבודה היא קטנה יותר מאשר בתהליך ההתפשטות האיזותרמית ולכן סה"כ יוצאת עבודה מהמכונה.
• דחיסה איזוכורית- חום מועבר אל גז העבודה דרך המתאחל ובכך הלחץ של הגז עולה חזרה אל המצב ההתחלתי של המכונה.

ניצולת המכונה

ניתן לחשב את סכום העבודות משני תהליכי הדחיסה כאשר TH היא הטמפרטורה של האיזותרמה העליונה ו-TL הטמפרטורה של האיזותרמה התחתונה.

$w=\int _{V_{1}}^{V_{2}}PdV-\int _{V_{3}}^{V_{4}}PdV=-nRT_{H}ln({\frac {V_{1}}{V_{2}}})-nRT_{L}ln({\frac {V_{4}}{V_{3}}})=-nRln({\frac {V_{2}}{V_{2}}})(T_{H}-T_{L})$

כמו כן ניתן לחשב את החום הנכנס למערכת:

$Q_{in}=\int _{U_{1}}^{U_{2}}dU+\int _{V_{1}}^{V_{2}}PdV=0+\int _{V_{1}}^{V_{2}}{\frac {nRT_{H}}{V}}dV=nRT_{H}ln({\frac {V_{2}}{V_{1}}})$

על ידי ביטוי הניצולת בתור היחס בין העבודה המבוצעת לבין החום הנכנס.

$\eta _{stirling}={\frac {-w}{Q_{in}}}={\frac {T_{H}-T_{L}}{T_{H}}}=1-{\frac {T_{L}}{T_{H}}}$

מתקבלת ניצולת הזהה ליעילות מכונת קרנו. הקשר בין מכונת קרנו לבין מכונת סטרלינג היא שבעוד שמכונת קרנו היא מכונה היפותטית שלא ניתנת למימוש, מכונת סטרלינג היא אמיתית וניתן לבנות מכונות על פי השלבים המתוארים.

ראו גם

• מנוע סטרלינג

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא מעגל סטרלינג בוויקישיתוף

• ד"ר ירון גרוס, באיזה דרך פועל מנוע סטרלינג? ליאור, במדור "שאל את המומחה" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 31 באוקטובר 2009