Доклад по физике для 8 класса на тему: "История изобретения паровой машины"

История изобретения

Краткое содержание сообщения о создании первых паровых машин следует начать с упоминания Герона Александрийского. Еще в первом веке нашей эры этот удивительный древний ученый кратко описал устройство, которое приводил в движение пар. Он назвал его «эолипил» — управляемый ветром. Выходящие из клапанов потоки горячего пара приводили конструкцию в действие. Греки не знали, что такое пар, и считали, что вода при нагревании переходит в горячий воздух. Поэтому Герон был уверен, что из сопла его машины вырывается горячий ветер.

Также Герон был первым, кто употребил паровой двигатель в качестве водяного насоса. Кстати, многие исследователи полагают, что открытие Герона могло уже в те времена спровоцировать начало промышленной революции, однако практического применения эти машины в древнем мире не нашли. Почему? Скорее всего, за отсутствием необходимости, так как труд рабов и животных был гораздо дешевле, чем изготовление каких-либо машин, к которым относились не более, как к игрушкам.

Многие ученые пытались обратить мощную энергию кипящей воду на службу человечеству. Вот имена некоторых первопроходцев, работавших над созданием и усовершенствованием паровых механизмов:

• Архимед — увлеченный грек придумал паровую пушку однократного действия. Он назвал ее «супергром» — архитронито. Эскизы похожего устройства также были найдены в рукописях Леонардо да Винчи, который был в первую очередь придворным изобретателем, и только во вторую — гениальным живописцем.
• Таги-аль-Диноме — арабский физик, философ, астроном, инженер. В шестнадцатом веке создал машину, напоминающую паровую турбину. Лопасти вращались посредством направленных на них потоков пара.
• Архитектор Дж. Бранка в 1629 году опубликовал книгу «Различные машины». В ней описан аналог двигателя Герона, который использовался, как паровая ступа: к турбине был подсоединен привод для дробления руды.
• Дени Папен — доктор, физик, в семнадцатом веке сконструировал первый в мире паровой двигатель.
• Оливер Эванс — усовершенствовал двигатель, использовав вместо вакуума пар высокого давления
• Джеймс Уатт — изобретатель, инженер. В конце восемнадцатого века изобрёл тепловой двигатель, улучшенную паровую машину. Именно он мог бы стать создателем первого в мире транспортного средства на базе парового двигателя, но проект показался ему слишком опасным и рискованным, вследствие чего не был реализован.
• Никола Жозеф Кюнью — французский военный инженер, в 1769 году создал прародительницу всех безлошадных средств передвижения. Вес этой деревянной повозки составлял порядка 2800 кг. Конструкция имела два поршня, пара хватало на 15 минут. История с грузовиком Кюньо закончилась не очень удачно — он врезался в стену, так как тормозов не было.

История изобретения паровых машин знала многих неевропейских ученых. Первый похожий на современную турбину, приводимую в движение паром, механизм был изобретен в Египте в середине 1500-х годов физиком Таги-аль-Диноме. Немного позже в Италии было представлено похожее решение.

Недостатком таких двигателей был довольно низкий коэффициент полезного действия (КПД), так как большая часть тепла рассеивалась в воздухе. По этой причине дальнейшее изобретение подобных устройств временно приостановилось. Ещё одной причиной было отсутствие необходимости в таких вещах.

Попытки практического использования

Эдвард Сомерсет показал паровое устройство для подъёма воды на высокие строения, но проект не получил финансирования и был отложен. Француз Дени Папен проводил опыты по отводу воздуха из цилиндра посредством взрыва пороха и сделал вывод, что вакуум создается в процессе парообразования. Для автоматизации процесса он использовал постоянно нагреваемый котел с водой. Это стало его изобретением. Также ученый создал предохранительный клапан.

Научный прогресс неизбежно следует за осознанием необходимости перемен. В Англии такая срочная нужда как раз назревала, так как угледобывающая промышленность страны оказывалась невыгодной из-за огромной стоимости откачки воды из рудников. Просто необходимо было придумать способ решить эту проблему, заменив силу лошадей на более рациональное решение.

