rumah→Poles→ Apa itu mesin uap. Skema perangkat dan prinsip pengoperasian mesin uap. Penemuan oleh Denis Papin

Apa itu mesin uap. Skema perangkat dan prinsip pengoperasian mesin uap. Penemuan oleh Denis Papin

Mesin uap digunakan mengendarai motor di stasiun pompa, lokomotif, di kapal uap, penggerak utama, mobil uap dan kendaraan lainnya. Mesin uap berkontribusi pada penggunaan mesin komersial yang meluas di perusahaan dan merupakan basis energi revolusi industri abad ke-18. Mesin uap kemudian digantikan oleh mesin pembakaran dalam, turbin uap, motor listrik, dan reaktor nuklir, yang lebih efisien.

Mesin uap beraksi

penemuan dan pengembangan

Perangkat pertama yang diketahui bertenaga uap dijelaskan oleh Bangau dari Aleksandria pada abad pertama, yang disebut "pemandian Bangau" atau "aeolipil". Uap yang keluar secara tangensial dari nozel yang dipasang pada bola membuat nosel berputar. Diasumsikan bahwa transformasi uap menjadi gerakan mekanis telah dikenal di Mesir selama periode pemerintahan Romawi dan digunakan dalam perangkat sederhana.

Mesin industri pertama

Tak satu pun dari perangkat yang dijelaskan benar-benar digunakan sebagai alat untuk memecahkan masalah yang bermanfaat. Mesin uap pertama yang digunakan dalam produksi adalah "mesin pemadam kebakaran", yang dirancang oleh insinyur militer Inggris Thomas Savery pada tahun 1698. Savery menerima paten untuk perangkatnya pada tahun 1698. Itu adalah pompa uap bolak-balik, dan jelas tidak terlalu efisien, karena panas uap hilang setiap kali wadah didinginkan, dan agak berbahaya dalam pengoperasiannya, karena karena tekanan uap yang tinggi, kadang-kadang tangki dan pipa mesin meledak. Karena perangkat ini dapat digunakan baik untuk memutar roda kincir air maupun untuk memompa air keluar dari tambang, penemunya menyebutnya sebagai "teman penambang".

Kemudian pandai besi Inggris Thomas Newcomen mendemonstrasikan "mesin atmosfer" miliknya pada tahun 1712, yang merupakan mesin uap pertama yang dapat diminta secara komersial. Itu ditingkatkan mesin uap Savery, di mana Newcomen secara signifikan mengurangi tekanan kerja uap. Newcomen mungkin didasarkan pada deskripsi eksperimen Papin yang diadakan oleh Royal Society of London, yang mungkin dia akses melalui anggota masyarakat, Robert Hooke, yang bekerja dengan Papin.

Diagram mesin uap Newcomen.
– Uap ditunjukkan dengan warna ungu, air dengan warna biru.
– Katup terbuka ditunjukkan dengan warna hijau, katup tertutup dengan warna merah

Penerapan pertama mesin Newcomen adalah untuk memompa air dari tambang yang dalam. Di pompa tambang, rocker dihubungkan ke batang yang turun ke tambang ke ruang pompa. Gerakan bolak-balik dari dorong ditransmisikan ke piston pompa, yang memasok air ke atas. Katup mesin Newcomen awal dibuka dan ditutup dengan tangan. Peningkatan pertama adalah otomatisasi katup, yang digerakkan oleh mesin itu sendiri. Legenda menceritakan bahwa perbaikan ini dilakukan pada tahun 1713 oleh anak laki-laki Humphrey Potter, yang harus membuka dan menutup katup; ketika dia bosan, dia mengikat pegangan katup dengan tali dan pergi bermain dengan anak-anak. Pada 1715, sistem kontrol tuas telah dibuat, digerakkan oleh mekanisme mesin itu sendiri.

Mesin uap vakum dua silinder pertama di Rusia dirancang oleh mekanik I. I. Polzunov pada tahun 1763 dan dibangun pada tahun 1764 untuk menggerakkan bellow peniup di pabrik Barnaul Kolyvano-Voskresensky.

