Stirlingmoottori on yksinkertainen lämpövoimakone. Sen sylinterien sisältämää kaasua vuoroin lämmitetään ja jäähdytetään. Lämmönlähteenä voi toimia esimerkiksi polttoöljy. Oheisessa videossa näet animaation kaksisylinterisestä Stirlingmoottorista. Punainen väri esittää sylinteriä, jossa kaasu lämpenee ja sininen sylinteriä, jossa kaasu jäähtyy. Moottorin männät työntävät kaasua sylinteristä toiseen.

Stirlingmoottorin kaasun kiertoprosessia voidaan esittää alla olevalla idealisoidulla kaaviolla. Prosessi koostuu kahdesta isokoorisesta ja kahdesta isotermisestä muutoksesta. 

1. Selitä, missä vaiheessa kaasu tekee työtä ympäristöön ja missä vaiheessa kaasuun tehdään työtä. Entä missä vaiheissa kaasuun siirtyy lämpöä ja milloin kaasusta siirtyy lämpöä ympäristöön?
2. Alla on esitetty kiertoprosessi kuvina 1–8. Kuvien järjestys vastaa vaiheiden järjestystä. Mitkä kuvista esittävät moottoria kaavion kohdissa A, B, C, ja D? Perustele.

Ratkaisu:

a.
Vaiheet A [[$\rightarrow$]] B ja C [[$\rightarrow$]] D ovat isokoorisia. Näissä vaiheissa kaasun ja ympäristön välillä ei tehdä työtä. Isokoorisessa prosessissa lämpötila on suoraan verrannollinen paineeseen. Lämpötilan kasvaessa vaiheessa A [[$\rightarrow$]] B kaasuun siirtyy lämpöä. Lämpötilan laskiessa vaiheessa C [[$\rightarrow$]] D kaasusta siirtyy lämpöä ympäristöön.

Vaiheessa B [[$\rightarrow$]] C kaasu laajenee ja tekee työtä ympäristöön. Vaiheessa D [[$\rightarrow$]] A kaasua puristetaan ja siihen tehdään työtä. Nämä muutokset ovat isotermisiä, joten kaasun lämpötila ja sisäenergia eivät muutu. Jotta sisäenergia säilyisi samana, pitää kaasuun tuoda lämpöä kaasun tekemän työn verran tai viedä lämpöä pois kaasuun tehdyn työn verran. Siis vaiheessa B [[$\rightarrow$]] C kaasuun siirtyy lämpöä ja vaiheessa D [[$\rightarrow$]] A kaasusta siirtyy lämpöä ympäristöön.

b. 
Kaasu jakautuu kaavion esittämässä Stirling-koneessa kahteen sylinteriin, joista toisessa kaasu lämpenee ja toisessa jäähtyy. Kaasu siis siirtää lämpöä ja koneen mekaaninen työ ilmenee mäntien liikkeenä.

Kaasun tilavuus on pienimmillään graafin vaiheessa A [[$\rightarrow$]] B, jonka aikana kaasu lämpenee. Graafin kohtaa A vastaa kuva 7 ja kohtaa B kuva 1. Isotermisen muutoksen B [[$\rightarrow$]] C aikana kaasun lämpötila säilyyy keskimäärin samana ja tilavuus kasvaa. Kohtaa C vastaa kuva 3. Tämän jälkeen vaiheessa C [[$\rightarrow$]] D kaasu jäähtyy ja tilavuus on suurimmillaan säilyen samana. Kohtaa D vastaa kuva 5. Kuvissa 5, 6 ja 7 tilavuus pienenee ja kone päätyy vaiheen D [[$\rightarrow$]] A myötä takaisin alkutilanteeseen.