Motore Stirling
Scopo:
Lo scopo di questa esperienza è quello di dimostrare che durante il funzionamento del motore ad aria calda di Stirling vengano rispettate le leggi del ciclo di Carnot.
Richiami Teorici:
La creazione del Motore Stirling o “motore ad aria calda di Stirling” è data dal perfezionamento dei motori ad aria calda già esistenti, che nei primi anni del XIX sec. competevano con il motore a vapore il quale era molto pericoloso specialmente nelle miniere, siccome, a causa del materiale scadente dal quale era composto, era solito provocare forti esplosioni. Le teorie alla base del motore Stirling non poterono essere capite del tutto sino alla pubblicazione degli studi di Carnot il quale formulò (e rese pubblica nel 1825) una teoria riguardante tutti i motori termici: il ciclo di Carnot, di cui il ciclo di Stirling è un suo particolare utilizzo. Nonostante ai primi risultati positivi del motore Stirling, i miglioramenti del motore a vapore mediante l’utilizzo di materiali di maggior qualità e più affidabili rese lo Stirling meno conveniente e, dettato dal fatto di una minore resa, venne abbandonato il suo uso. Nonostante ciò, la creazione di Stirling rimane ancora oggi uno dei motori a combustione esterna più interessanti ed intriganti tanto da venire studiato ancora, siccome, lo sviluppo di nuovi materiali capati di incrementare la differenza di temperatura necessaria al funzionamento e le problematiche ambientali degli ultimi anni, hanno dato nuovi input alla creazione di nuovi motori Stirling. Lo Stirling, il quale è capace di funzionare tranquillamente tutto il giorno senza il bisogno di fornire aria, è tra i più interessanti motori a combustione esterna mai prodotti grazie alle sue caratteristiche vantaggiose come il suo bisogno minimo di manutenzione, la sua silenziosità e la possibilità di raggiungere rendimenti vicini a quelli teorici. Il motore ad aria calda di Stirling è un motore a combustione esterna, che si basa sul riscaldamento e il raffreddamento di una sostanza contenuta all’interno, solitamente aria o azoto, il tutto dunque necessita di una fonte di calore per permettere al fluido termovettore di riscaldarsi. Il suo funzionamento teorico è descritto dal ciclo Stirling: Esso è un ciclo termodinamico costituito da due trasformazioni isoterme e da due isocore. In un ciclo termodinamico, da un serbatoio ad alta temperatura viene alimentata energia termica che viene parzialmente trasformata in energia meccanica utilizzabile. Il resto dell'energia termica viene poi ceduta ad un serbatoio a bassa temperatura. Il grafico di un ciclo di Stirling nel piano di Clapeyron si presenta nella seguente forma: Da A a B il volume del gas aumenta e diminuisce la pressione, invece da C a D accade il contrario. In questi due casi si verifica un’espansione e una compressione isoterma. Da B a C la temperatura cala e la pressione diminuiscono ulteriormente, qui la trasformazione è aumentata riportando il gas nel suo stato iniziale. Le equazioni che spiegano questi effetti sono: $$A-B : T = V\cdot p$$ $$B-C : T \cdot V = p$$ $$C-D : T = V \cdot p$$ $$D-A : T \cdot V = p$$ La trasformazione isoterma è una trasformazione termica a temperatura costante, ossia una variazione dello stato fisico dove la temperatura del sistema non varia nel tempo. In questa trasformazione di un gas perfetto il calore (Q) è uguale al lavoro (W) compiuto. $$Q = W $$ Mentre nella trasformazione isocora la variazione dell’energia interna del sistema è uguale alla quantità di calore (Q) scambiata dal sistema con l'ambiente. Questo ciclo quindi alterna una fase di dilatazione/compressione, a una fase a volume costante. Il lavoro meccanico dato da questo impianto chiuso si ottiene dalla formula: $$W = −p \cdot dV$$