國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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溫差引擎

裝置簡易又有趣的引擎

※ 器材大試管(長約20公分、內徑約1.8公分)、玻璃珠6顆、玻璃針筒、酒精燈、橡皮塞、橡皮    管、棉線、木板座及木棍

操作步驟與現象:

近年來史特林引擎(Stirling engine)受到國內外學者與老師的關注,設計與實作各式各樣的史特林引擎。本實驗裝置是較為簡便的設計,在材料準備妥當的情形,約半小時即能組裝完畢,成功率也相當高

組裝好的裝置如右圖圖一,試管中裝有玻璃珠,並以橡皮管連接到注射針筒一開始試管傾斜向左邊(玻璃珠在左邊試管口),當酒精燈在試管右邊底部加熱之後,針筒會反覆上下運動,有如活塞,進而帶

動試管上下運動,試管內的玻璃珠持續的左右來回滾動,相當有趣

觀看實驗影片(6.5M)

製作過程:

1.首先取一約20毫升的玻璃針筒(塑膠針筒不適合!),針頭套上大小適合的橡皮管(能密封不會漏氣),橡皮管再插進挖了洞的橡皮塞(同樣不能漏氣,而橡皮塞要配合試管的大小),如圖二為避免漏氣,可用鐵絲或漆包線綁住針頭與橡皮管,如圖三

2.以二根木棍固定在木板上,再綁上棉線,組合成如圖四的架子。圖四中,二根木棍的的距離約15~20公分,而棉線繞一個圈垂下來,是準備套進大試管。

3.將圖二的橡皮塞套進大試管,再將試管套進棉線的圈圈中,形成圖五的裝置,此時試管應向左傾斜。(註:針筒可用膠帶固定在布板底座,但是在以下第5、6步驟的調整過程時,經常需要再移動針筒的位置)

4.檢查圖五的裝置是否密閉不會漏氣?方法是:將針筒活塞往上提(針筒底部固定在木板底座),然後放手,查看針筒是否會回到原來位置?如果針筒不會回到原來位置,代表有漏氣,需要調整與密封橡皮管、橡皮塞的連接處

5.接下來是調整試管的位置首先;將橡皮塞套進試管之前,將針筒的活塞拉出約2毫升的距離,讓針筒內有2毫升的空氣體積,然後橡皮塞再套進試管密封。如果在加熱之前,針筒內沒有預留一些空氣,溫差引擎會不容易成功!接著調整的重點為:觀察針筒的活塞上下移動時,試管是否也會跟隨變換傾斜方向。方法是:將針筒活塞略用力的往上提(針筒底部固定在桌上不動),試管必須會連動的往右傾斜,讓玻璃珠滾到右邊。而鬆手後針筒活塞往下回到原來位置,試管必須會跟著往左斜,玻璃珠滾回左邊試管口

6.如果拉高、放鬆針筒活塞的過程,試管不會隨著右斜、左斜,可以調整:(1)棉線的高度;如圖六,將木棍上的棉線位置往上提或往下降(2)棉線在試管的(重心)位置;如圖七,將棉線往左或往右移動

注意:以上調整的目標是:「針筒活塞上、下移動,能使試管右斜、左斜(玻璃珠右滾、左滾),而且針筒活塞上下移動的距離越小越好」。

7.調整完畢之後,就可以將酒精燈放到試管下方,點燃酒精燈,試驗能否成功的讓溫差引擎開始運動(需要加熱約一分鐘以上)。

注意:溫差引擎通常不太容易自動啟動,加熱約一分鐘之後,可以用手壓一下針筒活塞,協助啟動。

原理:

「溫差引擎」能持續反覆的運動,顧名思義就是必須有溫度差異,包括了「升溫、膨脹、降溫、收縮」不斷循環的過程,其原理如下圖

1.開始加熱之後,試管內的空氣膨脹,體積增加,使得注射針筒的活塞被推開,針筒上升。

2.針筒上升,連帶使試管口上升,由左斜轉為右斜,因此玻璃珠往右(試管底部)滾動。

3.玻璃珠吸收熱量,針筒內的空氣因為溫度降低而體積縮小,針筒活塞下降,試管口也跟著下降。

4.試管由右斜轉為左斜,玻璃珠再滾回左邊試管口,回到起始狀態。如此反覆,溫差引擎就不斷的運動了。

   

叮嚀的話:

1.在實驗過程,請特別注意酒精燈不要翻倒,相當危險。建議可改用「酒精膏,相對比較安全。另一方面,學生為國中以下,建議教師示範即可,避免全班進行實驗。

2.實驗完後,試管底部很燙,不可直接觸摸!

3.玻璃珠在滾動過程,如果速度過快,有可能撞破試管,敬請留意

4.本實驗所列的大試管尺寸為參考用,大小略為不同也可以成功而玻璃珠也未必需要六個,請依調整過程的說明視情形決定

5.雖然玻璃的注射針筒頗為昂貴(約在五百元左右),但是塑膠的針筒摩擦力太大,不容易來回滑動,不建議使用塑膠的。

6.在教學上建議可以指導學生探究以下問題:(1)加熱前,針筒內預留的空氣體積多寡,對實驗結果有何差異?(2)改變試管的長短或大小,並配合不同的玻璃珠數量,能否製作出溫差引擎,效果又如何?(3)內燃機與外燃機有何差別?本實驗裝置屬於何者?(4)溫差引擎有何實用例子?相較其他引擎的優缺點又如何?

參考資料:

1. Test Tube Stirling Enginehttp://www.nmri.go.jp/eng/khirata/stirling/testtube01/index_e.html

2. 吳世卿、林祐駿(2010)。玻璃珠史特林引擎車。科學教育月刊,333,31-34。

http://ir.lib.ntnu.edu.tw/retrieve/59458/ntnulib_ja_K0201_0333_031.pdf

3. 蔡振明、谷玉龍、金忠勇、葉宗河、陳秀如。外燃式酒精膏溫差引擎教育部六大科學教育學習網