Источники энергии - история и современность
1. Источники энергии древнего мира
1.1 Огонь и способы его добывания
1.2 Применение энергии волокон, дерева, сухожилий (лук, метательные машины античности)
1.3 Водяное колесо
1.4 Паровая турбина Герона - любопытная игрушка Древнего мира
1.5 Энергия химических соединений (энергия пороха)
2. От раннего средневековья до ХХ века
2.1 "Perpetuum mobile" - неосуществимая мачта средневековья
2.2 От водяного колеса до гидротурбины
2.3 Тепловые двигатели
2.3.1 Теория тепловых двигателей
2.4 Паровые двигатели
2.4.1 Модель Папена
2.4.2 Паровой насос Сэвери
2.4.3 Паровая машина Ньюкомена
2.4.4 Паровая машина Ползунова
2.4.5 Паровая машина Уатта
2.4.6 Паровая турбина
2.5 Двигатели внутреннего сгорания
2.5.1 Цикл Карно
2.5.2 "Идеальный двигатель" Рудольфа Дизеля
2.5.3 Газовая турбина
2.5.4 Реактивные двигатели
3. Электричество
3.1 Электрогенератор
3.2 Электродвигатель
3.3 Химические источники тока
3.4 Аккумулятор
4. ХХ век
4.1 Атомная энергия
4.2 Атомный реактор
4.3 Атомная оружие
4.4 Энергия термоядерного синтеза
4.4.1 Установки управляемого термоядерного синтеза (УТС)
4.4.2 Мюонный катализ
4.4.3 Термоядерное оружие
4.5 МГД - генератор
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Целью моей работы по выбранной теме является изучение всех источников энергии, применявшихся в тот или иной период человеческой истории.
Основной задачей при проведении работы являлась переработка большого объёма информации, полученных мною из разных источников: научно-популярных статей, книг, энциклопедий (список использованных источников информации приведён в конце работы), и объединение этой информации в единое целое. Я считаю, что эта задача была решена, и итогом решения этой задачи является эта работа.
Я считаю, что моя работа очень актуальна в настоящий момент времени, когда подходят к концу топливные ресурсы нашей планеты. С помощью моей работы можно проанализировать, какие энергоресурсы использовало человечество на каком-либо этапе своего развития, и из этого сделать вывод, какие источники энергии наиболее перспективны. Перспективностью в настоящий момент я считаю не дешевизну самого источника энергии (двигателя, генератора), а доступность и большие запасы топлива для этого источника энергии. Таковыми в настоящий момент являются установки управляемого термоядерного синтеза (УТС), водяные турбины, многие так называемые альтернативные источники энергии. К ним можно отнести и атомные реакторы на быстрых нейтронах. Хотя топливо для них получается дорогим способом, однако эти реакторы могут сами производить топливо для своей работы.
Своё исследование я построил следующим образом: я распределил все источники энергии в хронологическом порядке, сгруппировав их в три больших временных периода: Древний мир, от Средневековья до ХХ века, ХХ век. Такое разделение отражено в оглавлении моей работы. После этого я составил описание к каждому источнику энергии, добавив также значение этого источника в истории человечества, а для некоторых (альтернативные источники энергии, гидротурбины, установки УТС и др.) - и перспективы их развития.
На этом я заканчиваю это своеобразное предисловие и приступаю к представлению самой работы.
Человечество с самого своего появления пользуется источниками энергии. Сначала они были весьма примитивными. Таковыми были, например, огонь или лук. Но с ходом развития человеческой цивилизации усложнялись и источники энергии, используемые им, а также открывались или изобретались новые источники. И вот, в ХХ веке, человек научился использовать энергию атомного ядра и термоядерного синтеза, построил МГД (1)- генератор.
Открытие новых источников энергии шло сложными путями. На начальном этапе развития человечеств открытие чего - либо нового происходило либо по счастливой случайности, либо благодаря гениальному учёному (как, например, Герон или Архимед), либо это открытие совершалось на протяжении значительного периода времени (поиск способов добывания огня).
В Средние века, во время упадка науки, открытия совершались лишь благодаря немногим действительно образованным людям (а не алхимикам и другим лжеучёным), но из-за огромной власти христианской церкви им, в лучшем случае, приходилось отказываться от своих убеждений, в худшем - они попадали на костёр инквизиции. Такие "научные изыскания", как поиск "perpetuum mobile", свидетельствуют о сильном упадке многих наук, о незнании основных законов природы.
