스털링 기관(stirling engine)은 두 열원─저온부와 고온부─의 온도차에 의한 열 에너지를 일로 전환시켜주는 열기관이다. 가열(등적), 팽창(등온), 냉각(등적), 수축(등온)의 네 단계를 반복하는 순환과정으로 작동한다.
스털링 기관의 순환과정 열기관의 열효율은 얻은 에너지를 공급한 에너지로 나눈 값으로 정의되고 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다. 이제 스털링 기관의 P-V diagram을 그리고 각 과정마다 출입한 일과 열을 구하자.
스털링 기관의 P-V diagram i) 1→2 과정 (등적, 가열) 등적과정이므로 공급한 열은 온도변화와 비례한다. ii) 2→3 과정 (등온, 팽창) 등온과정에서 열기관이 한 일은 이상기체상태방정식을 이용하여 적분을 통해 구한다. 또, 등온과정의 경우 퍼텐셜에너지 변화가 0이므로 열역학 제 1법칙으로부터 열기관이 한 일과 출입한 열에너지는 같다. 이를 통해 출입한 열에너지를 구한다. iii) 3→4 과정 (등적, 냉각) i와 같이 구한다. i과 부호가 반대이다. iv) 4→1 과정 (등온, 수축) ii와 같이 구한다. 그러나 ii와 온도가 다르다는 점과 부호가 반대라는 점을 유의하라. 위의 정보들을 이용해 이상적인 스털링 기관의 효율을 구하면 다음과 같다. 마지막 부등식은 이상적인 스털링 기관의 효율이 이상적인 카르노 기관의 효율보다 작다는 것을 의미한다. 끝 본 연구의 목적은 ‘두 열원 사이에서 가역적으로 작동하는 열기관의 효율은 모두 동일하다.’는 서술과 ‘이상적인 스털링 기관은 가역적으로 작동한다.’는 서술, 그리고 ‘이상적인 스털링 기관의 효율은 카르노 기관보다 낮다.’는 세 서술 사이의 모순 관계를 해결할 수 있는 스털링 기관의 열효율에 대한 설명 방식을 조사하고, 이 문제에 대한 대학생들의 사고 과정을 살펴보는 데 있다. 연구 참여자는 열 및 통계물리 과목을 수강하는 24명의 물리교육 전공 학생들이다. 스털링 기관의 열효율에 대한 설명 분석에 따르면, 스털링 기관은 재생기의 도움 없이는 두 열원 사이에서 가역적으로 작동할 수 없으며, 재생기가 없는 경우에 스털링 기관의
열효율은 카르노 기관보다 낮다. 하지만 재생기를 도입하면 스털링 기관과 카르노 기관의 효율이 동일함을 증명할 수 있다. 학생들은 스털링 기관이 가역적으로 작동하는지의 여부를 결정하기 위해 시스템의 엔트로피에 대해 주로 논의하였으나, 엔트로피와 가역과정 사이의 관계에 대해서 잘 알지 못하였다. 모순 상황에 대해서도 단순히 스털링 기관은 비가역적으로 작동한다고 답하거나 잘 모른다고 응답한 경우가 많았다. 가역과정에 대한 적절한 설명과 함께 이 문제를 해결한다면, 학생들의 열역학 관련 개념들에 대한 이해도가 높아질 것으로 기대된다. The purpose of this study was to find out the explanations for how to solve the contradiction among the three statements suggesting 1) all reversible heat engines operating between
two reservoirs have the same efficiency; 2) ideal Stirling engine operates reversibly; and 3) the efficiency of Stirling engine is lower than the efficiency of Carnot engine, as well as to analyze undergraduate students’ thoughts about this contradiction. The participants were 24 students who were taking a university course on thermal and statistical physics. Our analysis about the explanations of Stirling engine efficiency showed that Stirling engine which had no regenerator could not operate
reversibly between two reservoirs and the heat efficiency of the Stirling engine was lower than that of Carnot engine. However, Stirling engine having a regenerator could operate reversibly and the efficiency was the same as Carnot engine. The analysis of students’ responses showed that most students considered the entropy of Stirling engine as the most important factor in determining whether the Stirling engine operates reversibly or not. However, they did not understand well the relation