Humphrey Gainsborough membuat model mesin uap kondensor pada tahun 1760-an. Pada 1769, mekanik Skotlandia James Watt (mungkin menggunakan ide-ide Gainsborough) mematenkan perbaikan besar pertama pada mesin vakum Newcomen, yang membuatnya jauh lebih hemat bahan bakar. Kontribusi Watt adalah memisahkan fase kondensasi dari mesin vakum di ruang terpisah sementara piston dan silinder berada pada suhu uap. Watt menambahkan beberapa detail penting pada mesin Newcomen: dia menempatkan piston di dalam silinder untuk mengeluarkan uap dan mengubah gerakan bolak-balik piston menjadi gerakan rotasi roda penggerak.

Berdasarkan paten tersebut, Watt membangun mesin uap di Birmingham. Pada 1782, mesin uap Watt lebih dari 3 kali lebih efisien daripada mesin Newcomen. Peningkatan efisiensi mesin Watt menyebabkan penggunaan tenaga uap di industri. Selain itu, tidak seperti mesin Newcomen, mesin Watt memungkinkan transmisi gerak rotasi, sedangkan pada model awal mesin uap, piston dihubungkan ke lengan ayun, dan tidak langsung ke batang penghubung. Mesin ini sudah memiliki ciri utama mesin uap modern.

Peningkatan lebih lanjut dalam efisiensi adalah penggunaan uap bertekanan tinggi (Oliver Evans dari Amerika dan Richard Trevithick dari Inggris). R. Trevithick berhasil membangun mesin satu langkah industri bertekanan tinggi, yang dikenal sebagai "mesin Cornish". Mereka beroperasi pada 50 psi, atau 345 kPa (3.405 atmosfer). Namun, dengan meningkatnya tekanan, ada juga bahaya ledakan yang lebih besar pada mesin dan ketel, yang pada awalnya menyebabkan banyak kecelakaan. Dari sudut pandang ini, elemen terpenting dari mesin bertekanan tinggi adalah katup pengaman, yang melepaskan tekanan berlebih. Andal dan operasi yang aman dimulai hanya dengan akumulasi pengalaman dan standarisasi prosedur untuk konstruksi, pengoperasian dan pemeliharaan peralatan.

Penemu Prancis Nicolas-Joseph Cugnot mendemonstrasikan kendaraan uap self-propelled pertama yang berfungsi pada tahun 1769: "fardier à vapeur" (gerobak uap). Mungkin penemuannya bisa dianggap sebagai mobil pertama. Traktor uap self-propelled ternyata sangat berguna sebagai sumber energi mekanik bergerak yang menggerakkan mesin pertanian lainnya: perontok, pengepres, dll. Pada tahun 1788, sebuah kapal uap yang dibangun oleh John Fitch sudah mengoperasikan layanan reguler di sepanjang Sungai Delaware antara Philadelphia (Pennsylvania) dan Burlington (negara bagian New York). Dia mengangkat 30 penumpang dan melaju dengan kecepatan 7-8 mil per jam. Kapal uap J. Fitch tidak sukses secara komersial, karena jalan darat yang bagus bersaing dengan rutenya. Pada tahun 1802, insinyur Skotlandia William Symington membangun kapal uap yang kompetitif, dan pada tahun 1807, insinyur Amerika Robert Fulton menggunakan mesin uap Watt untuk menggerakkan kapal uap pertama yang sukses secara komersial. Pada tanggal 21 Februari 1804, lokomotif uap kereta api self-propelled pertama, dibangun oleh Richard Trevithick, dipajang di pabrik besi Penydarren di Merthyr Tydfil di South Wales.