В тот период мировой истории, называемый Ренессансом, а также в более позднее время (период Новой истории), многие люди вплотную начали заниматься наукой и техникой, в том числе - постройкой различных машин. С этого времени и начался поиск универсального двигателя, способного заменить уже используемые (водяное колесо). Этот поиск шёл с переменным успехом и вёлся совершенно разными людьми. Эти изобретатели (как и их изобретения) были различны; многие из них стали изобретателями благодаря великим учёным или из-за того, что их просто заинтересовала важная и интересная проблема - постройка двигателей. Например, изобретатель парового котла и конструктор первых моделей двигателя внутреннего сгорания и паровой машины Дени Папен был в своё время врачом, но увлёкся этой областью техники лишь благодаря встречам с Христианом Гюйгенсом. Изобретатель четырёхтактного ДВС(2) Август Отто когда-то был конторщиком, приказчиком, бухгалтером. Такая скучная и бесперспективная жизнь заставила его искать новый путь к успеху - и он занялся постройкой нового двигателя.
С течением времени двигатели (и другие источники энергии) перестали быть уродливыми, примитивными и, как часто бывало, неработоспособными конструкциями механиков-самоучек. В этой области техники всё сильнее и сильнее начала проявлять себя наука, и новые двигатели конструировались на основе уже изученных принципов и сложных математических расчётов (дизель-мотор, паровая турбина).
В ХХ веке эта область техники (постройка двигателей и других источников энергии) перестала существовать отдельно от науки. Стали иметь место такие случаи, когда между открытием новых свойств какого-либо материала и постройкой источника энергии, использующего эти свойства, проходило очень мало времени (например: открытие радиоактивности и постройка ядерного реактора).
Конструированием новых источников энергии теперь занимались не отдельные выдающиеся личности, а целые группы учёных, исследовательские институты, конструкторские бюро и производственные объединения.
Именно ими были созданы такие сложные и оригинальные конструкции, как ТОКАМАК, МГД - генератор, установки лазерного термоядерного синтеза, многие так называемые альтернативные источники энергии.
Мы живём на пороге того времени, когда многие энергетические ресурсы (нефть, природный газ, каменный уголь) будут на грани исчерпания. Казалось бы, нас ждёт "энергетический голод". Но благодаря упорным трудам учёных скоро мы будем обеспечены дешёвой энергией на тысячи лет вперёд. Я говорю о постройке первых промышленных установок, осуществляющих управляемый термоядерный синтез, а вслед за ними - и постройке ТЯЭС - термоядерных электростанций. Топливо для этих установок находится практически повсюду, а на планете запасы этого топлива огромны. Пуск этих установок уже близок.
В ожидании вышеупомянутого пуска автор реферата предлагает Вам обзор и описание (конструкция, принцип действия) всех (или почти всех) источников энергии, которые когда-либо были открыты, построены и применены человеком. Обзор идёт в хронологическом порядке, а источники энергии сгруппированы по принципу их принадлежности к той или иной области физики (термодинамика, электричество, ядерная физика). Отдельную главу занимают "вечные двигатели", которые, хотя и не относятся к выбранной автором теме, упомянуты здесь ради ознакомления. В реферате есть главы, в которых помещены описания машин, которые, по сути, не производят энергию из чего-либо, а только преобразуют её. Такими машинами являются электрогенератор и электродвигатель. Они помещены в данный реферат потому, что без них невозможно представить современную промышленность и быт человека. Эти конструкции сыграли в истории человека не менее важную роль, чем, в своё время, изобретение Уаттом паровой машины, совершившей промышленный переворот, и создание совершенного ДВС.
Итак, обзор начинается с огня, которым пользовались наши далёкие предки, и заканчивается описанием установок управляемого термоядерного синтеза, которыми будут пользоваться наши потомки.
1. Источники энергии древнего мира
1.1 Огонь и способы его добывания
Люди рано открыли полезные свойства огня - его способность освещать и согревать, изменять к лучшему растительную и животную пищу. Неизвестно, кто и когда сумел преодолеть животный страх перед огнём и принёс его в своё жилище.
