Исследовательская работа по физике: "Пар - это сила!"

Районная научно – практическая конференция старшеклассников

«В мир поиска, в мир творчества, в мир науки»

Пар – это сила!

исследовательская работа по физике

Автор: Максимов Рудольф, ученик 9 класса

МОУ «Шерагульская СОШ»

Руководитель: Лыткина Виктория Викторовна,

учитель физики

г. Тулун 2021

Оглавление

Введение …………………………………………………………………………3

Актуальность……………………………………………………………………..4

1.Историческая справка…………………………………………………………5

1.1 Паровой двигатель…………………………………………………………..6

1.2 Паровой котел……………………………………………………………….8

1.3 Паровые машины…………………………………………………………....9

1.4 Применение паровых двигателей…………………………………………11

1.4.1 Преимущество паровых машин…………………………………………12

1.4.2 Недостатки паровых машин………………………………………........13

2. Практическая часть…………………………………………………………13

2.1 Построение механизма……………………………………………………13

Заключение ……………………………………………………………………14

Список литературы……………………………………………………………15

Приложение …………………………………………………………………..16

В современном мире технологий изобретения развиваются стремительно. Получить любую информацию со всего земного шара мы можем очень быстро. В современной медицине научились лечить опасные болезни. Можно очень далеко уехать в течение нескольких часов и даже попасть в космос. Все это стало возможно благодаря различным изобретениям и желанию людей.

Скромное начало было у многих из современных изобретений. Отчего изобретение становится действительно важным?

В древние времена человек обратил внимание на то, что струя водяного пара, вырываясь из сосуда, поставленного на огонь, способна сместить препятствие (например, лист бумаги), оказавшееся на ее пути. Тогда человек задумался над тем, как можно использовать в качестве рабочего тела пар. В результате этого после множества опытов появился паровой двигатель.

Именно поэтому мне захотелось узнать, каким же был первый паровой двигатель, кто был его первооткрывателем и какими возможностями обладает современный паровой двигатель.

Цель моего исследования: рассмотрение истории создания парового двигателя и изготовление его модели в домашних условиях.

Задачи исследования:

1. Изучить литературу по данной теме

2. Рассмотреть историю создания парового двигателя

3. Описать и изготовить паровой двигатель в домашних условиях

Гипотеза – если изготовить паровой двигатель в домашних условиях, то можно его использовать на уроках физики для демонстрации работы пара.

Актуальность работы

В  школе на уроках физики  мы познакомились со свойствами воды и водяного пара, с их использованием   человеком. Из разных источников я узнал, что человек уже давно начал создавать машины, которые служат для облег­чения труда, и повышения его производительности. Сна­чала было создано примитивное водоподъемное колесо с ковшами. Оно вращалось под действием веса пересту­пающего по нему человека. Но в дальнейшем, назрела жизненная необходимость в более мощном и экономичном двигателе. И он был создан, была изобре­тена паровая машина. Правда, сначала она была весьма несовершенная, но все же, позволяла работать в любом месте и требовала значительно меньше затрат, чем применение лошадей.

Новый этап в развитии транспорта был открыт. Говорят, что изобретатель 18 века Джеймс Уатт, [1] долго смотрел, как поднимается крышка над кипящим чайником, после чего и пришла идея о применении энергии пара.

Но, о силе пара, люди знали уже сотни лет, задолго до того, как Уатт решил выпить чашку чая. Уже в 100-м году нашей эры упоминается колесо паровой турбины, изобретенной Героном Александрийским [2] и названной им «Шар Эола» [3]. Но Герон не осознавал потенциал своего изобретения и считал его простым развлечением для императора. Только через 2000 лет был изобретен первый реальный паровой двигатель.

И вот представьте себе заводы с дымящимися трубами, паровые машины и турбины, паровозы и пароходы - весь сложный и могучий мир техники на пару, созданный человеком. Паровая машина была практически единственным универсальным двигателем и сыграла огромную роль в развитии человечества. Изобретение паровой машины послужило толчком для дальнейшего развития средств передвижения. В течение ста лет она была единственным промышленным двигателем, универсальность которого позволяла использовать ее на предприятиях, железных дорогах и на флоте. И через столетия, ещё острее ощущается вся значимость этого изобретения.