Военный инженер Томас Севери создал первый паровой агрегат, откачивающий воду из рудников. Он получил патент на свою так называемую «огненную машину» в 1698 году. В машине Севери, как и у Герона, использовались избыточное давление пара и вакуум, возникающий при конденсации. Также он сконструировал устройство для пожаротушения, но и оно продержалось недолго — его признали опасным. Главным минусом было то, что от высокого давления резервуар с жидкостью мог взорваться, именно это отпугивало людей от нововведений.

Однако настоящий переворот произвели поршневые паровые механизмы. Томас Ньюкомен, выходец из народа, кузнец по профессии, инженер-самоучка, изучил достоинства и недостатки машин Севери, когда устанавливал их на рудниках. В 1712 году он изобрел приспособление на базе двигателя Севери для откачки воды из глубоких шахт, которое можно назвать поршневым атмосферным двигателем. Оно было популярно и пользовалось успехом, так как проблема с затоплением шахт требовала решения. Недостаток таких машин заключался в их громадных размерах и ничтожном КПД.

Оливер Эванс и Ричард Тревитик в своих конструкциях использовали пар, который подавался с повышенным давлением — это значительно увеличило мощность и эффективность, но повысило число случаев взрыва котла. В связи с этим было принято решение об использовании предохранительного клапана Дени Папена, чтобы понижать чрезмерно высокое давление пара.

Появление конденсатора

В конце 17 века Джеймс Уатт создал тепловой двигатель — улучшенную версию паровой машины. В такой конструкции внутренняя энергия топлива превращалась в механическую энергию поршня.

Уатт провёл ряд опытов над уже существующими моделями паровых двигателей и убедился в их неэффективности. Он доказал, что в них три четверти пара расходуются без пользы: во время каждого цикла пар должен согревать цилиндр, потому что перед ним там находилась холодная вода, так как от разницы температур создавалось большое давление, из-за этого большая часть энергии тратилась на обогрев, вместо того, чтобы быть преобразованной в механическую энергию. Он изобрел конденсатор — устройство, понижающее давление в цилиндре путем конденсации части пара, камера сгорания была такой же температуры, как и входящий в неё пар.

Первый автомобиль

В докладе на тему изобретения паровой машины в 8 классе нельзя не упомянуть самоходную «телегу». В 1769 французским военным инженером и изобретателем Никола Жозефом Кюнью был представлен этот первый в мире автомобиль. Он имел три деревянных колеса — одно переднее и два задних, ведущим было переднее колесо, на котором были зацепы для повышения сцепления с грунтом. Спереди был размещен котел для нагрева воды, рядом с ним находился цилиндр, расположенный в вертикальном положении.

Машина оказалась практически неуправляемой. Также в конструкции не было тормозов, вследствие чего во время испытаний она врезалась в стену. В то же время эту машину можно считать предшественником паровозов и локомобилей (двигателей с локально расположенными узлами).

Принцип работы и применение

Для действия паровой машины обязательно нужен паровой котёл. Он представляет собой двигатель внешнего сгорания, так как топливо для нагрева котла сгорает в топке, то есть вне основного механизма (в двигателе внутреннего сгорания процесс горения происходит внутри цилиндра). Пар, который расширяется в котле, давит на поршень (в паровом двигателе) или на лопасти (в паровой турбине), а их движение передаётся механическим путём к остальным деталям.

Существует несколько видов паровых машин:

1. Локомобиль — установка, в которой парообразующий агрегат, поршень и другие элементы смонтированы вместе, как один механизм. Отсюда и название (локальный — расположенный в одном месте).
2. Тип компаунд — машина одиночного действия. Поршень перемещается в одну сторону под давлением пара, а обратно возвращается за счет инерционного вращения маховика, который присоединяется к двигателю.
3. Тип тандем — машина двойного действия. Была изобретена в 1782 году Джеймсом Уаттом. Здесь пар по очереди подается в каждую сторону, толкая поршень. В связи с этим тут более сложная система парораспределения. По сравнению с компаунд версией, эта имеет более высокую скорость работы и большую плавность движения.

До середины 20 века, когда уже достигли расцвета сложнейшие области физики, паровые двигатели все еще применялись там, где были необходимы их положительные свойства (высокий показатель надёжности, возможность долговременных перегрузок, неприхотливость, невысокие расходы на эксплуатацию, отсутствие специальных навыков для ремонта), и их использование было выгодным. Они активно внедрялись на теплозатратных промышленных предприятиях: заводах по производству сахара, бумажных заводах, в железнодорожном и водном транспорте.