• Κυλινδρικός θάλαμος σε εκατοστά (cm) εντός του οποίου υπάρχει ατμοσφαιρικός αέρας
• Έμβολο συνδεδεμένο με άξονα που καταλήγει σε περιστρεφόμενο κοχλία
• Πιεσόμετρο το οποίο δείχνει την πίεση εντός του θαλάμου

Διαδικασία:

Περιστρέφουμε τον κοχλία αργά και αυξάνουμε (μειώνουμε) τον όγκο του κυλινδρικού θαλάμου. Παρατηρούμε ότι η πίεση εντός αυτού μειώνεται (αυξάνεται) ανάλογα.

Γιατί συμβαίνει αυτό;

Εξήγηση:

Ο ατμοσφαιρικός αέρας εντός του θαλάμου, όπως και όλα τα αέρια, για κάθε κατάσταση τους περιγράφονται από τρία μεγέθη: πίεση P, όγκος Vκαι θερμοκρασία T.

Στο πείραμα μας θεωρούμε ότι κατά την αργή περιστροφή του κοχλία, η θερμοκρασία του αερίου εντός του θαλάμου παραμένει σταθερή και ίση με την θερμοκρασία περιβάλλοντος (ισόθερμη μεταβολή). Επίσης θεωρούμε ότι το αέριο διαθέτει τις ιδιότητες των ιδανικών αερίων.

Δηλαδή η πίεση P και όγκος V, για μια ισόθερμη μεταβολή, σαν αυτή που προσεγγιστικά πραγματοποιείται στο πείραμα μας, συνδέονται μεταξύ τους με την σχέση:

P·V = σταθερό   Νόμος του Boyle

Κατά την περιστροφή του κοχλία προς τα έξω αυξάνουμε τον όγκο εντός του θαλάμου. Αυτό έχει σαν συνέπεια μεγαλύτερος όγκος του θαλάμου να καταληφθεί από αέριο. Κατά συνέπεια σύμφωνα με τον νόμο του Boyle θα πρέπει να υπάρχει μια ανάλογη μείωση της πίεσης του αερίου.

Παρατηρούμε ότι διπλασιάζοντας τον όγκο του αερίου υποδιπλασιάζεται η πίεση του και αντίστροφα.

Η μηχανή Stirling είναι μία κλειστή μηχανή αερίου, δηλαδή παράγει έργο με θέρμανση και ψύξη τις ίδιας μάζας αερίου και δεν ανταλλάσει αέριο ούτε με την ψυχρή ούτε με την θερμή πηγή, αλλά μόνο θερμότητα. Διαθέτει δύο έμβολα, το έμβολο ισχύος (κίτρινο), που είναι ερμητικά κλειστό και το έμβολο διαχωρισμού (πράσινο), που είναι πορώδες και επιτρέπει μερικώς την ροή αερίου διαμέσου του.

Ο θεωρητικός κύκλος της μηχανής Stirling περιλαμβάνει τις διαδοχικές φάσεις λειτουργίας που είναι οι εξής:

Α:(4-1) κατά την ισόχωρη θέρμανση το αέριο θερμαίνεται από την θερμή πηγή και περιοριζόμενο από το έμβολο διαχωρισμού αυξάνει την πίεσή του.

Β:(1-2) το θερμό αέριο εκτονώνεται παράγοντας έργο και σπρώχνει το έμβολο ισχύος στην μέγιστη τιμή όγκου.

Γ:(2-3) το αέριο ψύχεται ισοχωρικά μιας και το έμβολο διαχωρισμού το περιορίζει σε επαφή με την ψυχρή πηγή.

Δ:(3-4) το αέριο συμπιέζεται ισόθερμα για να περιοριστεί τελικά στον χώρο της θερμής πηγής από το έμβολο ισχύος λόγω της ορμής που του παρέχει η κίνηση του τροχού (στροφάλου).

Κατά την μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε μηχανικό έργο, η μηχανή Stirling έχει θεωρητικά την δυνατότητα να επιτύχει την μέγιστη απόδοση, $\eta=\frac{W}{Q}=1-\frac{T_{c}}{T_{H}}$

από οποιαδήποτε άλλη θερμική μηχανή, όπου W είναι το παραγόμενο μηχανικό έργο, Q η προσφερόμενη θερμότητα, T_H και T_C οι θερμοκρασίες των ισόθερμων μεταβάσεων 1-2 και 3-4 αντίστοιχα. Όμως πρακτικοί παράγοντες όπως οι ιδιότητες των μη ιδανικών πραγματικών αερίων, η τριβή, οι απώλειες θερμότητας και οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών κατασκευής της μηχανής προκαλούν απόκλιση της απόδοσης της μηχανής σε χαμηλότερα επίπεδα.