1. Историческая справка

История тепловых машин уходит в далекое прошлое. Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара («архитронито») [4].   Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя 18 столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи.

Как же стреляла эта пушка?

Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро.
    Для нас интересно здесь то, что ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому как поршень скользило ядро.

Первый в мире паровой двигатель изобрел Герон Александрийский, который жил в 1 веке н.э.

В сочинениях Герона есть описание интересного прибора, который сейчас называют Героновым шаром или эолипилом (в переводе с греческого: "шар бога ветров Эола").

Эолипил представлял собой наглухо запаянный котел с двумя трубками на крышке. На трубках устанавливался вращающийся полый шар, на поверхности которого были установлены два Г-образных патрубка-сопла. В котел через отверстие заливалась вода, отверстие закрывалось пробкой, и котел устанавливался над огнем. Вода вскипала, образовывался пар, который по трубкам поступал в шар и в Г-образные патрубки. При достаточном давлении струи пара, вырываясь из сопел, быстро вращали шар. Построенный современными учеными по чертежам Герона эолипил развивал до 3500 оборотов в минуту! К сожалению, эолипил не получил должного признания и не был востребован ни в эпоху античности ни позже, хотя и производил огромное впечатление на всех, кто его видел. К этому изобретению относились лишь, как к забавной игрушке. Фактически эолипил Герона является прототипом паровых турбин, появившихся лишь спустя два тысячелетия! Более того, эолипил можно считать одним из первых реактивных двигателей.

Первый универсальный тепловой двигатель (паровую машину) создал в 1774 году выдающийся английский изобретатель Джеймс Уатт.

Первая паровая турбина, которая использовалась на практике, была изготовлена Г. Лавалем в 1889г. Турбина Лаваля [5] делала около тридцати тысяч оборотов в минуту.

1. Паровой двигатель

Паровая машина была одним из важнейших изобретений промышленной революции. Паровые двигатели использовались во всех видах применения, включая заводы, шахты, локомотивы и пароходы.

Как работает паровой двигатель?

Паровые двигатели используют горячий пар из кипящей воды для перемещения поршня (или поршней) вперед и назад. Затем движение поршня использовалось для привода машины или вращения колеса. Чтобы создать пар, большинство паровых двигателей нагревало воду, сжигая уголь.

Паровой двигатель способствовал промышленной революции. До появления энергии пара большинство фабрик и мельниц работали на воде или ветре. Вода была хорошим источником энергии, но фабрики должны были располагаться возле реки. И вода, и энергия ветра могут быть ненадежными, так

как иногда реки могут высыхать во время засухи или замерзать зимой, а ветер не всегда дует.

Мощность пара позволяла фабрикам размещаться где угодно. Он также обеспечивал надежное питание и мог использоваться для питания больших машин.

Один из первых паровых двигателей был изобретен Томасом Савери в 1698 году [6]. Он был не очень полезен, но другие изобретатели со временем сделали его улучшение. Первый полезный паровой двигатель был изобретен Томасом Ньюкоменом в 1712 году. Двигатель Ньюкомена [7] использовался для откачки воды из шахт. Паровой двигатель Ньюкомена очень понравился Ползунову, но машина англичанина была, мягко говоря, не совершенной. Машина Ньюкомена работала «рывками». Всё потому, что в ней был только один цилиндр с поршнем.

Ползунов доработал идею Ньюкомена. Машина Ползунова [8] имела два цилиндра, которые функционировали по очереди, за счёт чего работа двигателя была плавной и непрерывной. Более того, по расчётам она должна была обладать мощностью в 32 лошадиные силы. Это был гигантский прорыв по меркам всей Европы.

Свой чертёж Иван Иванович отправил в Петербург. Там после сравнительно недолгих метаний по канцеляриям в 1763 году бумага попала в руки императрице Екатерине Великой с самыми хвалебными резолюциями. Императрица одобрила проект и наградила Ползунова премией в 400 рублей. После этого началось строительство.

