P2.6.1 Silnik na gorące powietrze: eksperyment jakościowy – Leybold

Opis

Silnik na gorące powietrze: eksperyment jakościowy

Silnik na ogrzewane powietrze (wynaleziony przez R. Stirling, 1816) jest najstarszym silnikiem cieplnym, razem z silnikiem parowym. W bardzo uproszczony sposób, jego cykl termodynamiczny składa się ze sprężania izotermicznego przy niskiej temperaturze, izochorycznego podania ciepła, izotermicznego rozprężania przy wysokiej temperaturze i izochorycznej emisji ciepła. Tłok wypornikowy i tłok roboczy są połączone do wału korbowego cięgnami, gdzie tłok wypornikowy wyprzedza tłok roboczy o 90°. Gdy tłok roboczy znajduje się w martwym punkcie (a), tłok wypornikowy porusza się w dół wtłaczając powietrze do elektrycznie podgrzewanej strefy cylindra. Tutaj powietrze jest podgrzewane, rozprężane i wtłacza tłok roboczy w dół (b). Praca mechaniczna jest przenoszona do koła zamachowego. Gdy tłok roboczy jest w dolnym puncie martwym (c), tłok wypornikowy porusza się w górę, wtłaczając powietrze do strefy cylindra chłodzonej wodą. Powietrze jest ochładzane i sprężane przez tłok roboczy (d). Koło zamachowe dostarcza pracę mechaniczną wymaganą do wykonania tego procesu. 

P2.6.1.1 Praca silnika na gorące powietrze jako silnika cieplnego

Doświadczenie P2.6.1.1 jakościowo bada pracę silnika na gorące powietrze jako silnika cieplnego. Siła mechaniczna pochodzi z silnika hamując piastę silnika. Napięcie włókna grzejnego zmienia się w celu zademonstrowania związku pomiędzy dostarczaną mocą termiczną i mocą mechaniczną wyjmowaną z układu. Prędkość biegu jałowego silnika dla każdego przypadku jest używana jako miara mocy mechanicznej produkowanej przez układ.
Zależnie od kierunku obrotu wału korbowego, silnik na gorące powietrze pracuje jako pompa ciepła lub chłodziarka, gdy koło zamachowe jest zewnętrznie napędzane. Tłok wypornikowy poruszając się w górę, gdy tłok roboczy znajduje w dolnym punkcie martwym,
Wtłacza powietrze do górnej części cylindra. Powietrze jest wtedy sprężane przez tłok roboczy i przekazuje ciepło do głowicy cylindra, tj. silnik na gorące powietrze działa jako pompa ciepła. Gdy pracuje w odwrotnym kierunku, tłok roboczy powoduje rozprężanie powietrza znajdującego się w górnej części cylindra, powodując wyciąganie ciepła z głowicy cylindra przez powietrze; w tym przypadku silnik na gorące powietrze działa jako chłodziarka.

P2.6.1.3 Praca silnika na gorące powietrze jako pompy cieplnej i chłodziarki

Doświadczenie P2.6.1.3 jakościowo bada pracę silnika na ciepłe powietrze jako pompy ciepła lub chłodziarki. Aby zademonstrować zależność pomiędzy zewnętrznie dostarczaną mocą mechaniczną i mocą grzejną lub chłodzenia, kolejno prędkość silnika elektrycznego jest zróżnicowana i obserwowana jest zmiana temperatury.