Διαδικασία:

Η συγκεκριμένη μηχανή Stirling που έχετε στα χέρια σας είναι τύπου Β και για να λειτουργήσει χρειάζεται μία ελάχιστη διαφορά θερμοκρασίας της θερμής (κάτω) και της ψυχρής (πάνω) επιφάνειας της τάξης μόνο των ~7 °C. Τοποθετήστε την μηχανή με την κάτω επιφάνειά της να εφάπτεται όσο καλύτερα γίνεται στην παλάμης σας. Περιμένετε μερικά λεπτά έτσι ώστε ο κάτω δίσκος να αποκτήσει την θερμοκρασία του χεριού σας και στρέψτε με μια μικρή ροπή τον δίσκο περιστροφής (στρόφαλο). Αυτός θα αρχίσει να κινείται και θα διατηρήσει την κίνησή του αρκεί η θερμοκρασία περιβάλλοντος να είναι τουλάχιστον 7 °C μικρότερη από την θερμοκρασία της παλάμης σας.

• Παλμογεννήτρια
• Μηχανικός Ταλαντωτής.
• Πλαίσιο με μεταλλικές σφαίρες που προσομοιώνει την κίνηση των ατόμων-μορίων ή ιόντων

Διαδικασία:

Τοποθετούμε το πλαίσιο με τις μπίλιες πάνω στον μηχανικό ταλαντωτή και συνδέουμε την συσκευή με την παλμογεννήτρια. Ανοίγουμε την παλμογεννήτρια και μεταβάλλουμε την συχνότητα από μικρότερες σε μεγαλύτερες τιμές, ρυθμίζοντας και το πλάτος ταλάντωσης. Παρατηρούμε την κίνηση που εκτελούν οι μπίλιες μέσα στο πλαίσιο. Η κίνηση των σφαιρών προσομοιώνει την κίνηση των ατόμων-μορίων ή ιόντων στα στερεά, υγρά ή αέρια ως εξής:

1. Όταν η θερμοκρασία είναι σχετικά χαμηλή (δεν υπάρχει διέγερση του κινητήρα) και το υλικό βρίσκεται στην στερεά κατάσταση, τότε οι θέσεις των ατόμων ή μορίων είναι «σχετικά» σταθερές. Το υλικό λέμε ότι έχει τα άτομα-μόρια ή ιόντα του σε διατεταγμένες (καθορισμένες) θέσεις στον χώρο, και αυτό προκύπτει από την μεγάλη ισχύ των δεσμών μεταξύ των ατόμων (μορίων ή ιόντων).

2. Όταν η θερμοκρασία αυξηθεί αρκετά (υπάρχει διέγερση του ηλεκτροκινητήρα σε μικρές-μέσες συχνότητες και μικρά σχετικά πλάτη) έτσι ώστε το υλικό να υπερβεί το σημείο τήξης και να βρεθεί στην υγρή κατάσταση τότε η θερμική ενέργεια που προσφέρεται στο υλικό προκαλεί μείωση της ισχύος των δεσμών και τα άτομα-μόρια ή ιόντα μπορούν να κινηθούν πολύ πιο ελεύθερα σε σχέση με την κίνηση που έχουν στην στερεά κατάσταση. Το υλικό παύει να έχει την διατεταγμένη δομή των ατόμων του τα οποία συνδέονται πλέον πολύ πιο χαλαρά μεταξύ τους (η ισχύς των δεσμών τους μειώνεται δραστικά).

3. Όταν η θερμοκρασία αυξηθεί περαιτέρω (η διέγερση του ηλεκτροκινητήρα αφορά υψηλές συχνότητες και μεγάλα πλάτη), τότε στο υλικό προσφέρεται τόσο μεγάλο ποσό θερμικής ενέργειας, που προκαλείται πλήρη διάσπαση των δεσμών μεταξύ των ατόμων-μορίων ή ιόντων. Σαν αποτέλεσμα αυτά εκτελούν λόγω υψηλής θερμοκρασίας χαοτικές κινήσεις στον χώρο συγκρουόμενα μεταξύ τους και το υλικό βρίσκεται πλέον σε αέρια κατάσταση.

