Động cơ hơi nước và cuộc cách mạng khoa học lần thứ nhất
Bí ẩn của Mặt Trời, hiện tượng cực quang
Động cơ hơi nước là một loại động cơ nhiệt biến nhiệt năng của hơi nước thành cơ năng. Động cơ hơi nước còn được gọi là động cơ đốt ngoài để phân biệt với động cơ đốt trong. Cách đây vài thế kỉ chúng ta vẫn còn phụ thuộc vào gió, nước và cơ bắp để có được năng lượng. Sau đó chúng ta học cách tạo ra năng lượng của riêng mình.
Động cơ hơi nước và cuộc cách mạng khoa học lần thứ nhất
Thomas Newcomen (1663-1729) một thợ rèn tại Darthmouth, Anh đã chế tạo ra động cơ hơi nước đầu tiên. Phát minh của Thomas Newcomen bắt đầu từ mong muốn bơm nước ra khỏi các hầm mỏ khai thác than thời bấy giờ do càng đào xuống sâu trong lòng đất thì nước tràn vào các hầm mỏ càng nhiều.
Mô hình động cơ hơi nước đầu tiên của Newcomen, một máy bơm nước ra khỏi các hầm mỏ
Nguyên tắc hoạt động của máy bơm Newcomen
Nước được đun nóng bằng than đá sau đó đó sôi và bay hơi trong một bình kín, hơi nước nóng giãn nở (màu hồng) đẩy pittông đi lên, tiếp đó nước lạnh (màu xanh) được phun vào làm cho hơi nước nóng sẽ ngưng tụ tạo thành môi trường chân không bên trong xilanh, khi dó do trênh lệch áp suất giữa bên trong bình và bên ngoài bình đẩy pittong xuống.
Để hiểu rõ hơn về sức mạnh của áp suất khí quyển và nguyên tắc hoạt động của động cơ hơi nước các bạn có thể xem video dưới đây:
Động cơ hơi nước đầu tiên của Thomas Newcomen đã được lắp đặt một mỏ than gần Birmingham vào năm 1712 nó hoàn thành 12 chu kỳ trong 1 phút, mỗi chu kỳ đẩy lên được 45 lít nước trong vòng 20 năm hơn 100 cỗ máy của ông đã được lắp đặt tại các hầm mỏ trên toàn nước Anh.
Một cỗ máy hơi nước Newcomen trong mỏ than.
Động cơ hơi nước của Newcomen đã làm cho những người thợ mỏ đi xuống lòng đất ngày một sâu hơn từ đó khai thác được nhiều than hơn. Tuy nhiên động cơ hơi nước của Newcomen đã gặp phải vấn đề lớn đó là nó tiêu thụ quá nhiều than đốt làm nhiên liệu, mặt khác việc vận chuyển than từ sâu trong hầm mỏ lên mặt đất cũng ngày một khó khăn hơn vì vậy có thể nói động cơ hơi nước đầu tiên của Thomas Newcomen đã làm biến đổi ngành công nghiệp khai thác mỏ nhưng chưa thực tiếp sức cho cuộc cách mạng công nghiệp ở nước Anh.
Năm 1763 James Watt (1736-1819) một người chế tạo dụng cụ cơ khí ở Glasgow được yêu cầu sửa một mô hình (chính là cỗ máy hơi nước đầu tiên của Newcomen) khi ấy mô hình được sử dụng trong một trường Đại học để hướng dẫn cho sinh viên.
Ban đầu James Watt chỉ nghĩ rằng nó là một mô hình gần giống một món đồ chơi, nhưng dần dần bằng việc nghiên cứu tỉ mỉ các chi tiết khác nhau của nó. Sau đó Ông tiến hành tháo nó ra, chế tạo các chi tiết thay thế cho các bộ phận khác nhau của mô hình ông bắt đầu coi nó như một thí nghiệm khoa học. Thí nghiệm hoàn toàn có thể phát triển được để tạo ra năng lượng nhờ hơi nước theo một cách hiệu quả hơn.
