La machine de Stirling a été développée par Robert Stirling en 1816. C’est un moteur à combustion externe constitué de deux sources de chaleur. L’une chaude, l’autre froide. C’est un moteur ditherme. (Voir image ci-dessous)
Ces sources permettent de produire de l’énergie mécanique en convertissant l’énergie thermique par l’intermédiaire d’un fluide subissant un cycle thermodynamique fermé.
Dans le TP, le fluide correspond à un gaz qui est supposé parfait. On parle donc de moteur à air chaud. Celui-ci, permet de faire des études expérimentales et des mesures qui peuvent être assimilé aux processus d’un cycle thermodynamique (cycle de Stirling).

Moteur stirling
Dans ce TP, nous allons étudier le fonctionnement de ce moteur en mode moteur thermique et en mode machine frigorifique.
Fonctionnement en mode moteur thermique :
Dans ce mode de fonctionnement, un brûleur à alcool (voir image ci-dessus) sert de source d’énergie externe. L’air chauffé se détend et entraîne le piston. Nous allons relever le diagramme pression-volume.

Fonctionnement en mode machine frigorifique :
Le principe frigorifique repose sur l’apport d’énergie sous forme de travail afin de retirer de la chaleur à la source froide. Nous allons aussi réaliser un diagramme pression-volume de ce fonctionnement.

I. Description théorique du cycle de Stirling

1) Moteur thermique

En mode moteur thermique, une source d’énergie thermique externe (source chaude) permet de chauffer l’air du moteur, qui se détend et entraîne le piston. Dans son mouvement l’air est amené dans une région froide du moteur (source froide), où il se refroidit. Le moteur continue de tourner, ramenant le gaz vers la source chaude et initiant un nouveau cycle.
On peut ainsi tracer dans un diagramme de Clapeyron, le cycle de Stirling en fonctionnement moteur. Ce cycle évolue dans le sens horaire. L’évolution du cycle thermique est représentée dans le diagramme de Clapeyron (ci-dessous) où T1 est la source chaude