среда

Первые поршневые машины - история создания

Первую паровую машину построил в 90-х годах XVII в. французский изобретатель Дени Папен. Она была весьма несовершенна. В цилиндрическом сосуде с поршнем кипятили воду о образующийся пар поднимал поршень. Затем сосуд снимали с огня и обливали холодной водой, чтобы пар конденсировался и образовался вакуум, под действием атмосферного давления поршень опускался вниз. Это был рабочий ход поршня.

Для следующего хода поршня вверх надо было снова кипятить воду в цилиндре. КПД этой машины был очень низок, а работала она медленно. Однако большая заслуга Д. Папена состоит в том, что он впервые (в 1690 г.) правильно описал, в какой последовательности должен идти процесс работы поршневой паровой машины.


В дальнейших ранних попытках создания паровой машины паровой котел уже был отдален от рабочего цилиндра.

Наиболее удачной была машина, построенная англичанами Т. Ньюкоменом и его помощником Коули. Их машина начала работать в 1711 г. Она приводила в движение насос. Пар получали в котле. Когда под действием силы тяжести опускались штанга насоса и груз, то поднимался поршень, подвешенный на другом конце балансира, а пар из парового котла поступал в цилиндр.

Когда поршень достигал своего высшего положения, кран закрывался, из сосуда через кран в цилиндр вспрыскивалась холодная вода, пар конденсировался и образовывался вакуум. Атмосферное давление заставляло поршень опускаться, а груз подниматься. Затем снова в цилиндр впускался пар.


Машина Ньюкомена — Коули использовалась свыше 90 лет, однако она имела серьезные недостатки:
  • КПД ее был низок, а рабочие ходы-поршня машины разделялись длительными промежутками;
  • она могла приводить в действие только насос.
Русский техник Иван Иванович Ползунов значительно усовершенствовал паровую машину. Постройку своей машины Ползунов завершил в 1765 г., а пущена она была в 1766 г. после смерти изобретателя.

Машина Ползу нова имела два цилиндра. Когда один из цилиндров сообщался с паровым котлом, в другой впускалась охлаждающая вода. Поршни опускались под действием атмосферного давления. В то время, как один из них опускался, под другой поступал пар, и он поднимался. Движение поршней передавалось на шкив, поэтому шкив непрерывно поворачивался то в одну, то в другую сторону.

Возвратно-поступательное движение шкива могло быть преобразовано во вращение рабочего вала. Это давало возможность приводить в движение станки и другие механизмы. Таким образом, машина Ползунова была первым в мире универсальным паровым двигателем.

Паровая машина стала использоваться широко после усовершенствований, внесенных в ее конструкцию англичанином Джемсом Уаттом. Он стремился снизить затраты топлива и решил разделить цилиндр машины на два: в одном — горячем — осуществлять впуск пара и рабочий ход, в другом — холодном — конденсацию пара.


Так паровая машина приобрела конденсатор. Это сразу значительно повысило ее экономичность. Уатт внес в конструкцию паровой машины целый ряд других усовершенствований. Важнейшее из них заключалось в том, что в машине Уатта движущей силой было уже не атмосферное давление, а давление самого пара, которое могло быть сделано значительно большим атмосферного. Поршень перемещался под давлением пара как в одну, так и в другую сторону. Первые паровые машины Уатта имели мощность около 35 кВт и КПД менее 3%.

Трудами Уатта и других изобретателей паровая машина постепенно совершенствовалась и завоевывала все новые, и новые отрасли промышленности и транспорт.

К концу XIX века мощность паровой машины достигла 15 МВт, КПД 15%, давление используемого пара 12 МПа, а его температура 400 оС. Но поршневая паровая машина с ее невысоким КПД постепенно была заменена более совершенными тепловыми двигателями.

понедельник

Лейденская банка - история открытия

Лейденская банка, прототип современных конденсаторов, была открыта почти одновременно в Померании (территория современной Польши и частично Германии) и в Голландии. В Померонии священник Эвальд Георг фон Клейст в свободное от службы время проводил опыты с маломощной электрофорной машиной, изготовленной из гуттаперчевого шара.

Однажды, осенью, а именно 11 октября 1745 года он решил зарядить от машины гвоздь. Поместив гвоздь в бутылочку из под микстуры, он стал заряжать его, держа бутылочку в руке. 

Решив затем вытащить гвоздь, Клейст получил сильный удар током. После этого он решил усложнить опыты, наполнив бутылочку спиртом, затем ртутью, от чего удары усилились. Убедившись в устойчивости производимых эффектов, он записал подробности экспериментов и отправил письмо протодиакону в Данциг.

Протодиакон был близко знаком с бургомистром Даниелем Гралатом из общества естествоиспытателей Данцига. Председатель Гралат изготовил батарею из больших бутылей с водой, применив в качестве внешней обкладки фольгу, и испытал ее на несчастных подчиненных.

Почти в это же время в Голландии, в начале 1746 года, сын состоятельного горожанина, студент Лейденского университета Кунеус, решил ради забавы наполнить электрической жидкостью банку с водой.