between entropy and the reversible process. Many of them also offered answers about the solution of the contradiction as either ‘Stirling engine cannot operate reversibly,’ or ‘I simply don’t know.’ If this contradiction is closely discussed with deep consideration of the reversible process, students’ understanding of the thermodynamic concepts might be improved. 키워드열기/닫기 버튼, , , , Stirling engine, Carnot engine, ideal engine, reversible process, entropy 피인용 횟수
인용현황스털링 기관(영어: stirling engine)은 닫힌 공간 안의 가스를 서로 다른 온도에서 압축·팽창시켜 열에너지를 운동에너지로 바꾸는 장치이다. 스털링 기관은 열역학 이론상 가장 높은 열효율을 가지며, 또 연소할 때 폭발행정이 없기 때문에 엔진의 진동, 소음이 낮다. 또한, 외연기관이기 때문에 화석연료뿐 아니라 석유, 천연가스를 비롯하여 목질계 연료, 공장 폐열, 태양열 등 모든 열원을 이용할 수 있는 열기관이다. 스털링 기관의 원리는 1816년 영국의 목사 스털링이 고안한 것으로 알려져 있다. 그러나 증기기관과 내연기관의 급속한 발전으로 빛을 받지 못하다가 근래에 와서 관련기술, 특히 내열재료(내열재료)와 실(seal) 기술의 발전, 그리고 에너지절약과 대체에너지의 중요성이 강조되면서 다시 개발되기 시작했다. 고효율성이라는 특징을 살린 소형발전기, 연료의 다양성이라는 특징을 활용한 바이오매스 또는 폐열을 이용하는 시스템을 실현할 수 있는 엔진으로 기대를 모으고 있다. 원리[편집]오른 운동학적 구동기구인 롬빅 기구를 갖춘 베타형 스털링 엔진의 경우에서 1. 디스플레이서가 저온부(위쪽)로 이동한다. 이동한 디스플레이서에 의해 시스템 내의 작동유체(기체, 혼합기체인 공기 혹은 순수기체인 수소, 헬륨등이 주로 사용된다)가 고온부(아래쪽)로 이동한다. 2. 작동 유체는 고온부로 이동하면서 가열되어 시스템 내의 전체 압력이 상승한다. 상승된 압력은 동력(파워) 피스톤을 상승시키며 시스템 내의 동력을 발생시키고, 이 동력은 피스톤 로드를 통해 회전하는 크랭크 축에 저장된다. 3. 크랭크 축의 회전에 의해 디스플레이가 고온부(아래쪽)으로 이동한다. 이동한 디스플레이서에 의해 시스템 내의 작동유체는 저온부(위쪽)으로 이동한다. 4. 작동 유체는 저온부로 이동하면서 냉각되어 시스템 내의 전체 압력이 하락한다. 하락한 압력은 동력 피스톤의 하락에 의한 시스템 내의 작동유체의 수축을 허락하며, 이 동력은 회전하는 크랭크 축에 저장된 작동유체의 팽창 에너지의 일부이다. 크랭크 측에 저장된 에너지가 수축에 필요한 에너지보다 큰 경우, 작동유체는 저온부에서 충분히 압축되며 한 사이클이 마무리되고, 다음 사이클이 진행될 준비가 시작된다. - 여기에서 사이클이 지속적으로 동작되기 위한 필요 충분 조건은 바로 크랭크 축에 작동유체의 팽창 동안에 저장된 에너지가 디스플레이서를 고온부와 저온부로 이동시킨 뒤에 다시 피스톤을 압축하여 시스템 내의 작동 유체를 다음 행정에 필요한 만큼 충분히 수축시킬수 있어야 한다는 것이다. 만약 저장에너지와 피스톤들을 움직이고 작동유체를 압축시키는 에너지보다 같거나 작다면 외부로 동력을 인출할 수 없고, 엔진은 정지하며, 다음 사이클을 진행할 수 없다. 크랭크 축에 충분한 에너지가 저장되고 한 행정의 팽창에서 생산된 에너지가 필요한 에너지보다 크다면, 엔진은 지속적으로 동작하고, 외부로 생산된 동력을 보낼 수 있다. 종류[편집]
이론[편집]이상적인 스털링 사이클이 작동 유체에서 작용하는 4가지 열역학적인 프로세스를 구성한다. 1.등온 팽창. 확장 공간 및 열교환기는 일정하게 높은 온도로 유지하고, 기체는 열원으로부터 열을 흡수하는 등온 팽창을 겪게된다. 2.기체는 재생기를 통과한다. 그것은 냉각되고, 다음 사이클에서 사용하기 위해 재생기로 열을 전달한다. 장•단점[편집]
같이 보기[편집]
외부 링크[편집]
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