Mesin uap bolak-balik

Mesin reciprocating menggunakan tenaga uap untuk menggerakkan piston di ruang tertutup atau silinder. Tindakan bolak-balik piston dapat diubah secara mekanis menjadi gerakan linier untuk pompa piston, atau menjadi gerakan putar untuk menggerakkan bagian alat mesin atau roda kendaraan yang berputar.

mesin vakum

Mesin uap awal awalnya disebut "mesin pemadam kebakaran", dan juga mesin Watt "atmosfer" atau "kondensasi". Mereka bekerja berdasarkan prinsip vakum dan karena itu juga dikenal sebagai "mesin vakum". Mesin semacam itu bekerja untuk menggerakkan pompa piston, bagaimanapun, tidak ada bukti bahwa mereka digunakan untuk tujuan lain. Selama pengoperasian mesin uap tipe vakum pada awal siklus uap tekanan rendah dimasukkan ke dalam ruang kerja atau silinder. Katup masuk kemudian menutup dan uap mendingin dan mengembun. Pada mesin Newcomen, air pendingin disemprotkan langsung ke dalam silinder dan kondensat keluar ke pengumpul kondensat. Ini menciptakan ruang hampa di dalam silinder. Tekanan atmosfer di bagian atas silinder menekan piston, dan menyebabkannya bergerak ke bawah, yaitu langkah tenaga.

Pendinginan dan pemanasan ulang yang konstan dari silinder kerja mesin sangat boros dan tidak efisien, namun, mesin uap ini memungkinkan pemompaan air dari kedalaman yang lebih dalam daripada yang mungkin sebelum kemunculannya. Versi mesin uap muncul pada tahun itu, dibuat oleh Watt bekerja sama dengan Matthew Boulton, inovasi utamanya adalah penghilangan proses kondensasi di ruang terpisah khusus (kondensor). Ruang ini ditempatkan di bak air dingin dan dihubungkan ke silinder dengan tabung yang ditutup oleh katup. Pompa vakum kecil khusus (prototipe pompa kondensat) dipasang ke ruang kondensasi, digerakkan oleh kursi goyang dan digunakan untuk menghilangkan kondensat dari kondensor. Air panas yang dihasilkan disuplai oleh pompa khusus (prototipe pompa umpan) kembali ke boiler. Inovasi radikal lainnya adalah penutupan ujung atas silinder kerja, yang bagian atasnya sekarang menjadi uap bertekanan rendah. Uap yang sama hadir dalam selubung ganda silinder, mempertahankan suhu konstannya. Selama gerakan piston ke atas, uap ini dialirkan melalui tabung khusus ke bagian bawah silinder untuk dikondensasikan pada langkah berikutnya. Mesin tersebut, pada kenyataannya, tidak lagi menjadi "atmosfer", dan tenaganya sekarang bergantung pada perbedaan tekanan antara uap bertekanan rendah dan vakum yang dapat diperoleh. Di mesin uap Newcomen, piston dilumasi dengan sedikit air yang dituangkan di atasnya, di mesin Watt hal ini menjadi tidak mungkin, karena uap sekarang berada di bagian atas silinder, maka perlu beralih ke pelumasan dengan a campuran lemak dan minyak. Gemuk yang sama digunakan dalam kotak isian batang silinder.

Mesin uap vakum, terlepas dari keterbatasan efisiensinya yang jelas, relatif aman, menggunakan uap bertekanan rendah, yang cukup konsisten dengan teknologi boiler abad ke-18 tingkat rendah secara umum. Tenaga mesin dibatasi oleh tekanan uap yang rendah, ukuran silinder, laju pembakaran bahan bakar dan penguapan air di dalam ketel, dan ukuran kondensor. Efisiensi teoretis maksimum dibatasi oleh perbedaan suhu yang relatif kecil di kedua sisi piston; ini membuat mesin vakum yang ditujukan untuk keperluan industri menjadi terlalu besar dan mahal.

Kompresi

Port outlet silinder mesin uap menutup sedikit sebelum piston mencapai posisi akhirnya, meninggalkan uap buangan di dalam silinder. Artinya, ada fase kompresi dalam siklus operasi, yang membentuk apa yang disebut "bantalan uap", yang memperlambat pergerakan piston pada posisi ekstremnya. Ini juga menghilangkan penurunan tekanan yang tiba-tiba di awal fase pemasukan saat uap segar memasuki silinder.

