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Den Arbeitszyklus des Stirlingmotor kann man auch anhand eines Arbeitsdiagramms verdeutlichen. Die thermodynamischen Zustandsänderungen fassen sich zusammen in einem Kreisprozess.
I-II (Isotherme Expansion)
Die unter Druck stehende heiße Luft im Zylinder dehnt sich aus wobei ihr Volumen zunimmt (Expansion). Die Luft verrichtet so Arbeit, indem sie den Arbeitskolben bewegt. Der Druck sinkt. Die Energie dafür wurde ihr zuvor durch die Heizung zugeführt. Das heißt, das die Luft nur ein Energieumwandler ist, jedoch sich ihre eigene Energie bzw. ihre Temperatur T1 nicht ändern (Isotherme).
II-III (Isochore Abkühlung)
Die verdrängte Luft aus dem Heizzylinder kühlt sich von T1 auf T2 ab (Abkühlung). Der Kühlzylinder nimmt dabei die Wärmeenergie der heißen Luft auf. Weil das Volumen der Luft gleich bleibt (Isochor), bewegt sich der Arbeitskolben nicht und es wird keine Arbeit verrichtet.
III-IV (Isotherme Kompression)
Der Luft wird durch den Kühlzylinder Energie entzogen. Diese, da sie sich schon auf T2 abgekühlt hat, ändert ihre Temperatur nicht mehr (Isotherme), sondern verkleinert ihr Volumen (Kompression).
IV-I (Isochore Erwärmung)
Die Luft hat ihr Volumen zu einem Minima verkleinert und ändert dieses jetzt nicht mehr (Isochor). Durch die Heizung wird die Luft wieder erwärmt (Erwärmung), wobei der Kreisprozess wieder von neuem beginnt.
Die Einzelnen Zustandsänderungen gehen fließend ineinander über und überlagern sich auch soweit, so das sie praktisch nur schwer nachzuvollziehen sind.
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