История развития источников энергии

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

 

Факультет экономики и  менеджмента

Кафедра Экономики и  менеджмента недвижимости и технологий

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

  Дисциплина: «концепции современного естествознания»

             Тема: «История развития источников энергии»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент гр. 1072/1                              Яковлев Е.А.

Научный руководитель                              Бабаева М.А.

 

 

 

 

 

Содержание:

1. Введение………………………………………………………………………………..3
2. Источники энергии древнего мира……………………………………..4-5
3. От Средневековья до XX века………………………………………………6-9
4. XX век………………………………………………………………………………...10-14
5. Заключение…………………………………………………………………………..15
6. Список использованной литературы……………………………………16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

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 - 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, 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, но из-за огромной власти христианской церкви им, в лучшем случае, приходилось  отказываться от своих убеждений, в  худшем - они попадали на костёр инквизиции.

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 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.

В ХХ веке область техники, связанная  с постройкой 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.

 

 

Источники энергии древнего мира

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. Открытие способов добывания огня произошло не сразу, а в ходе наблюдений многих поколений. Возможно, что открытие этих способов произошло, как это часто бывает, случайно.

Другим способом было добывание  огня с помощью искры.  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.

Не менее значительным достижением  древности является изобретение лука. 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.

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. 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.

В последствие, в эпоху античности было изобретено водяное колесо. 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. Вслед за водяным колесом в эволюции водяных двигателей стоит паровая машина Герона, изобретенная во II веке до н.э. в Александрии. 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.

Отдельное место следует уделить  изобретению пороха. Порох был изобретён, хотя нет, даже не изобретён, а почти что случайно открыт китайским алхимиком Сунь Сымяо в VII веке н.э. 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. 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, эта смесь на протяжении 6-ти столетий была единственным взрывчатым веществом, используемым человеком.

Для того, чтобы вещество считалось взрывчатым, 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.

 

 

От  Средневековья до XX века

В эпоху Средневековья отдельное  внимание уделялось тепловым двигателям. По одной из версий сам Леонардо да Винчи в своих работах упоминал некий «паровой двигатель», и даже нарисовал несколько эскизов. В целом, 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. Следует напомнить, что КПД любого 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.

Одним из первых открытий в области  тепловых двигателей, можно считать паровой котёл Папена. Дени Папен, будучи врачом по образованию, был знаком с крупнейшим ученым того времени – Христианом Гюйгенсом. Это знакомство и повлекло за собой позднее создание парового котла. Позже Папен пытался создать паровую машину, но она была весьма немощной и непроизводительной, в результате чего, он отказался от идеи ее реализации.

Томас Ньюкомен сумел воплотить  в жизнь задумку Папена. И в 1711 году он изобрел паровую машину.  К сожалению, машина имела КПД, равный 1%, и поэтому нашла применение только на угольных шахтах, где было дешёвое топливо. 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.

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 был от них свободен. После нескольких более или менее удачных проектов Уатт сконструировал действительно универсальный тепловой двигатель. Двигатель Уатта оказался не только универсальным, но и мощным и компактным, что позволяло его ставить не только на заводы, но и на средства передвижения.

Паровая машина Уатта сыграла значительную роль в истории человечества, т.к. она сумела произвести промышленный переворот, т.е. переход от ручного  производства к машинному.

Следующим этапом в развитии источников энергии стала паровая турбина. Её автором считается шведский инженер Карл Густав Патрик де Лаваль. Рабочее колесо этой турбины имело по окружности множество лопаток. К лопаткам примыкало 4 сопла, из которых со скоростью свыше 1 км/с выходил пар, передавая свою кинетическую энергию турбине, заставляя её вращаться с огромной скоростью. Эта турбина имела мощность 5 лс и развивала 30000 оборотов в минуту, что делало её непригодной для привода рабочих машин (станков и пр). Но после упорной работы Лаваль стал строить турбины мощностью 500 лс при 10000 оборотов в минуту; чтобы ещё снизить число оборотов, Лаваль применял редуктор.