Первым источником огня для человека был "дикий огонь", возникавший от удара молнии или лавы вулкана.
С того момента, как человек научился пользоваться огнём, он стал основой его хозяйства и постоянным спутником. В древние времена огонь был незаменимым источником тепла, света, средством для приготовления пищи, орудием охоты.
Однако и дальнейшие завоевания культуры и технологии (керамика, металлургия, сталеварение, тепловые двигатели и т.п.) обязаны комплексному использованию огня и изучению его свойств.
Долгие тысячелетия человек поддерживал огонь в своём жилище, так как он ещё не умел его добывать.
Открытие способов добывания огня произошло не сразу, а в ходе наблюдений многих поколений. Возможно, что открытие этих способов произошло, как это часто бывает, случайно.
Одной из таких случайностей была сверловка древесины. Древний человек пользовался либо каменными (кремневыми) свёрлами, либо свёрлами из более твёрдых пород дерева. Во время этой операции происходило нагревание древесины и в благоприятных условиях могло произойти воспламенение. Обратив на это внимание, люди стали широко пользоваться трением для добывания огня. Простейший способ состоял в том, что брались две палочки, в одной из которых делали лунку. Эта палочка помещали на землю и прижимали. Вторую вставляли в лунку и начинали быстро вращать, в то же время с силой давя на палочку. Процесс этот был достаточно долог и утомителен, поэтому человек пытался его ускорить: использовал смолистую древесину, добавлял в лунку легкозагорающиеся материалы (сухую траву), использовал лук для вращения.
Человек и сейчас так или иначе использует трение для добывания огня (спички и пр).
Другим способом было добывание огня с помощью искры. Возможно, человек придумал этот способ, когда, бродя в темноте, он случайно зацепился за камни, лежащие у него под ногами, те ударились, высекли искру, а та попала в сухую траву или листья. Этот способ требовал от человека терпения и удачливости, так как искру можно было либо высечь сразу, либо её могло не быть совсем. Для большей успешности этого способа человек также применял различные усовершенствования: выбирал, согласуясь со своим опытом, только определённые камни, покрывал их серой.
Объединение этих двух способов нашло применение в кремневых зажигалках.
Давайте попробуем определить, какую энергию тратил человек при добывании огня с помощью трения.
Из второго закона Ньютона:
Fтр = k (mg + F),
где k - коэффициент трения, F - сила, с которой давит человек.
Пусть А = Q, тогда А = cm’ (tвоспл. - t0), где с - теплоёмкость дерева, m’ - масса нагревающейся части.
В свою очередь, А = 3,14RNFтр, где R - радиус вращаемой части, N - число оборотов.
Тогда 3,14RNk (mg + F) = cm’ (tвоспл. - t0). В данном уравнении все величины могут быть определены, кроме N. Подставляя известные величины, можно определить это число оборотов, и, хотя бы приблизительно, предположить, сколько времени приходилось тратить человеку при добывании огня этим способом.
1.2 Применение энергии волокон, дерева, сухожилий (лук, метательные машины античности)
Лук был одним из первых изобретений человека разумного. Это оружие создано так давно, что не известна дата изобретения и имя изобретателя. Возможно, идея изобретения возникла при сгибании упругих веток деревьев, но следует отметить, что лук не был изобретением одного человека, а, скорее всего, являлся результатом наблюдений нескольких поколений.
Лук позволял преобразовать потенциальную энергию тетивы в кинетическую энергию стрелы таким образом, что стрела, выпущенная из лука, летела намного дальше, чем стрела, брошенная рукой человека (вообще, стрела появилась раньше лука и применялась как метательное оружие).
Луку было найдено и другое применение. Есть свидетельства, что с его помощью приводился примитивный сверлильный механизм древнего человека; имеется изображение Древнеегипетского токарного станка, в котором обрабатываемая деталь приводилась во вращение посредством лука.
Метательные качества лука зависели от свойств тетивы и самого лука (упругости и прочности). Чем лучше были выше эти свойства, тем лучше был лук. В более позднем времени стали появляться так называемые сложные луки, которые усиливались различными накладками из кости или рога.
