能源之星——斯特林引擎
一、環保的工業革命
從十八世紀初葉開始，一連串對往復式蒸汽機的改良，確定了動力機械的實用性，促成能源科技的突飛猛進，人類從此掙脫了人力和獸力的限制，生產力一夕暴增，引發了以碳能源為基礎的第一次工業革命，深遠改變全體人類的文明軌跡。
人類於是發展出一種極度依賴能源的生活方式。然而，人們慣用的化石能源（如煤、石油、天然氧等）蘊藏量有限，不可逆的大量消耗，原本即非長久之計。再加上近年來金磚四國經濟起飛，大量人口也競相使用能源，近日油價於是屢創歷史新高，新一波能源危機隱隱浮現。
值得注意的是，70年代的石油危機，是產油國在以巴衝突中藉高油價杯葛英美之中東政策，人為製造出來的，幾經外交折衝，油價不難復歸平穩。但最近油價居高不下，則是市場上的確存在供不應求的客觀因素所造成，長遠來看，這樣的趨勢只會日益嚴峻，高油價時代實已無可避免。
另一方面，由於大量消耗化石能源，也對環境造成極大的衝擊，二氧化碳的濃度和排放量都創下了前所未有的記錄，衍生的各種後果不堪構想，於是而有京都議定書的簽署，減少依賴化石能源勢在必行。
平常就以賽球對抗排譴競爭本性的人類，立刻露出爭取珍貴石油的衝動，國際間暗潮洶湧，甚至爆發戰爭。面對能源危機和其連鎖所引發的糧食、環保、氣候變遷、生態威脅、國際關係等難題，憑藉第一次工業革命以降暴增的科技實力，賦予與蒸汽機幾乎同時誕生，卻蟄伏近兩世紀的一種外燃引擎——斯特林引擎——新的生命，展開著眼於永續非碳能源的下一場工業革命，相信必能和平的為當前困局找到兩全其美的解決方案。
二、從熱機談起
除了早期的蒸氣機之外，各種精巧的內燃引擎也陸續問世。這些能將熱能轉換成機械能的機器統稱“熱機(heat engine)”。從物理學的角度來看，儘管各種引擎的構造大異其趣，但所有熱機的主角都是工作流體(working fluid)。熱能進入工作流體之後，透過工作流體之運作，轉換成動能。打個比方來說，熱機好似公司行號，工作流體好似員工，無論公司之體制，聘僱方式如何，也無論員工領薪水的方式是用支票，還是給現金，總而言之，公司的營運方式都是員工領薪水然後辦理公事。
老式火車頭上的往復式活塞蒸汽機，現代核能電廠中的渦輪蒸汽機，不用火星塞的柴油引擎，常見的汽油引擎，戰機或客機搭載的噴射引擎（圖2-1），推動高空偵察機SR-71以三倍音速巡戈的衝壓引擎，不用連桿的轉子引擎，無論這些熱機的構造複雜與否；也不論它們加熱工作流體的方式，是直接在工作流體中燃燒燃料（內燃），還是經由鍋爐或汽缸來加熱工作流體（外燃）；也不論他們的工作流體是氦氣、氫氣、空氣、水蒸氣或其他物質；也不論他們是重複循環使用工作流體，或不斷使用用過即拋的工作流體，他們的工作原理都是一樣的：“工作流體被加熱或高溫狀態時，膨脹作正功，工作流體降溫或較低溫的狀態時，被壓縮作負功。”把工作流體的壓力和體積關係的封閉曲線畫在ＰＶ圖上，無論Rankine循環、Otto循環、Diesel循環，或者圖2-1所示的Brayton循環，工作流體狀態之變化都必須隨著相似的順時鐘方向。
二、從熱機談起
除了早期的蒸氣機之外，各種精巧的內燃引擎也陸續問世。這些能將熱能轉換成機械能的機器統稱“熱機(heat engine)”。從物理學的角度來看，儘管各種引擎的構造大異其趣，但所有熱機的主角都是工作流體(working fluid)。熱能進入工作流體之後，透過工作流體之運作，轉換成動能。打個比方來說，熱機好似公司行號，工作流體好似員工，無論公司之體制，聘僱方式如何，也無論員工領薪水的方式是用支票，還是給現金，總而言之，公司的營運方式都是員工領薪水然後辦理公事。