Первую машину по проекту Ползунова в 1766 году построили на заводе в Барнауле. Она была циклопических размеров. Высотой с трёхэтажный дом. Масса некоторых деталей превышала 2 тонны. Длинна цилиндров была 3 метра.

Жизнь этого «монстра» была недолгой. Очень скоро из-за перегрева появилась течь в паровом котле и в цилиндрах. Машину пытались ремонтировать, но безуспешно. Она не проработала даже 2 месяца, когда её остановили. Без дела машина простояла на месте 14 лет. Затем её разобрали. Было ли это провалом?

Рассудит экономика. Постройка паровой машины по проекту Ползунова обошлась заводскому начальству в 7200 рублей. И за 43 дня её работы удалось не только отбить эти деньги, но и получить сверх этого прибыль примерно в 12 тысяч рублей.

Как понятно теперь, не стоило пытаться ремонтировать давшую течь машину. Нужно было дорабатывать проект, улучшать устойчивость к перегреву. Но, к сожалению, сделать было это уже некому. Иван Иванович Ползунов умер за 3 дня до начала испытаний его машины. Его имя носит Алтайский Государственный Технический университет.

Высокоскоростной паровой двигатель Porter-Allen был популярен в конце 1800 – х и начале 1900 – х годов.

Мощность пара действительно выросла благодаря усовершенствованиям, сделанным Джеймсом Уаттом в 1778 году. Паровая машина Watt значительно повысила эффективность паровых двигателей. Его двигатели меньше в размерах и используют меньше угля. К началу 1800-х годов паровые двигатели Watt использовались на заводах по всей Англии.

На протяжении 1800-х годов паровые двигатели были усовершенствованы. Они стали меньше и эффективнее. Большие паровые двигатели использовались на заводах и мельницах для питания машин всех типов. Меньшие паровые двигатели использовались в транспортировке, включая поезда и пароходы.

Паровой двигатель был в значительной степени заменен электричеством и двигателем внутреннего сгорания (бензин и дизель). Некоторые старые паровые двигатели до сих пор используются в старинных локомотивах.
Тем не менее, паровая энергия все еще широко используется во всем мире в различных отраслях. Многие современные электростанции используют пар, образующийся при сжигании угля, для производства электроэнергии. Кроме того, атомные электростанции используют пар, вырабатываемый в результате ядерного синтеза, для производства электроэнергии.

Единица мощности (Ватт) была названа в честь изобретателя Джеймса Уатта. Джеймс Уатт использовал термин «мощность в лошадиных силах», чтобы описать, какую мощность мог бы вырабатывать его двигатель. Он использовал его, чтобы сравнить свой двигатель с фактической мощностью, которую могли произвести лошадиные силы. Одна мощность равна 745,7 Вт.

Первый паровой котел был построен англичанином Томасом Севери в 1698 г. Это был железный бак, под которым в топке разводили огонь. Через некоторое время вместо бака стали применять длинный (до 10 м) цилиндр диаметром около 1,5 м. Его окружали каменной кладкой, а под ним разводили огонь. Поверхность, омываемая горячими газами, у таких котлов была очень маленькой. Поэтому пара они производили очень мало, а из-за того, что горячие газы в основном уходили в трубу, эффективность такого котла была очень низкой. Большая часть топлива при этом сгорала впустую. В начале XVIII в. конструкция парового котла была изменена. Горячие газы начали пускать по трубам, со всех сторон окруженным водой. Такие котлы получили название «газотрубных» и стали широко применяться в паровозах и пароходах. В конце XIX в. были изобретены прямоточные котлы. Вода в них превращалась в пар по мере движения по трубам: с одной стороны в трубы подается вода, а с другой — выходит пар.

Задача постройки автомобиля была решена теоретически, то есть создание повозки, которая бы ездила сама. Необходимо было лишь построить экипаж с механизмом управления, с двигателем, который приводил бы эту повозку в движение. В XVIII в. таким двигателем могла стать только паровая машина.

