一项拥有 200 年历史的发明，在现代技术中得以延续
该视频展示了一个利用杯面热量运行的小型热机。无论现在还是过去，我们人类都利用热量来生存。汽车由发动机提供动力，无论是核能还是火力发电，它们都是通过利用蒸汽旋转涡轮来发挥作用的。热可能是我们生活中最熟悉但又最难以捉摸的概念。今天我们要讲的是至今仍在使用的斯特林发动机。
斯特林发动机大约200年前发明，至今仍在各个领域使用。例如，利用工厂废热的小型发电系统、使用生物质燃料的分布式发电装置等正在实用化。此外，利用逆循环的斯特林制冷机被用于研究机构创造低温环境，日本公司制造的小型斯特林发动机也在太空开发领域受到关注，并获得了美国国家航空航天局（NASA）的订单。
那么，为什么这项古老的技术能够延续到现代，并且仍在寻找新的用途呢？
工业革命时代的技术挑战及解决方案
当苏格兰牧师罗伯特·斯特林于 1816 年发明发动机时，这是一个严重的工业安全问题。作为当时主要动力源的瓦特蒸汽机，为了提高效率，倾向于将锅炉压力越来越高。但由于高压锅炉技术限制，爆炸事故频发，造成多名工人死亡。
斯特林看到他的教区居民卷入了这些事故，并致力于开发一种更安全、更高效的电源。他设计的是一种“外燃机”，在外部产生燃烧，并通过从外部加热和冷却密封气缸内的气体来发电。这样就无需产生高压蒸汽，大大降低了爆炸风险。
有趣的是，这项发明并非出于单纯的技术兴趣，而是为了解决现实的社会问题。
与卡诺循环的有趣关系
要了解斯特林发动机的技术特点，需要了解热力学的基本概念——卡诺循环。卡诺循环是法国物理学家卡诺于1824年提出的理论热机循环，它表示将热量转化为功时的理论效率上限。
该效率仅由高温热源与低温热源之间的温差决定；例如，如果使用1000℃的高温源和25℃的低温源，则理论效率约为76%。重要的是，没有任何热机能够超过这个效率。这是自然法则设定的极限。
斯特林发动机是现有的少数有可能达到理论最高效率的热机之一。当然，现实中由于材料限制和加工精度的限制，不可能达到理论值，但仍然可以实现比许多其他热机更接近卡诺效率的性能。
考虑到当时蒸汽机的效率在10%左右，可见斯特林发动机的理论潜力有多大。
卓越技术的普遍性
回顾科技史，真正伟大的发明往往能够历久弥新。让我们举一个熟悉的例子。
伞的基本结构千百年来一直没有改变，至今仍被用作雨具。从史前时代到现代，轮子的概念一直是所有交通工具的基础。在建筑领域，从古罗马时代到现代桥梁，拱形结构一直被用作有效分配力的优秀结构。
即使在烹饪的世界里，用火来加热食材的基本原理以及用刀片切割食材的刀具的功能作为烹饪技术的基础仍然没有改变。
这些事物的共同点是它们都具有基于自然法则的理性机制。同样，斯特林发动机在 200 年后继续寻找新的用途，因为它仍然遵循热力学的基本原理，同时提供安全、高效和与各种热源兼容等基本优势。
科学发现的连续性
今天，在罗伯特·斯特林逝世周年纪念日（1790年10月25日至1878年6月6日），我们可以反思科学技术的发展。尽管他的发明是为了解决当时的特定问题而生的，但其背后的科学原理的普遍性在完全不同的时代继续为我们提供价值。
在现代全球变暖问题和对可再生能源的需求的背景下，人们对斯特林发动机重新产生了兴趣，这是这一科学原理的普遍性的完美例子。一项伟大的科学发现不仅为这一代人，也为子孙后代打开了新的可能性之门。