老式火車頭上的往復式活塞蒸汽機，現代核能電廠中的渦輪蒸汽機，不用火星塞的柴油引擎，常見的汽油引擎，戰機或客機搭載的噴射引擎（圖2-1），推動高空偵察機SR-71以三倍音速巡戈的衝壓引擎，不用連桿的轉子引擎，無論這些熱機的構造複雜與否；也不論它們加熱工作流體的方式，是直接在工作流體中燃燒燃料（內燃），還是經由鍋爐或汽缸來加熱工作流體（外燃）；也不論他們的工作流體是氦氣、氫氣、空氣、水蒸氣或其他物質；也不論他們是重複循環使用工作流體，或不斷使用用過即拋的工作流體，他們的工作原理都是一樣的：“工作流體被加熱或高溫狀態時，膨脹作正功，工作流體降溫或較低溫的狀態時，被壓縮作負功。”把工作流體的壓力和體積關係的封閉曲線畫在ＰＶ圖上，無論Rankine循環、Otto循環、Diesel循環，或者圖2-1所示的Brayton循環，工作流體狀態之變化都必須隨著相似的順時鐘方向。
1圖2-1 噴射引擎之工作流體，由外界吸入，PV狀態經0－23（壓縮）－34（燃燒升溫）－45（膨脹對渦輪(turbine)作工）－58（回到外界降溫），順時針變化其狀態，完成熱機循環
（數據源：www.grc.nasa.gov；WWW/K-12/airplane/brayton.html；encyclozine.com/Science/Physics/thermodynamics/）
熱力學第二定律則指出，工作流體被加熱之後，又必然恢復到原來狀態時，被加熱時獲得的熱能，因為機率的原故，不可能完全經做功轉換成機械能，所以沒有完美的熱機。
就以大家最熟悉的汽油引擎為例，圖2-2是理想化的二行程汽油引擎，汽油引擎的主角當然也是工作流體，也就是進出引擎的空氣。
過程1：混合著少量汽油的空氣（此時溫度較低）被壓縮後，點火爆燃油氣，使空氣溫度升高。
過程2：加熱後的高溫空氣膨脹作正功，推動活塞，經連桿驅動飛輪轉動。
過程3：飛輪繼續轉動則將推動活塞壓縮工作流體，所以在此先吸入混著汽油的低溫空氣，並把高溫的空氣（廢氣）排出。排出廢氣，吸入新鮮空氣的過程，其主要效果是冷卻工作流體。
過程4：較冷的工作流體於是再被活塞壓縮，作負功，並繼續過程１。
如此周而復始，此二行程汽油引擎即不停運轉。四行程汽油引擎只不過是經由較徹底的先排氣，再吸氣，完成降溫過程而已，工作原理與二行程的汽油引擎完全一樣。
2-2三、斯特林引擎的工作原理
1816年蘇格蘭牧師羅伯特斯特林，申請了現今稱為斯特林引擎的一種外燃機專利。有別於以水蒸汽作為工作流體的蒸汽機，當時的斯特林引擎１以空氣作為工作流體，所以也稱為熱空氣引擎(hot air engine)。
圖3-1顯示一種很容易理解其原理的斯特林引擎，右方容器稱之為溫差氣室。溫差氣室的下方為熱區，溫度較高；上方冷區的溫度較低；兩側斜線部分代表熱再生器(regenerator)。引擎運轉時，要持續維持熱區和冷區的溫差。溫差氣室中的移氣胴體(displacer)可上下移動。移動時顯然不會改變引擎中工作流體的體積，但移氣胴體在上方時，工作流體被移往熱區，移氣胴體在下方時，工作流體被移往冷區。熱再生器的功能是，當工作流體從熱區移到冷區時預先冷卻工作流體，並暫時儲存工作流體釋出的熱能，當工作流體從冷區移到熱區時，利用儲存的熱能預先加熱工作流體。工作流體預冷後停留在冷區繼續冷卻，預熱後停留在熱區繼續加熱。
活塞的往復運動則會改變工作流體的體積，工作流體膨脹時對活塞作正功，工作流體被壓縮時作負功。