Метательных машин античности, использовавших силу упругости волокон, сухожилий и дерева, было создано достаточно много, но ни одно из них не сохранилось в целости и сохранности. Эти машины подразделялись на две разновидности: для метания стрел "прямой наводкой", выглядевшие как луки, снабжённые механизмами для натягивания и спуска тетивы. К ним относились всевозможные конструкции станковых арбалетов и баллист (греч. "балло" - бросаю). Второй разновидностью были машины, метавшие снаряды по навесной траектории - катапульты и камнемёты.
Особого развития метательные машины, а особенно станковые арбалеты, достигли в Древнем Китае. С помощью этого оружия китайцы оборонялись от кочевников и сумели сдержать первый натиск монгольских завоевателей. Именно из этого оружия метались первые начинённые порохом снаряды.
Есть свидетельства, что к созданию первых в истории метательных машин приложил руку сам Архимед.
На рисунках представлена зависимость дальности и высоты полёта стрелы от её массы, упругости тетивы и лука (сопротивление воздуха в этом случае мало и поэтому не учитывается).
1.3 Водяное колесо
В истории человечества водяные двигатели всегда играли особую роль. На протяжении многих веков водяные машины были главным источником энергии на производстве. Затем развитие тепловых (а позже - электрических) двигателей сильно сузило сферу их применения. Однако везде, где имелись дешёвые гидроресурсы (ручей с быстрым течением, водопад или порожистая река), водяной двигатель мог оказаться предпочтительнее всех других, поскольку был очень прост по своей конструкции, не требовал топлива и имел сравнительно высокий КПД. После того как в первой половине XIX века была изобретена водяная турбина с очень высоким КПД, гидроэнергетика пережила как бы второе рождение. С началом электрификации по всему миру развернулось строительство ГЭС, на которых электрогенераторы получали свой привод от гидротурбин различных конструкций. Об электрогенераторах и гидротурбинах рассказ будет чуть позже, а сейчас будет рассказ о водяном колесе.
Первые водяные колёса появились ещё в древности. По конструкции они делились на два основных вида (см. ниже): нижнебойные (подливные) и верхнебойные (наливные). Нижнебойные водяные колёса были наиболее простым типом водяного двигателя. Они не требовали для себя строительства сложных гидротехнических сооружений, но в то же время имели самый низкий КПД, так как их работа основывалась на достаточно невыгодном принципе: подтекающая под колесо вода ударяла в лопатки, заставляя их вращаться. Работа верхнебойных колёс основывалась на использовании веса падающей воды.
КПД верхнебойного водяного колеса достигал 75%, который был самым высоким из всех созданных тогда двигателей. Этот своеобразный рекорд был побит с появлением гидротурбин различных конструкций.
КПД среднебойного колеса равнялся 65%, нижнебойного - ещё меньше.
Несмотря на относительно высокий КПД, водяные колёса были маломощными двигателями. Обычно их мощность равнялась 5 - 6 лс. Для получения больших мощностей строились колёса огромных размеров, что было связано с новыми трудностями: такая "махина" была тяжела, громоздка, её было трудно запустить.
Нижнебойное и верхнебойное водяные колёса отличались по свойствам: при равной мощности первое имело большую скорость вращения, чем второе.
С появлением такой тепловой машины, как машина Уатта, водяные двигатели стали забываться. Второе возрождение водяного двигателя, но уже в другом виде, началось с изобретением в 1750 году венгром Сегнером, работавшем в Геттингенском университете совершенно нового типа водяного двигателя.
На рисунке слева представлено верхнебойное водяное колесо, справа - нижнебойное.
1.4 Паровая турбина Герона - любопытная игрушка Древнего мира
Изобретение греческого механика и учёного Герона Александрийского (II век до нашей эры). Ёе работа основана на принципе реактивного движения: пар из котла поступал по трубке в шар, укреплённый на горизонтальной оси; вытекая затем из коленчато-изогнутых трубок, пар толкал эти трубки в обратном направлении, и шар начинал вращаться.
К сожалению, геронова паровая турбина в древности оставалась только любопытной игрушкой, так как дешевизна труда рабов никого не побуждала к практическому использованию машин. Но сам принцип не был заброшен техникой: в наше время он применяется в устройстве реактивных двигателей.
Весьма оригинальная находка гениального механика!
