216px|thumb|Motor Stirling de tip Alpha
Motorul Stirling este o mașină termică cu fluidul de lucru aer cald, care funcționează pe baza unui ciclu care se desfășoară în întregime într-un sistem termodinamic închis. Există mai multe variante constructive ale motorului Stirling din care majoritatea sunt cu piston în mișcare de translație alternativă.
Motorul Stirling este un motor cu ardere externă. Sursa de energie termică poate fi nu numai arderea unui combustibil ci și energia solară sau energia nucleară. Un motor Stirling funcționează prin utilizarea unei surse de căldură externe și a unui radiator de căldură, fiecare din acestea fiind menținut în limite de temperatură prestabilite și cu o diferență de temperatură suficient de mare între ele. thumb|250px|Secțiune prin schema unui motor Beta Stirling cu mecanism de bielă rombic1 (roz) – peretele fierbinte al cilindrului, 2 (cenușiu închis) - peretele rece al cilindrului (cu 3 (galben) racorduri de răcire), 4 (verde închis) – izolație termică ce separă capetele celor doi cilindri, 5 (verde deschis) – piston de refulare, 6 (albastru închis) – piston de presiune, 7 (albastru deschis) - volanți, Nereprezentate: sursa exterioară de energie și radiatorele de răcire. În acest desen pistonul de refulare este utilizat fără regenerator.
Descriere În procesul de transformare a energiei termice în lucru mecanic, dintre mașinile termice cunoscute, motorul Stirling poate atinge cel mai mare randament, teoretic până la randamentul maxim al ciclului Carnot, cu toate că în practică acesta este redus de proprietățile gazului de lucru și a materialelor utilizate cum ar fi coeficientul de frecare, conductivitatea termică, punctul de topire, rezistența la rupere, deformarea plastică, etc. Acest tip de motor poate funcționa pe baza unei surse de căldură indiferent de calitatea acesteia, fie ea energie solară, chimică sau nucleară.
Spre deosebire de motoarele cu ardere internă, motoarele Stirling pot fi mai economice, mai silențioase, mai sigure în funcționare și cu cerințe de întreținere mai scăzute. Ele sunt preferate în aplicații specifice unde se valorifică aceste avantaje, în special în cazul în care obiectivul principal nu este minimizarea cheltuielilor de investiții pe unitate de putere ($/kW) ci a celor raportate la unitatea de energie ($/kWh). În comparație cu motoarele cu ardere internă de o putere dată, motoarele Stirling necesită cheltuieli de capital mai mari, sunt de dimensiuni mai mari și mai grele, din care motiv, privită din acest punct de vedere această tehnologie este necompetitivă. Pentru unele aplicații însă, o analiză temeinică a raportului cheltuieli-câștiguri poate avantaja motoarele Stirling față de cele cu ardere internă.
Mai recent, avantajele motorului Stirling au devenit vizibile în comparație cu creșterea costului energiei, lipsei resurselor energetice și problemelor ecologice cum ar fi schimbările climatice. Creșterea interesului față de tehnologia motoarelor Stirling a impulsionat cercetările și dezvoltările în acest domeniu. Utilizările se extind de la instalații de pompare a apei la astronautică și la producerea de energie electrică pe bază de surse bogate de energie incompatibile cu motoarele de ardere internă cum sunt energia solară, resturi vegetale și animaliere.
O altă caracteristică a motoarelor Stirling este reversibiltatea. Acționate mecanic, acestea pot funcționa ca pompe de căldură. S-au efectuat încercări utilizând energia eoliană pentru acționarea unei pompe de căldură pe bază de ciclu Stirling în scopul încălzirii și condiționării aerului pentru locuințe.