Διάταξη:

• Μεταλλικό κύπελλο με αεροστεγές καπάκι από φελλό.
• Ηλεκτρική αντίσταση που θερμαίνει το νερό που τοποθετούμε μέσα στο μεταλλικό κύπελλο.

3 συσκευές υπολογισμού γραμμικής θερμικής διαστολής αποτελούμενες από βαθμονομημένη κλίμακα γραμμικής διαστολής σε mm και από σωλήνες διαφορετικών υλικών (μπρούντζος, ανοξείδωτο ατσάλι, γυαλί)

Διαδικασία:

Θέτουμε σε λειτουργία την ηλεκτρική αντίσταση για να θερμάνουμε το νερό εντός του κυπέλλου. Σε μερικά λεπτά καυτό νερό και ατμοί διοχετεύονται στους σωλήνες των συσκευών. Παρατηρούμε ότι οι σωλήνες παρουσιάζουν διαφορετική γραμμική διαστολή.

Γιατί συμβαίνει αυτό;

Εξήγηση:

Κατά την θέρμανση των υλικών η προσφερόμενη ενέργεια (θερμότητα) αυξάνει τις μέσες ενδοατομικές αποστάσεις των υλικών. Η αύξηση αυτή αθροίζεται για όλα τα άτομα του υλικού και έτσι παρατηρείται αύξηση των διαστάσεων του. Λόγω του σχήματος των υλικών (ράβδοι) μπορούμε να θεωρήσουμε ότι η αύξηση αυτή γίνεται κυρίως στην μια διάσταση του υλικού, το μήκος του και είναι αμελητέο στις άλλες δυο. Πρόκειται επομένως για γραμμική θερμική διαστολή.

Το μέγεθος της γραμμικής διαστολής εξαρτάται

1. Από το αρχικό μήκος του σώματος.
2. Από τη μεταβολή της θερμοκρασίας.
3. Από το είδος του υλικού.

Στο πείραμα μας οι δυο πρώτοι παράγοντες είναι κοινοί και για τους τρεις σωλήνες. Άρα είναι το είδος του υλικού αυτό που κάνει την διαφορά.

Αιτία για αυτό είναι το πόσο ισχυρά ή όχι συνδέονται τα μόρια του κάθε υλικού μεταξύ τους. Η διαμοριακή αυτή σύνδεση παρουσιάζεται στο συντελεστή α, συντελεστής γραμμικής διαστολής.

Η σχέση που μας δίνει τη θερμική διαστολή ενός υλικού είναι η

Για την διάταξη μας, ο συντελεστής γραμμικής διαστολής των υλικών μας είναι

Γίνεται λοιπόν αντιληπτό ότι τη μεγαλύτερη γραμμική διαστολή την έχει ο μπρούντζος μετά το ατσάλι και τέλος το γυαλί.

• Βάση με αλυσίδα στήριξης και δακτύλιο.
• Ένα κεράκι ρεσό.
• Μεταλλική σφαίρα για την επίδειξη της κυβικής θερμικής διαστολής

Διαδικασία:

Όταν η μεταλλική σφαίρα είναι κρύα παρατηρούμε ότι διέρχεται από το δακτύλιο της βάσης με ευκολία. Θερμαίνουμε τη σφαίρα με τη βοήθεια του κεριού και παρατηρούμε ότι πλέον δεν διέρχεται από το δακτύλιο της βάσης.

Γιατί συμβαίνει αυτό;

Εξήγηση:

Όπως είδαμε και στο προηγούμενο πείραμα, κατά την θέρμανση των υλικών η προσφερόμενη ενέργεια (θερμότητα) αυξάνει τις μέσες ενδοατομικές αποστάσεις των υλικών. Έτσι, ενώ στις ράβδους παρατηρήσαμε κυρίως γραμμική θερμική διαστολή στην σφαίρα λόγω και του σχήματος της παρατηρούμε διαστολή προς όλες τις διευθύνσεις, κυβική θερμική διαστολή. Αυτό έχει σαν συνέπεια να αυξηθεί ο όγκος της σφαίρας και να μην διέρχεται από το δακτύλιο.Είναι επίσης αντιληπτό ότι αν η σφαίρα μας ήταν από άλλο υλικό θα είχε διαφορετική διαστολή από αυτή του πειράματος μας.