Maju

Efek yang dijelaskan dari "bantalan uap" juga diperkuat oleh fakta bahwa asupan uap segar ke dalam silinder dimulai agak lebih awal dari piston mencapai posisi ekstrim, yaitu ada sedikit peningkatan asupan. Kemajuan ini diperlukan agar sebelum piston memulai langkah kerjanya di bawah aksi uap segar, uap memiliki waktu untuk mengisi ruang mati yang muncul sebagai akibat dari fase sebelumnya, yaitu saluran masuk-buang dan volume silinder yang tidak digunakan untuk gerakan piston.

ekstensi sederhana

Ekspansi sederhana mengasumsikan bahwa uap hanya bekerja ketika mengembang di dalam silinder, dan uap buangan dilepaskan langsung ke atmosfer atau memasuki kondensor khusus. Panas sisa steam kemudian dapat digunakan, misalnya untuk pemanas ruangan atau kendaraan, serta untuk memanaskan air yang masuk ke boiler.

Menggabungkan

Selama proses pemuaian di dalam silinder mesin bertekanan tinggi, suhu uap turun sebanding dengan pemuaiannya. Karena tidak ada pertukaran panas (proses adiabatik), ternyata uap yang masuk ke dalam silinder lebih tinggi suhunya daripada keluarnya. Fluktuasi suhu seperti itu di dalam silinder menyebabkan penurunan efisiensi proses.

Salah satu cara untuk mengatasi perbedaan temperatur ini diusulkan pada tahun 1804 oleh insinyur Inggris Arthur Wolfe, yang mematenkan Mesin uap majemuk tekanan tinggi Wulff. Di mesin ini, uap bersuhu tinggi dari ketel uap memasuki silinder bertekanan tinggi, dan kemudian uap yang keluar di dalamnya pada suhu dan tekanan yang lebih rendah memasuki silinder (atau silinder) bertekanan rendah. Ini mengurangi perbedaan suhu di setiap silinder, yang umumnya mengurangi kehilangan suhu dan meningkatkan efisiensi mesin uap secara keseluruhan. Uap bertekanan rendah memiliki volume yang lebih besar, dan karenanya membutuhkan volume silinder yang lebih besar. Oleh karena itu, pada mesin majemuk, silinder bertekanan rendah memiliki diameter lebih besar (dan terkadang lebih panjang) daripada silinder bertekanan tinggi.

Susunan ini juga dikenal sebagai "pemuaian ganda" karena pemuaian uap terjadi dalam dua tahap. Kadang-kadang satu silinder bertekanan tinggi dihubungkan ke dua silinder bertekanan rendah, menghasilkan tiga silinder dengan ukuran yang kira-kira sama. Skema seperti itu lebih mudah diseimbangkan.

Mesin peracikan dua silinder dapat diklasifikasikan sebagai:

Kompleks lintas- Silinder terletak berdampingan, saluran penghantar uapnya disilangkan.
Kompleks tandem- Silinder disusun secara seri dan menggunakan satu batang.
Senyawa sudut- Silinder berada pada sudut satu sama lain, biasanya 90 derajat, dan beroperasi pada satu engkol.

Setelah tahun 1880-an, mesin uap majemuk tersebar luas di bidang manufaktur dan transportasi, dan menjadi satu-satunya jenis yang digunakan di kapal uap. Penggunaannya pada lokomotif uap tidak tersebar luas karena terbukti terlalu rumit, sebagian karena kondisi pengoperasian mesin uap yang sulit dalam transportasi kereta api. Meskipun lokomotif majemuk tidak pernah menjadi fenomena arus utama (terutama di Inggris, di mana mereka sangat langka dan tidak digunakan sama sekali setelah tahun 1930-an), lokomotif ini mendapatkan popularitas di beberapa negara.

Ekspansi ganda

Diagram sederhana dari mesin uap ekspansi tiga.
Steam tekanan tinggi (merah) dari boiler melewati mesin, meninggalkan kondensor pada tekanan rendah (biru).

Perkembangan logis dari skema gabungan adalah penambahan tahap ekspansi tambahan, yang meningkatkan efisiensi kerja. Hasilnya adalah skema ekspansi berganda yang dikenal sebagai mesin ekspansi tiga kali lipat atau bahkan empat kali lipat. Mesin uap semacam itu menggunakan serangkaian silinder aksi ganda, yang volumenya meningkat di setiap tahap. Kadang-kadang, alih-alih meningkatkan volume silinder bertekanan rendah, peningkatan jumlahnya digunakan, seperti pada beberapa mesin majemuk.