Suy nghĩ cải tiến cỗ máy hoạt động hiệu quả hơn tiêu thụ ít nhiên liệu hơn đã ám ảnh Watt. Cuối cùng vào năm 1765 Ông đã nảy ra một ý tưởng đơn giản nhưng xuất chúng.
“Tôi cứ mải suy nghĩ về cỗ máy đó và lang thang ra tít phía xa lúc nào không hay. Rồi tôi chợt nảy ra ý tưởng nếu có một cách truyền thông tin giữa một xi lanh và một cái thùng đã rút hết không khí hơi nước sẽ chàn vào và có thể ở lại đó ngưng tụ mà không cần làm nguội xi lanh. Tôi chưa đi xa quá ngôi nhà đánh gol trong công viên thì ý tưởng định hình trong đầu tôi” (Trích dẫn trong một lá thư ông viết mô tả quá trình ông tìm ra nó)
Với ý tưởng có sẵn trong đầu Watt đã bắt tay vào làm và chế tạo ra bình ngưng hơi tách rời. Bình ngưng hơi tách rời ban đầu của Watt (đặt tại Bảo tàng Khoa học London)
Nhờ cải tiến này đã cho phép Watt chế tạo ra những động cơ hơi nước có công suất cao hơn, hiệu quả hơn, dễ vận chuyển hơn so với bất cứ thứ gì từng có trước đó. Nó cho phép Watt giải phóng năng lượng theo một cách mà trước đó không ai tưởng tượng nổi nó đã chi phối cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất và giúp nước Anh trở nên giàu có.
Trong động cơ hơi nước của Newcomen nước được đốt nóng để tạo ra hơi nước, sau đó được làm lạnh để ngưng tụ, rồi chu kỳ tiếp theo lại phải đun nóng nước để lấy hơi nóng sau đó lại làm lạnh => tiêu hao nhiều năng lượng. Watt sử dụng bình ngưng hơi tách rời để giảm thiểu tối đa số lần phải làm nóng xilanh và hơi nước từ đó nâng cao hiệu suất của động hơi nước, với cải tiến này lượng than dùng để đốt động cơ hơi nước được giảm đi 4 lần.
Watt đã đăng ký bằng sáng chế cho bình ngưng hơi tách rời và trở thành người sản xuất động cơ hơi nước duy nhất thời kỳ đó. Sáng chế bình ngưng hơi tách rời đã đem lại danh tiếng và sự giàu có cho Jame Watt. Tên của ông đã được đặt cho đơn vị công suất trong hệ đo lường SI.
Cải tiến của Watt đã khiến động cơ hơi nước đử sử dụng trong nhiều loại công việc hơn =>nó sẵn sàng làm thay đổi ngành công nghiệp ở Anh. Lần đầu tiên động cơ hơi nước được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các cỗ máy khác.
Cho đến tận thế kỉ 18 dệt vải là một nghề thủ công. Đàn ông, đàn bà và trẻ em tất cả đều làm việc tại nhà hoặc trong những nhóm nhỏ sử dụng các thiết bị điều khiển bằng tay. Tất cả đã thay đổi cùng với sự xuất hiện của động cơ hơi nước cải tiến, khi đó một lượng lớn các máy dệt được kết nối với cùng một cỗ máy, nó đã công nghiệp hóa hoạt động sản xuất của con người.
Con người không còn là nguồn cung cấp năng lượng nữa, thay vào đó giờ họ là người điều hành các cỗ máy có khả năng làm việc hiệu quả hơn. Năm 1860 Lancashire một thành phố tại nước Anh đã sản xuất nửa số vải bông trên thế giới.
Ảnh hưởng rộng hơn của động cơ hơi nước là nó cung cấp năng lượng cho hệ thống nhà máy từ đó cho ra đời những sản phẩm rẻ hơn có thể bán trên khắp thế giới. Năm 1870 Anh Quốc là nước công nghiệp mạnh nhất, giàu nhất trên thế giới và là công xưởng của toàn bộ thế giới.