Впервые эту идею высказали Дени Папен и Томас Севери — авторы единицы мощности «лошадиная сила», но, к сожалению, они не могли подтвердить свои мысли практически. Реализовать теорию в практику удалось французу Никола Жозефу Кюньо [9]. Кюньо родился в 1725 г. в Лотарингии. Он был хорошо образован и с детства проявил исключительный интерес к технике. Инженер детально интересовался приспособлением паровой машины для привода «безлошадного экипажа», досконально знал конструкцию машины Папена и ряда паровых машин Уатта. К сожалению, слишком большие размеры этих конструкций не позволяли разместить их на повозке. Кюньо начал постройку собственной паровой машины небольших размеров. Но так как получавшиеся конструкции все равно были слишком велики, изобретатель вскоре был вынужден прекратить работы, на которые уже не хватало средств, а попытки добиться дополнительного финансирования от правительства не дали результата.

Однако в 1764 г., когда изобретатель был готов полностью отказаться от исполнения своей мечты, ему улыбнулась удача. Подаваемая много раз просьба об аудиенции у министра обороны была удовлетворена. Естественно, министр не имел намерения интересоваться работой и проектами Кюньо, а поручил генералу де Грибьеву, знающему толк в механике, ознакомиться с изобретением. Генерал, исключительно интеллигентный и умный человек, сразу понял, какой переворот может совершить в армии «механический мул» в качестве артиллерийского тягача. Он поддержал идею построения опытного образца машины Кюньо. Однако первых пробных поездок пришлось ждать пять лет. Они с полным успехом прошли в Брюксе в присутствии небольшого числа зрителей.

Первый автомобиль, так называемая малая телега Кюньо, с собственным именем «Фардье», развивал на дороге скорость 4,5 км/ч, но только в течение 12 мин, поскольку на большее не хватало ни воды, ни пара. Необходимо было наполнить котел водой и вновь разжечь под ним костер, так как у первого автомобиля отсутствовала даже топка. Несмотря на свои недостатки, телега так понравилась министру, что он приказал тотчас же приступить к постройке улучшенного и увеличенного экземпляра, который можно было бы изготовлять в больших количествах для использования в войсках для транспортировки пушек. Первый в мире паровой автомобиль, построенный в 1769 г. Кюньо.

Известный французский изобретатель Никола Жозеф Кюньо одним из первых попытался использовать паровую машину для нужд транспорта. Построенный Кюньо в 1769 г. паровой экипаж в настоящее время хранится в Музее искусств и ремесел в Париже, а его изображение стало эмблемой французского общества автомобильных инженеров.

В конце 1770 г. были проведены испытания нового, более мощного парового автомобиля Кюньо в присутствии официальных военных экспертов. Они дали похвальное заключение, когда тягач полностью выполнил поставленные перед ним задачи, хотя его скорость не превышала 4 км/ч вместо требуемых 15.

Сокрушительным ударом по владельцам любых механических повозок стал принятый парламентом «Закон о дорожных локомотивах», который уничтожил самое главное преимущество парового транспорта — скорость, ограничив ее до 15 км/ч. Паровоз — локомотив с самостоятельной паросиловой установкой (паровой котел и паровая машина), движущийся по проложенным рельсам. Первые паровозы были созданы в Великобритании в 1803 г. Р. Тревитиком и в 1814 г. — Дж.Стефенсоном [10]. В России первый паровоз построен в 1833 г. отцом и сыном Черепановыми[11].

Однако паровым автомобилям так и не удалось прижиться в России. Последней попыткой в этом направлении стала постройка в конце 1949 г. двух паровых грузовых автомобилей НАМИ-012. Испытания подтвердили работоспособность и долговечность машин, при этом их ходовые качества были не хуже, чем у дизельного грузовика.