Погрузив металлическую цепочку в банку, он присоединил ее к кондуктору электростатической машины, и начал заряжать, затем он решил вытащить цепочку из банки, и получил сильный удар, от которого чуть не погиб, о чем и узнал профессор университета Питер Ван Мушенбрук.

Мушенбрук повторил опыт Кунеуса и был поражен силой электрического удара, после чего написал, что не согласился бы на повторный эксперимент даже за французскую корону. Опыт Мушенбрука произвел фурор и слава этого эксперимента разнеслась широко по Франции.


Жан Антуан Ноле, французский аббат, член Парижской академии наук, физик экспериментатор, продемонстрировал королю разряд лейденской банки на цепочку из ста восьмидесяти гвардейцев, которые держались за руки. Во время разряда они все вместе закричали и подпрыгнули, приводя тем самым в восторг короля.

Вильям Ватсон, хранитель кабинета физики Научного Лондонского Королевского общества, выяснил, что банка тем сильнее заряжается, чем лучше соединена с землей ее внешняя поверхность. 

Доктор Бевис, врач из Лондона, снабдил внешнюю поверхность банки фольгой, благодаря чему электричество отводилось от всей ее поверхности, если даже с землей соединялась прикосновением руки или другим способом только одна ее точка.

Он покрыл фольгой и внутреннюю поверхность банки, прикрепил к нижнему концу металлической палочки маленькую металлическую цепочку, доходящую до дна банки. Так жидкость стала лишней и банка получила то самое устройство, главные черты которого и сохранила до сегодняшнего дня. Внутренняя и наружная обкладки из фольги – обе не доходит до горлышка банки.

Источник информации: Школа для электрика

среда

Из истории открытия закона превращения и сохранения энергии

Закон сохранения и превращения энергии - для изолированной физической системы может быть введена скалярная физическая величина, являющаяся функцией параметров системы и называемая энергией, которая сохраняется с течением времени.


Трудами ученых XVIII в. было доказано, что при совершении механической работы возникает теплота. Но какова количественная связь между ними? Всегда ли надо затратить одно и то же количество работы (и какое именно), чтобы получить единицу количества теплоты? Ответ на эти вопросы искали многие ученые в первой половине XIX в.

Подсчеты, дающие ответ на эти вопросы, содержались в рукописи молодого французского инженера Сади Карно, изданной после его смерти в 1832 г. С. Карно сформулировал закон превращения и сохранения энергии в механических и тепловых процессах. Но работа Карно тогда не привлекла внимания физиков.

Немецкий ученый Роберт Майер услышал однажды от моряка, что во время сильной бури, вода нагревается. Эти слова наряду с некоторыми наблюдениями самого ученого, побудили его взяться за определение отношения количеств работы и теплоты.

Основываясь на опубликованных в печати данных по определению удельных теплоемкостей газов, Майер подсчитал количество теплоты, необходимое для нагревания на один градус одной и той же массы газа в разных условиях. Для нагревания газа при постоянном объеме теплота Q1  необходима только для увеличения его внутренней энергии. Для нагревания же его при постоянном давлении необходимо большее количество теплоты Q2, поскольку в этом случае не только внутренняя энергия газа увеличивается, но, расширяясь, он совершает работу.

А. Майер нашел способ рассчитать работу газа. Затем, сравнив ее с разностью Q2 - Q1 он определил, какое количество работы "равноценно" одной калории теплоты. Этот расчет Майер выполнил в 1842 г.

Позднее в своей книге, изданной в 1845 г., Майер рассмотрел с качественной стороны превращения всех форм энергии, которые были известны в то время, и впервые сформулировал закон превращения и сохранения энергии в общей форме. В той же книге Майер описал круговорот энергии в природе, указав, что источником энергетических превращений на Земле является Солнце.

Английский ученый Джемс Джоуль, ничего не зная о работах Майера, решил поставить ряд опытов, чтобы доказать, что при различных процессах, при которых совершается работа и выделяется теплота, для получения единицы количества теплоты надо затратить одно и то же количество работы. Уже в 1841 году он опубликовал выводы из своих опытов по исследованию превращения работы электрического тока в теплоту. К тем же выводам независимо от Джоуля в 1842 г. пришел петербургский академик Эмилий Ленц.

Название единицы энергии (работы) "джоуль" дано в честь Джемса Джоуля. Благодаря опытам Джоуля, Ленца и других ученых закон превращения и сохранения энергии был утвержден на прочной экспериментальной основе.

В 1847 г. вышла в свет работа немецкого ученого Германа Гельмгольца. На основе известных научных данных он теоретически исследовал превращения энергии во многих механических, тепловых, электрических, световых и химических процессах и сформулировал закон превращения и сохранения энергии как всеобщий закон природы.

Этот важнейший закон природы открыт усилиями ученых многих стран. Открытие закона сохранения энергии оказало влияние не только на развитие физических наук, но и на философию.

Подробное и доступное объяснение этого закона читайте здесь:  Закон сохранения энергии

Популярные статьи