斯特林发动机的运作基于一个封闭气缸内的气体（工质）受热膨胀和遇冷压缩的原理。这种发动机是一种外燃机，意味着它利用外部热源为工质提供能量。具体来说，在斯特林发动机中，气缸一端连接到热腔，另一端则连接到冷腔。当工质从冷腔被压缩时，它被输送到热腔，在这里，燃料产生的热量使工质温度升高，体积膨胀，从而产生动力。这一过程会反复进行，推动活塞或旋转曲轴，进而产生机械能。
斯特林发动机的设计中，工质的选择至关重要。通常，氢气或氦气等轻质气体被用作工质，因为它们具有良好的膨胀系数。然而，也有一些设计使用了液体工质，例如某些类型的液体金属。工质的选择需要考虑到热导率、膨胀系数和化学稳定性等因素。在热腔中，工质吸收热量并膨胀，而在冷腔中，它被压缩并释放热量。这个过程可以使用外部循环系统来提高效率，通过循环泵将工质在热腔和冷腔之间连续输送。
斯特林发动机的优点之一是其较高的热效率，尤其是在低温应用中。此外，由于它不需要点火系统，因此相对安静且污染较小。然而，斯特林发动机也存在一些缺点，如结构复杂、启动时间较长以及对热源要求较高。尽管如此，它在一些特殊领域仍具有应用价值，例如在太阳能发电系统中，用于将太阳能转化为机械能。
斯特林发动机的工作原理涉及多个关键步骤：首先，工质在冷腔中被压缩，随后被输送到热腔；接着，工质吸收热量并膨胀；最后，在冷腔中被再次压缩并释放热量。这个循环过程不断重复，推动活塞或旋转曲轴，从而产生持续的动力输出。通过优化设计和材料选择，斯特林发动机能够在各种环境中提供可靠的能源转换。
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