1.5 Энергия химических соединений (энергия пороха)
"Одну часть угля, одну часть серы и шесть частей селитры мелко растолочь и развести льняным или лавровым маслом, затем положить в трубу и зажечь. Всё летит сейчас же в желаемом направлении и всё уничтожает своим пламенем…" - так писал в 1220 году византийский автор Марк Грек в своём трактате "Книга огней для сжигания врагов". С распространением пороха в Европе связано много имён: это и вышеупомянутый Марк Грек, и монах Роджер Бэкон, и монах Бертольд Шварц. Но порох был изобретён, хотя нет, даже не изобретён, а почти что случайно открыт китайским алхимиком Сунь Сымяо в VII веке н.э., о чём было написано им в трактате "Дань цзин". Изначально порох применялся в качестве зажигательного средства, скорее всего из - за того, что изготовленный из неочищенных компонентов порох не давал сильного взрывного эффекта. Но через некоторое время стали применяться разрывные снаряды, называемые китайцами "Огненный ястреб", "Чёрный дракон" и другие. Секрет изготовления пороха шёл в Европу по длинной цепочке: от китайцев к монголам, потом к арабам, затем к византийцам, а потом уже к европейцам. Именно европейцы научились использовать порох надлежащим образом: из-за появления пороха в Европе переворот произошёл не только в военном деле, но и в устройстве европейского общества: феодальный строй был сменён буржуазным.
Что же позволяло пороху при горении выделять энергию, способную метать пули и ядра, те, в свою очередь, могли пробивать рыцарские латы и стены замков? Для этого придётся сделать небольшое отступление и обратиться к химии: реакция, происходящая при горении пороха, описывается приблизительно следующим уравнением:
2KNO3+3C+S = K2S+3CO2 +N2,
где K2S - твёрдый остаток горения, а СО2 и N2 - газы. Как видно из уравнения, горение происходило без использования кислорода воздуха, поэтому, однажды начавшись, оно с необыкновенной быстротой начинает распространяться и внутри смеси, и по её поверхности. Образующиеся при горении нагретые быстрорасширяющиеся газы распространяются во все стороны сметают всё на своём пути, поэтому реакция приобретала взрывной характер. Однако и при таком составе в газы обращалось только 40% всей смеси, а остальное составляли твёрдые продукты горения, осаждавшиеся в виде копоти или дыма.
После распространения пороха в Европе он стал изготавливаться в самых отдалённых её уголках и применяться во всех армиях Европейских стран. Несмотря на некоторые недостатки в применении пороха (дым и копоть, а также дороговизна калийной селитры), эта смесь на протяжении 6-ти столетий была единственным взрывчатым веществом, используемым человеком.
Для того, чтобы вещество (или смесь) считалась взрывчатой, оно должно обладать двумя свойствами: оно должно очень быстро сгорать; при горении должно выделятся большое количество газов, имеющих высокую температуру и давление. Именно этими свойствами обладал чёрный порох.
С развитием органической химии в XIX веке появляются новые вещества, которые обладали этими свойствами. Но, как оказалось, они были во много раз мощнее пороха.
В 1846 году были изобретены два мощных взрывчатых вещества: мирный и набожный немецкий бюргер Христиан Шенбейн изобрёл пироксилин (тринитроцеллюлозу), итальянец из Турина Асканил Собреро создал нитроглицерин (сложный эфир глицерина и азотной кислоты). Впервые за тысячу лет человечество получило новые взрывчатые вещества. Но это было только началом пути: и пироксилин, и нитроглицерин были весьма капризными и опасными продуктами. Следовало пройти ещё длинный путь, на котором были и ужасные пожары и взрывы, и гибель людей (среди которых был и брат изобретателя динамита Эмиль Нобель).
Некоторые опасные взрывчатые вещества до того, как стало известно об этом их свойстве, использовались в совершенно мирных целях. Например, тринитрофенол (мощнее тротила!), использовался в качестве жёлтого красителя. О его истинных свойствах узнали тогда, когда в Париже взрывом этой, казалось бы, безобидной "краски" была полностью уничтожена текстильная фабрика.
Участие в изобретении новых взрывчатых веществ, в частности порохов, принял участие и великий русский учёный Д.И. Менделеев. Он также предложил несколько усовершенствований в промышленном производстве пороха, таких, как например, обезвоживание пороха этиловым спиртом взамен сушке. Но… русское правительство предпочло закупать порох в Германии, а с началом Первой мировой войны - в Америке, причём тот же самый менделеевский порох, патент на который был продан.