Istoric Mașina cu aer a lui Stirling (cum a fost denumită în cărțile din epoca respectivă) a fost inventată de clericul Dr. Robert Stirling și brevetat de acesta în anul 1816.R. Sier (1999) Data la care s-a încetățenit denumirea simplificată de motor Stirling nu este cunoscută, dar poate fi estimată spre mijlocul secolului XX când compania Philips a început cercetările cu fluide de lucru altele decât aerul – în instrucțiunile de utilizare MP1002CA este încă denumită ca 'motor cu aer'. Tema principală a brevetului se refera la un schimbător de căldură pe care Stirling l-a denumit "economizor" pentru că poate contribui la economisirea de carburant în diferite aplicații. Brevetul descria deci în detaliu utilizarea unei forme de economizor într-o mașină cu aer, care în prezent poartă denumirea de regenerator. Un motor construit de Stirling a fost utilizat la o carieră de piatră pentru pomparea apei în anul 1818. Brevetele ulterioare ale lui Robert Stirling și ale fratelui său, inginerul James Stirling, se refereau la diferite îmbunătățiri aduse construcției mașinii originale, printre care ridicarea presiunii interne ceea ce a condus la creșterea semnificativă a puterii, astfel încât în anul 1845 s-au putut antrena toate utilajele topitoriei de oțel din Dundee.R. Sier (1995), p. 93
Pe lângă economisirea de carburanți, inventatorii au avut în vedere și crearea unei alternative mai sigure pentru motorul cu abur,Excerpt from a paper presented by James Stirling in June 1845 to the Institute of Civil Engineers. As reproduced in R. Sier (1995), p.92. la care în aceea vreme adeseori exploda cazanul, cauzând accidente, chiar și pierderi de vieți.A. Nesmith (1985)R. Chuse; B. Carson (1992), Chapter 1
Cu toate acestea obținerea unui randament mai ridicat, posibil prin asigurarea de temperaturi foarte mari, a fost limitată de calitatea materialelor disponibile la acel moment și cele câteva exemplare construite au avut o durată de viață redusă. Defecțiunile din zona caldă a motorului au fost mai frecvente decât se putea accepta, totuși având urmări mai puțin dezastruoase decât explozia cazanului la mașinile cu abur.
Cu toate că în cele din urmă a pierdut competiția cu motorul cu abur în ceea ce privește modul de acționare al utilajelor, la sfârșitul secolului XIX și începutului de secol XX au fost fabricate în număr mare motoare Stirling/de aer cald (diferența dintre cele două tipuri se estompează dacă în multe din ele generatorul este de eficiență îndoielnică sau lipsește), găsindu-și utilizare peste tot unde era nevoie de o putere medie sau mică dar sigură, cel mai adesea în pomparea apei. Acestea funcționau la temperaturi scăzute, ca urmare nu solicitau prea tare materialele disponibile astfel încât deveneau destul de ineficiente, avantajele față de mașinile cu abur fiind operarea simplă putând fi deservite de personalul casnic. Cu trecerea timpului rolul lor fost preluat de motoarele electrice și de motoare cu ardere internă, de mai mici dimensiuni, astfel că la sfârșitul anilor 1930 motorul Stirling a căzut în uitare fiind doar o curiozitate tehnică reprezentată de câteva jucării și instalații de ventilație.
În acest timp Philips, firma olandeză de componente electrice și electronice a început cercetări privitoare la acest tip de motor. Încercând să extindă piața pentru aparatele sale de radio în zonele unde nu exista rețea de energie electrică și alimentarea de la baterii cu durată de viață scurtă era nesigură, managementul firmei a concluzionat că era nevoie de un generator portabil de putere redusă, astfel că a însărcinat un grup de ingineri de la laboratoarele sale din Eindhoven cu cercetările. Studiind diferite motoare de acționare mai vechi și mai noi, au fost respinse pe rând pentru un motiv sau altul până ce alegerea a căzut pe motorul Stirling. Silențios din construcție, și neselectiv față de sursa de energie termică (petrolul lampant „ieftin și disponibil peste tot” a fost avantajat) părea să ofere reale posibilități. Încurajați de primul lor motor experimental care producea 16 W la arbore la un cilindru cu diametrul de 30 mm și o cursă a pistonului de 25 mm, au pornit un program de dezvoltare.