Постепенно конструкция паровых  турбин усложнялась, и в начале XIX века был изобретен первый двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Всё началось с открытия в 1799 году Филиппом Лебоном светильного газа. Он же высказал идею о создании двигателя, работавшего на этом газе. Но в 1804 году Лебон погиб, не успев воплотить в жизнь свою идею. Честь создания газового ДВС принадлежит бельгийцу Жану Этьену Ленуару, который он построил в 1860 году. По устройству и внешнему виду двигатель напоминал паровую машину. Его КПД едва достигал 4%, он потреблял гигантские количества смазки и газа, но всё же был дешевле паровой машины. Первый бензиновый двигатель предложил немецкий изобретатель Август Отто. Сначала он работал над газовым двигателем, но больший коммерческий успех ему принёс двигатель на жидком топливе с четырёхтактным рабочим циклом. В 1878 году англичанин Дуглас Клерк предложил ДВС с двухтактным циклом. В целом, двухтактный двигатель оказался мощнее и проще по устройству, чем четырёхтактный, но…он был не экономичен - часть топлива улетала в трубу в прямом смысле. Двухтактный цикл нашёл применение в дизель - моторах и в двигателях малой мощности.

Еще одним, не менее значимым изобретением XIX века, является цикл Карно. Знал ли парижский книгоиздатель Башелье, что отпечатав и выставив в витрине своего магазина в 1824 году тоненькую брошюрку, что ей суждено положить начало новой науке и взбудоражить умы многих учёных и инженеров того времени. Название книги удивляло и озадачивало: "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу". Автором её был молодой инженер Сади Карно. В своей книги Карно излагал принципы, по которым мог бы работать идеальная тепловая машина, указывая также на недостатки существующих тепловых двигателей. Была выведена формула КПД для этого цикла: КПД равен разности единицы и отношения температур охладителя и нагревателя. Он не зависит от вида рабочего тела (газ или пар), а является только функцией от температуры. КПД будет тем выше, чем выше температура нагревателя и чем ниже - охладителя. КПД цикла Карно самый высокий из КПД всех тепловых двигателей. Цикл Карно не противоречил основным законам термодинамики, однако, практически он был неосуществим, так как изотермический процесс является идеальным, практически невозможным.

В 1893 году на весь мир прогремела брошюра, принадлежащая перу немецкого инженера Рудольфа Дизеля, с кричащим названием: "Теория и конструкция теплового двигателя, призванного заменить паровую машину и другие существующие в настоящее время двигатели". Идея Дизеля строилась в основном на предположениях Карно. Он предлагал построить двигатель, который мог бы работать по циклу Карно. Однако уже после постройки первых моделей двигателя Дизель отошёл от многих предложений французского изобретателя и своих первоначальных замыслов. Дизель также предлагал использовать в качестве топлива угольную пыль, но ему пришлось заменить её парами бензина, из-за чего при первом пуске двигателя в нём произошёл такой взрыв, что сам изобретатель и его помощники чудом остались живы. Данная модель была в последствие названа «идеальным двигателем».

Помимо механизмов, работающих за счет энергии воды или энергии, образующейся при сжигании топлива, существуют и  такие, которые работают благодаря электроэнергии. Так, например, первый генератор электрического тока изобрёл сам открыватель закона электромагнитной индукции - Майкл Фарадей. Это было ещё весьма примитивное устройство - медный диск вращался в магнитном поле, вследствие чего в нём создавалась ЭДС. Генератор электрического тока был создан и изобретателем электродвигателя - Б.С. Якоби в 1842 году. Он предназначался для приведения в действие взрывателей пороховых мин и имел "карманный" размер. Кстати, именно российским физиком был сконструирован первый электродвигатель. Он работал от постоянного тока и, хотя и был годен для практического применения, не использовался из-за дороговизны гальванических батарей, с помощью которых он приводился в действие. Поэтому широкого применения он не нашёл.