В целом, значение пороха в истории человечества весьма значительно. Жаль только, что человек применял его чаще всего для уничтожения себе подобных, а не в мирных целях (строительство, добыча полезных ископаемых и другие).
2. От раннего средневековья до ХХ века
2.1 "Perpetuum mobile" - неосуществимая мачта средневековья
Созданием "вечных двигателей", то есть устройств, которые могли бы производить работу только за счёт себя, в тёмные времена Средневековья занималось не меньшее число людей, чем число алхимиков, искавших "философский камень".
Все эти горе - изобретатели, искавшие "perpetuum mobile" делились на две категории: фанатики - самоучки, тратившие все свои средства на создание всё новых и новых, но неработающих моделей "вечного двигателя". Второй категорией были лжеизобретатели, наживавшиеся на том, что простым людям был неизвестен один из главных законов физики - закон сохранения энергии. Дела этих "изобретателей" были более успешны.
О "вечных двигателях" знали многие великие люди, то есть работа над ними велась не втайне от других и не принималась церковью как ересь. Упоминания о таких мечтателях есть в произведениях Пушкина (Бертольд из "Сцены из рыцарских времён") и у М.Е. Салтыкова-Щедрина ("мещанин Презентов" из повести "Современная идиллия"). Наиболее был известен такой "изобретатель" (мошенник!), как Орфиерус, двигатель которого желал приобрести падкий до "хитрых махин" Пётр I за сумму в 100000 рублей - огромные по тем временам деньги. Но секрет "Колеса Орфиеруса" - так назывался двигатель - был раскрыт, и оказалось, что он приводился в движение отнюдь не вечными братом и служанкой "изобретателя". Сам он, разоблачённый, не сдавался до самой своей смерти и твердил, что "весь свет наполнен злыми людьми, которым верить весьма невозможно".
Во времена Петра I славился и другой "вечный двигатель" - некого Гертнера, о котором писал Шумахер - посланник царя, связывавшийся с Орфиерусом. Вполне был прав Шумахер, когда сообщал Петру, что французские и английские учёные "ни во что почитают все оные перпетуи мобилес и сказывают, что оное против принципиев математических".
2.2 От водяного колеса до гидротурбины
На изобретение Сегнера обратили внимание учёные и инженеры многих стран. Первым откликнулся на новинку великий математик Эйлер, посвятивший исследованию этого прибора несколько своих работ. Прежде всего, он указал на недостатки в конструкции Сегнера, отметив при этом, что при устранении их идея нового двигателя получит более полное воплощение.
В 1832 году французский инженер Фурнейрон, пользуясь расчётами Эйлера, построил первую гидротурбину, ещё далеко несовершенную.
В 1837 году уральский мастер Игнатий Сафонов построил на Алапаевском заводе первую в России гидротурбину, имевшую КПД, равный 53% - меньше, чем у водяного колеса. Но уже через два года тот же мастер построил и установил на Ирбитском заводе новую турбину, имевшую 70%-ный КПД.
Вскоре Фурнейрон построил турбину, имевшую 80% КПД. Эта турбина имела конструкцию, представленную на верхнем рисунке. Она представляла собой два вложенных друг в друга кольца: наружное, неподвижное, являлось направляющим аппаратом (рекомендованная Эйлером и впервые примененная профессором Бюрденом к водяному колесу в 1827 году деталь); внутренним колесом была сама турбина. Турбина работала, используя реактивный принцип, то есть, по сути, представляло собой усовершенствованное колесо Сегнера: вода, попавшая в турбину, вращала её не только за счёт своей кинетической энергии, но, увеличив свою скорость из-за специальной конструкции лопаток, при вытекании как бы отталкивалась от турбины, сообщая ей дополнительную энергию. Главными её отличиями от водяного колеса были постоянное, непрерывное движение воды и отсутствие затрат энергии на преодоление сопротивления струи воды. Турбины этой конструкции оказались удобны там, где напор воды невелик, но есть возможность создать перепад в 10 - 15 м. Конструкция этой турбины представлена на нижнем левом рисунке.