În mod uimitor, activitatea a continuat și în perioada celui de al doilea război mondial, astfel că la sfârșitul anului 1940 s-a finalizat motorul Type 10 care era destul de performant pentru a putea fi cedat filialei Johan de Witt din Dordrecht pentru producția în serie în cadrul unui echipament pentru generarea energiei electrice conform planului inițial. Proiectul a fost dezvoltat cu prototipurile 102 A, B și C, ajungându-se la o putere de 200 W energie electrică la un cilindru cu diametrul de 55 mm și o cursă a pistonului de 27 mm la modelul MP1002CA. Producția primului lot a început în anul 1951, dar a devenit clar că nu se putea produce la un preț acceptabil pe piață, lucru la care s-a adăugat apariția aparatelor radio cu tranzistor care aveau un consum mult mai redus ceea ce a făcut să dispară motivul inițial al dezvoltării. Cu toate că MP1002CA era o linie moartă, ea reprezintă startul în noua eră de dezvoltare a motoarelor Stirling.
Philips a dezvoltat motorul Stirling pentru o scară largă de aplicații, dar succes comercial a avut doar motorul Stirling în regim invers utilizat în tehnica frigului. Cu toate acestea, compania a obținut o serie de brevete și a acumulat o cantitate mare de cunoștințe referitoare la tehnologia motoarelor Stirling, care ulterior au fost vândute ca licență altor firme.
Ciclul motor Deoarece ciclul motorului Stirling este închis, el conține o cantitate determinată de gaz numit "fluid de lucru", de cele mai multe ori aer, hidrogen sau heliu. La funcționare normală motorul este etanșat și cu interiorul lui nu se face schimb de gaz. Spre deosebire de alte tipuri de motoare nu sunt necesare supape. Gazul din motorul Stirling, asemănător altor mașini termice, parcurge un ciclu format din 4 transformări (timpi): încălzire, destindere, răcire și compresie. Ciclul se produce prin mișcarea gazului înainte și înapoi între schimbătoarele de căldură cald și rece. Schimbătorul de căldură cald este în contact cu o sursă de căldură externă de exemplu un arzător de combustibil, iar schimbătorul de căldură rece este în legătură cu un radiator extern de exemplu radiator cu aer. O schimbare intervenită în temperatura gazului atrage după sine modificarea presiunii, în timp ce mișcarea pistonului contribuie la compresia și destinderea alternativă a gazului.
Comportarea fluidului de lucru este conformă legilor gazelor perfecte care descriu relația dintre presiune, temperatură și volum. Gazul fiind în spațiu închis, la încălzire se va produce o creștere de presiune care va acționa asupra pistonului de lucru cauzând deplasarea acestuia. La răcirea gazului presiunea scade, deci va fi nevoie de mai puțin lucru mecanic pentru comprimarea lui la deplasarea pistonului în sens invers, rezultând un excedent energie mecanică.
Multe motoare Stirling performante sunt presurizate, adică presiunea medie din interior este mai mare decât cea atmosferică. Astfel masa fluidului de lucru este mai mare, ca urmare cantitatea de energie termică vehiculată, deci și puterea motorului va fi mai mare. Creșterea presiunii atrage și alte modificări cum ar fi mărirea capacității schimbătoarelor de căldură precum și cea a regeneratorului. Aceasta la rândul ei poate mări spațiile neutilizate precum și rezistența hidrodinamică cu efect negativ asupra puterii dezvoltate. Construcția motorului Stirling este astfel o problemă de optimizare a mai multor cerințe de multe ori contradictorii. Experiențele cu aer sub presiune au fost cele care au condus firma Philips la trecerea de la aer la alte gaze ca fluid de lucru. La temperaturi mari, oxigenul din aer avea tendința de a reacționa cu lubrifianții motorului, aceștia fiind îndepărtați de pe segmenții de etanșare, colmatând schimbătoarele de căldură și prezentând chiar pericol de explozie. Ulterior s-a constatat că anumite gaze cum ar fi hidrogenul și heliul prezintă și alte avantaje vizavi de aer.
thumbnail|right|250px|Un ansamblu motor Stirling generator electric cu o putere nominală de 55 kW, pentru utilizare combinată ca sursă de căldură și energie electrică Clic pe imagine pentru detalii în limba engleză.
Dacă un capăt al cilindrului este deschis, funcționarea este puțin diferită.