Паровая машина была практически недоступна массовому потребителю. Несмотря на это, именно она сыграла важную роль в развитии автомобильной техники. Благодаря этой машине была доказана реальная возможность механического передвижения экипажа, опробованы и усовершенствованы различные механизмы будущего автомобиля. Со времен паровых автомобилей нам осталось и слово «шофер» (его раньше писали через два «ф»), что в переводе с французского означает «кочегар». И хотя на автомобиле давно уже нет ни котла, ни топки, часто современного водителя называют шофером. На одной из своих поздних машин Серполле в 1902 г. установил мировой рекорд скорости автомобиля — 120 км/ч. Годом позже он установил еще один рекорд — 144 км/ч. А еще через два года, в 1905 г., американец Ф. Мариотт на паровом автомобиле превысил скорость 200 км/ч. В 80-х гг. XIXв. появились автомобили с бензиновыми двигателями. Их главное преимущество заключалось в малой массе и быстром запуске, хотя они были не лишены ряда недостатков, от которых уже «вылечились» паровые машины.

Несмотря на все старания ученых и инженеров спасти паровики, они уже не соответствовали современным требованиям. Паровые двигатели были тяжелыми, громоздкими, требовали большого количества топлива и воды и не обещали дальнейшего повышения экономичности. На транспорте их все больше вытесняли появившиеся в конце XIXв. двигатели внутреннего сгорания.

Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Позднее паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами и электромоторами. Паровые турбины, формально являющиеся разновидностью паровых машин, до сих пор широко используются в качестве приводов генераторов электроэнергии. Примерно 86% электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с использованием паровых турбин.

Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового Океана на разных глубинах. Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов. В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы [12], использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) 1930-х годов, со множеством современных усовершенствований, таких, как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т.д. В результате такие паровозы имеют на 60% меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами.

Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса.

1.4.2 Недостатки паровых машин

К серьезным недостаткам паровых машин относятся их низкий КПД, сравнительно невысокая максимальная скорость, большой вес и постоянный расход топлива и воды. (Ранее требовалось значительное время, чтобы паровой котел дал пар и двигатель заработал; современные котлы позволяют быстро запустить двигатель.)

В практической части была сделана попытка сконструировать механизм, способный двигаться на пару.

Для работы я использовал следующие материалы:

Деревянная платформа,

банка металлическая,

различные металлические крепежи,

трубка,

различные держатели,

шприц

Для того чтобы собрать механизм, в первую очередь я приготовил основание на чем будет стоять наш прибор. После этого я подготовил емкость, в которую будет наливаться вода и в дальнейшем нагреваться.

Так как мне нужно нагреть воду, я использовал газовую горелку, потому что емкость большая. После того как конструкция была собрана, я провел первое испытание своего механизма. И действительно, водяной пар может приводить в движение различные предметы [13-17].

Изучив теоретический материал по данной теме, проанализировав научную литературу, я сделал следующие выводы: паровая техника до сих пор окружает нас, и используется по сегодняшний день. Современные паровые поршневые машины вполне могут способствовать энергосбережению в ряде технологических и энергетических установок, в частности тех, у которых при работе выделяется сбросное тепло в виде выхлопных или дымовых газов.

Изучив принцип работы паровых двигателей, я сконструировал и построил простейший механизм, работающий на пару.

По этой работе можно судить, что в мире паровых технологий и сегодня, есть куда стремиться и развиваться. И может именно эта технология станет самой экономичной, экологической и мощной в нашем современном мире.

Список литературы

1. Абрамов А., Фролов И. Самодельная паровая турбина.- Издательство: Детская литература, 1936.

2. Кириллов И.И., Иванов В.А., Кириллов А.И. Паровые турбины и паротурбинные установки. - Л.: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1978.

3. Моррис, Н. Индустриальная революция: от паровой машины Уатта до "Капитала" Маркса / Н. Моррис. - М.: Амфора, 2014.

4. Перышкин А. В. «Физика», учебник для 8 класса средней школы 2019г.

5. Радциг, А.А. Джемс Уатт и изобретение паровой машины / А.А. Радциг. - М.: ЁЁ Медиа, 2012.

Интернет ресурсы

https://ru.wikipedia.org/wiki/Паровая_машина#Преимущества_и_недостатки

https://wiki2.org/ru/Паровая_машина

https://puli-snegopaqa.livejournal.com/60126.html

https://motor.ru/selector/steamcars.htm