Большое распространение получил один из типов реактивной турбины - пропеллерные, имевшие КПД до 94% (наиболее удачные конструкции).
Появился и другой тип турбин - струйные (на нижнем правом рисунке). Первую струйную турбину, имевшую промышленное значение, сконструировал в 1884 году американский инженер Пельтон. Его турбина использовала активный принцип и имела КПД, равный 85%. Турбина представляла собой колесо на горизонтальной оси, к которому подведены сопла. Эта турбина была удобна там, где есть возможность создать сильный напор воды, при котором колесо турбины могло делать до 1000 оборотов в минуту.
После того, как в 80-е годы XIX века была разработана система передачи электроэнергии на большие расстояния, началась новая эпоха в истории водяных двигателей. В соединении с электрогенератором турбина стала тем могущественным инструментом, с помощью которого человек подчинил себе силу, скрытую в реках и водопадах.
2.3 Тепловые двигатели
2.3.1 Теория тепловых двигателей
История тепловых двигателей имеет более глубокие корни, чем многие думают. Кроме вышеупомянутой турбины Герона есть свидетельства, что к созданию тепловых машин приложили руку такие великие учёные, как Архимед, придумавший весьма оригинальную паровую пушку, именуемую как "Архитронито" ("Самый сильный гром"), и Леонардо да Винчи, от которого осталось два эскиза примитивного парового двигателя. Есть упоминания о неком Джиованни Бранка, в 1629 году опубликовавшем своё изобретение: "толчею для изготовления порошка необычайным двигателем". Этим двигателем была паровая турбина!
Тепловыми двигателями называют машины, в которых происходит превращение теплоты, полученной при сгорании топлива, в механическую работу. Вещество, производящее работу в тепловых машинах, называют рабочим телом или рабочим веществом. В паровых машинах рабочим телом является водяной пар, в двигателях внутреннего сгорания - газ. Тепловые машины могут быть устроены различно, но все они обладают общим свойством - периодичностью действия, или цикличностью, в результате чего рабочее тело возвращается в исходное состояние.
Циклы основных современных тепловых двигателей показаны на рисунке. Полезная работа, совершённая этими двигателями, численно равна площади фигур, ограниченных графиками тепловых процессов, происходящих с рабочим телом.
КПД любого (в том числе и теплового) двигателя не может быть равен 100%. Для тепловых двигателей эта невозможность определяется из II закона термодинамики: не существует такого термодинамического процесса, единственным результатом которого было бы превращение некоторого количества теплоты в работу. Работа А в тепловых машинах равна разности теплоты, полученной от нагревателя, и теплоты, отданной охладителю, которым чаще всего является либо атмосфера, либо специальное устройство.
2.4 Паровые двигатели
2.4.1 Модель Папена
Французский врач Дени Папен, встретившись с крупнейшим учёным того времени - Христианом Гюйгенсом, после долгих и увлекательных бесед с ним был так сильно заинтересован задачами, стоящими перед инженерами, что решил изменить медицине и посвятить себя технике. Он выбрал для себя самую важную и интересную по тому времени область техники - исследование свойств пара и создание теплового двигателя.
В 1680 году Папен изобрёл паровой котёл. Но, создав котёл, он не сразу нашёл способ его применения, а даже отошёл от использования пара - его поглотила идея создания машины, в которой работали бы атмосферное давление и газ, выделявшийся при сгорании пороха. Эта конструкция и принцип действия показаны на верхнем рисунке. Но этому первому двигателю внутреннего сгорания не суждено было жить - от неё отказался сам изобретатель, убедившись, что полезная работа, совершаемая ею, невелика.
И тогда Папен вернулся к пару. Свою первую паровую машину он построил, используя тот же принцип, только заменил порох на воду. И, казалось бы, изобретатель добился своего - его паровая машина работала. Но представив, сколько возни было бы с ней, а в результате - один рабочий ход в минуту и мощность меньше 1 лс, Папен отказался и от неё.
Не суждено было найти применение машинам Папена, но другое его изобретение - паровой котёл - являлось отправной точкой для других конструкций, более или менее удачных. Папен также был первопроходцем в области конструирования ДВС, что также является его заслугой.
2.4.2 Паровой насос Сэвери
Изобретён английским горным инженером Томасом Сэвери.
