Источники энергии - история и современность

Источники энергии - история и современность

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "НОВОЧЕРКАСКИЙ МЕХАНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ ИМ. А.Д. ЦЮРУПЫ"

РЕФЕРАТ

на тему:

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ - ИСТОРИЯ И СОВРЕМЕННОСТЬ

Выполнил

Студент 1 курса гр ЭМ-1-1

Аннотация

Целью этой работы является изучение всех источников энергии, которыми пользовался человек на протяжении своего исторического развития - от Каменного века до двадцатого.

С развитием человеческой цивилизации совершенствовались и источники энергии, применяемые человеком. В Каменном веке таковыми являлись огонь и лук, а в ХХ веке появились атомный реактор, установки управляемого термоядерного синтеза, магнитогидродинамический генератор.

Создание новых источников энергии (и совершенствование старых) шло сложными путями. В Древнем мире это происходило либо за счёт стараний немногих гениальных людей, либо в результате наблюдений многих поколений. В Средние века деятельность многих людей была направлена по ложному пути. Этим путём был поиск "perpetuum mobile" - вечного движения, что свидетельствует о сильном упадке науки. В тот период человеческой истории, называемый Новым временем, источники энергии создавались людьми, более осведомлёнными в науке и технике, чем те, кто строил "вечный" двигатель и искал "философский камень". В ХХ веке работу над новыми источниками энергии вели целые научно-исследовательские институты и производственные объединения.

Автор считает, что его работа сможет убедить читателей в том, что не только уровень развития человеческой цивилизации влияет на применяемые ею источники энергии, но и сами источники энергии могут изменить ход человеческой истории. В работе эти источники энергии будут мною особо отмечены.

Автор думает, что его работа сумеет заинтересовать большое количество людей и может быть использована в качестве информационного пособия по выбранной автором теме.

Содержание

Аннотация

Введение

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.

Страницы: 1, 2, 3