PDF《介绍、制作与教学活动设计》

生活科技教育月刊 二六年 三十九卷 第五期

116 极速引擎的魅力 C史特灵引擎(Stirling Engine)的 介绍、制作与教学活动设计 曾玉泉 国立台湾师大学工业科技教育系研究生 壹、前言 生活科技的目标,主要是希望学生能够在亲自动手的活动过程中,探索科 技、理解科技,进而能够对科技有所思考,培养其科技的素养.

因此,教师在课 堂的教学上,除了运用讲述与图示的方式外,最好能够让学生能够有亲自体验的 活动,强化知识内容及相关的学习传授. 而谈起运输科技,总让人不免想到各式各样的运输机器,如飞机、汽车、船艇 等.这些运输机器的运作与原理,是生活科技藉以培育学生对运输科技产物的认 识、t解的教学媒介.尤其引擎的运作更是教学内容上常见的重点. 但引擎的运作原理,碍於时间与技术的困难度,大部份生活科技教师在教授 时,总是仅以讲述跟图示方式来让学生了解.因此,如果能够提供一个实际的示 模拟教材或制作活动,相信可以更加提升学生的学习动机,刺激学生对运输科 技的学习兴趣. 史特灵引擎(Stirling Engine)的构造并不复杂,材料其实可以很容易地自生活 周遭取得,对生活科技教师来说,是个很好的教学媒介.所以可以尝试将其运用 在课堂中作为讲解示,说明引擎的运动情况、内外燃的运作、运用的科学原理 为何等相关知识,亦或在学生能力及设备可支援的情形下,设计成学生的进阶生 活科技学习活动,让运输科技的教学更加丰富与多元. 国外在相关活动的制作发展上已行之有年(Web 科学工作馆,

1998、土浦工业 高校理科研究部,1997) ,而国内近年来也有些相关文章发表(周鉴恒, 2003-2006) . 因此 , 本文将整理国内外文献 , 对外燃式史特灵引擎 (Stirling Engine) 作一介绍,也尝试提供相关的制作讯息以及更简单的制作示,为生活科技课程 增添更多元的教学学习内容. 生活科技教育月刊 二六年 三十九卷 第五期

117 贰、认识史特灵引擎(Stirling Engine) 史特林引擎是一种外燃式的热循环引擎,或称为热机.它是基於史特林热循 环的原理来产生运作,和一般汽车内燃式汽柴油引擎运作方式不同,目前已发展 出多种类型,以下从其历史发展、原理,与特性问题,对其作一整理介绍:

一、史特灵引擎(Stirling Engine)的历史与发展 蒸气引擎的发明,加速了社会工业化发展的脚步,也促使人类科技进步的 加速.但是由於蒸气引擎是透过高压蒸气来推动涡轮进行运作,因此会有锅炉 因压力过高而无承受的爆炸潜在风险.鉴於此,有人便开始想要去发展一种更 安全、更有效率的引擎机械. 早在

1699 年,气体引擎(Air Engine)这个名词就已经出现了.1816 年, Robert Stirling 改革了前人所发展出的气体引擎,采用了将热室气体送往冷室 的循环方法,制作出名为 Economiser 的引擎,代表其比以往更加有效率之 意.此后这类型的引擎就被称作为史特灵引擎(Stirling Engine) . 史特灵引擎的理论效能几乎接近热机的最大理论效能-卡诺循环 (CARNOT)效能.卡诺循环是所有热机运作期盼达到的理论,即由两个等 温过程和两个绝热过程所组成的循环,此时功可以完全转变为热,且热能完全 转变为功,这期间是可逆的.而当按照相反的顺序实行操作,系统和外界都恢 复原状.事实上,这样完全理想的循环,在现实上目前是不存在的.但从史特 灵热机的热循环来看,是相当接近理论值的. 史特灵引擎发展到了