Предназначался для откачки воды из шахт. Этот насос имел малую мощность и КПД.
Из-за острой нужды в универсальном двигателе были попытки соединить этот насос и водяное колесо для получения вращательного движения: насос качает воду из нижнего в верхний бак, из которого вода льётся на водяное колесо и возвращается в нижний бак.
Работа насоса происходила так: пар в насосном резервуаре охлаждался впущенной через кран водой, создавая в нём (в резервуаре) давление ниже атмосферного, из-за чего происходило всасывание воды из шахты; после этого в резервуар подавался пар, который и вытеснял всосанную воду; затем описанный цикл повторялся. Клапаны обеспечивали работу насоса: они не допускали попадания пара в шахту, попаданию воды в резервуар тогда, когда этого не было нужно, не допускали обратный сток воды в шахту.
Об этом насосе знал русский царь Пётр I, который хотел применить его при строительстве каналов в Петербурге, но был разочарован его малой мощностью и приказал поставить насос в Летнем саду для обеспечения водой фонтанов.
2.4.3 Паровая машина Ньюкомена
Была создана в 1711 году английским изобретателем - кузнечным мастером Томасом Ньюкоменом.
Принципиальное устройство изображено на рисунке.
Машина управлялась вручную, лишь в 1718 году Бейтон придумал механизм, обеспечивающий машине самостоятельность.
Машина имела КПД, равный 1%, и поэтому нашла применение только на угольных шахтах, где было дешёвое топливо.
Применялась для привода водяного насоса, откачивающего воду из шахт.
Принцип действия машины был несложен: давление пара, впускаемого в цилиндр, поднимало поршень вверх. Когда он достигал определённой точки, в цилиндр подавалась холодная вода, из-за чего пар конденсировался, и давление резко падало - поршень начинал двигаться вниз под действием атмосферного давления.
Исходя из описанного принципа действия, машину Ньюкомена правильнее называть пароатмосферной, так как атмосферное давление играет не меньшую, чем пар, роль.
2.4.4 Паровая машина Ползунова
Паровая машина русского механика И.И. Ползунова была построена за 20 лет до создания Уаттом своей машины, в 1766 году на Алтае. Ползунов был высоко образованным человеком для своего сословия, имел представление об машинах Сэвери и Ньюкомена. Перед конструированием машины механик проделал большую работу - не только расчёты, но и преодоление чиновничьей волокиты. И только посулив большую выгоду от использования своей "огнедействующей" машины, Ползунов смог её построить. Но…тяжёлая болезнь - туберкулёз - погубила не только изобретателя, но и его изобретение. После смерти Ползунова машина проработала 43 суток, не только окупила сама себя, но и принесла большую экономию заводу. Машина встала из-за поломки парового котла, сделанного из меди (для пробы), а не из чугуна. Вскоре она была разобрана "за ненадобностью". Схематическая конструкция машины показана на рисунке. У ней было два цилиндра, поршни которого были соединены таким образом, что, когда один из них опускался, то другой в это время поднимался. С помощью механизмов машина работала самостоятельно, требовалось лишь подбрасывать топливо в топку котла. В машине использовалось не только атмосферное давление, но и давление пара. Конструкция Ползунова являлась машиной непрерывного действия. Механик также знал, как можно преобразовать возвратно-поступательное движение её во вращательное, если это потребуется, хотя 90% механизмов завода, на котором стояла машина, требовали именно возвратно-поступательного привода (воздуходувные меха, насосы и пр.). В целом, машина Ползунова являлась первым в мире универсальным тепловым двигателем. Несмотря на печальную судьбу как машины, так и её изобретателя, мы не должны забывать, кто первым изобрёл этот так необходимый для промышленности того времени двигатель - выдающийся уральский механик, солдатский сын Иван Иванович Ползунов.
2.4.5 Паровая машина Уатта
Более удачливым в конструировании, а также признании универсального двигателя был английский механик Джеймс Уатт.
Уатт был механиком, работавшим в мастерских университета города Глазго. Однажды он получил задание - починить имевшуюся при университете машину Ньюкомена. Уатт выполнил задание, а сам сделал себе модель машины и начал с ней экспериментировать. После нескольких опытов механик выявил её основные недостатки, и решил построить свой тепловой двигатель, который б