3-1圖3-1 斯特林引擎示意圖，右方溫差氣室兩側斜線部分代表“熱再生器(regenerator)”
這型斯特林引擎的運轉過程，與後來才出現的汽油內燃機模擬，非常容易加以解釋。（比較圖3-1和圖2-2）
過程1：在此過程中，工作流體已被壓縮，必須先獲得熱能，再膨脹作正功。汽油引擎利用燃燒少量的汽油，加熱汽缸中的工作流體（空氣）；斯特林引擎中的工作流體，則是被移氣胴體驅趕，經熱再生器移到下方熱區加熱。
過程2：高溫的工作流體壓力增加，膨脹對活塞作較大的正功。
過程3：工作流體將被壓縮，先被移氣胴體驅趕，經熱再生器移到上方冷區冷卻。汽油引擎則在此過程中，排掉高溫廢氣，並吸入混有燃料的低溫空氣，以進行降溫。
過程4：低溫的工作流體於是被活塞壓縮作負功。
3-2圖3-2 理想化的斯特林引擎工作流體PV圖
對照的汽油引擎和這型斯特林引擎，兩者不同之處在於：汽油引擎以混合燃料燃燒的方式直接加熱工作流體，以排氣吸氣的方式冷卻工作流體；斯特林引擎則是利用工作流體接觸不同溫度的區域，來升降其溫度
移氣胴體和活塞如何在時序上恰好配合，使得工作流體先加熱再膨脹，先冷卻再壓縮呢？最常用的是曲軸和連桿等構成的連動機構(drive mechanism)，但許多巧妙的方法也可達到同樣的效果。
圖3-2 顯示斯特林引擎的工作流體理想化的PV圖。在過程1（圖中1→2狀態），活塞假設不動，被壓縮的工作流體經熱再生器由冷區移到熱區，工作流體被加熱，等體積升溫；過程2（圖中2→3狀態），活塞向外運動，工作流體停留在熱區等溫膨脹；過程3（圖中3→4狀態），活塞假設不動，工作流體經熱再生器，由熱區回到冷區，等體積降溫；過程4（圖中4→1狀態），活塞向內運動，工作流體停留在冷區，作等溫壓縮。
如果熱再生器在工作流體等體積降溫時（3狀態→4狀態），熱能完全儲存在熱再生器中，等體積升溫時（1狀態→2狀態），儲存在熱再生器中的熱能又完全釋入工作流體中，即Q3→4=-Q1→2。在2狀態至3狀態的等溫膨脹（溫度較高，以Th表示），所做的功為：
3.1(3.1)
其中n為工作流體莫耳數，R為氣體常數，VL和VS分別是工作流體的膨脹後和壓縮後之體積。
根據熱力學第一定律，等溫膨脹所作的功等於所獲得之熱能
3.2(3.2)
同理，低溫（TC不變）被壓縮的過程中，工作流體所作的功和獲得之熱能分別為
＜ 0 (3.3)
3.3(3.4)
3.4因此，工作流體每循環一次所作的淨功為：
(3.5)
3.5等於PV圖中封閉曲線所包圍的面積。在完美熱再生器的前提之下，斯特林引擎的效率為
3.6(3.6)
即等於卡諾循環的效率。
然而，斯特林引擎有許多不同的設計，不同構造的斯特林引擎，其工作流體的PV圖與圖3-2中顯示者多少有些出入。
此外，在真實的斯特林引擎中，活塞大多以近似時間正弦函式的方式運動，鮮少完全靜止，所以工作流體能經歷一段等體積過程，實為簡化的假設；通常熱再生器的效率亦難達到100%；而在溫差氣室冷區的工作流體也不容易完全移到熱區加熱，反之亦然，在熱再生器中也會滯留一部分工作流體，這些沒有參與溫度變化的工作流體，形成所謂滯留體積(dead volume)，PV曲線圖實際上會比圖3-2所示的曲線平滑許多。
再加上工作流體在溫差氣室中移動時，各種阻滯力造成動能的損失(flow loss)，以及外燃加熱時，熱傳導過程中的各種損失(heat transfer loss)，而工作流體等溫膨脹或壓縮的等溫假設亦顯有瑕疵，更使得實際斯特林引擎的效率與卡諾循環的效率不完全相等。