Gambar di sebelah kanan menunjukkan mesin uap ekspansi tiga kali lipat sedang beroperasi. Uap mengalir melalui mesin dari kiri ke kanan. Blok katup setiap silinder terletak di sebelah kiri silinder yang sesuai.

Munculnya mesin uap jenis ini menjadi sangat relevan untuk armada, karena persyaratan ukuran dan beratnya mesin kapal tidak terlalu kaku, dan yang terpenting, skema seperti itu memudahkan penggunaan kondensor yang mengembalikan uap buangan dalam bentuk air tawar kembali ke ketel (tidak mungkin menggunakan air laut asin untuk menyalakan ketel). Mesin uap berbasis darat biasanya tidak mengalami masalah dengan suplai air sehingga dapat mengeluarkan uap buangan ke atmosfer. Oleh karena itu, skema seperti itu kurang relevan bagi mereka, terutama mengingat kompleksitas, ukuran, dan bobotnya. Dominasi mesin uap ekspansi berganda berakhir hanya dengan munculnya dan meluasnya penggunaan turbin uap. Namun, turbin uap modern menggunakan prinsip yang sama membagi aliran menjadi silinder tekanan tinggi, sedang dan rendah.

Mesin uap aliran langsung

Mesin uap sekali pakai muncul sebagai hasil dari upaya untuk mengatasi satu kelemahan yang melekat pada mesin uap dengan distribusi uap tradisional. Faktanya adalah bahwa uap dalam mesin uap biasa terus-menerus mengubah arah pergerakannya, karena jendela yang sama di setiap sisi silinder digunakan untuk masuk dan keluarnya uap. Ketika uap buang meninggalkan silinder, ia mendinginkan dinding dan saluran distribusi uapnya. Oleh karena itu, uap segar menghabiskan sebagian energi untuk memanaskannya, yang menyebabkan penurunan efisiensi. Mesin uap sekali lewat memiliki port tambahan, yang dibuka oleh piston di akhir setiap fase, dan melaluinya uap meninggalkan silinder. Ini meningkatkan efisiensi mesin saat uap bergerak ke satu arah dan gradien suhu dinding silinder tetap kurang lebih konstan. Mesin sekali pakai dengan ekspansi tunggal menunjukkan efisiensi yang sama dengan mesin gabungan dengan distribusi uap konvensional. Selain itu, mereka dapat bekerja lebih banyak putaran tinggi, dan oleh karena itu, sebelum munculnya turbin uap, turbin uap sering digunakan untuk menggerakkan generator listrik yang membutuhkan kecepatan putaran tinggi.

Mesin uap sekali pakai adalah kerja tunggal atau ganda.

Turbin uap

Turbin uap adalah serangkaian cakram berputar yang dipasang pada satu sumbu, yang disebut rotor turbin, dan serangkaian cakram tetap yang bergantian dengannya, dipasang pada alas, yang disebut stator. Disk rotor memiliki bilah di sisi luar, uap disuplai ke bilah ini dan memutar disk. Cakram stator memiliki bilah serupa yang dipasang pada sudut berlawanan, yang berfungsi untuk mengarahkan aliran uap ke cakram rotor berikutnya. Setiap cakram rotor dan cakram stator yang sesuai disebut tahap turbin. Jumlah dan ukuran tahapan masing-masing turbin dipilih sedemikian rupa untuk memaksimalkan energi uap yang berguna dari kecepatan dan tekanan yang disuplai padanya. Uap buangan yang keluar dari turbin masuk ke kondensor. Turbin berputar dengan kecepatan yang sangat tinggi, sehingga transmisi step-down khusus biasanya digunakan saat mentransfer daya ke peralatan lain. Selain itu, turbin tidak dapat mengubah arah putarannya, dan seringkali memerlukan mekanisme balik tambahan (kadang-kadang tahap rotasi balik tambahan digunakan).

Turbin mengubah energi uap secara langsung menjadi putaran dan tidak memerlukan mekanisme tambahan untuk mengubah gerakan bolak-balik menjadi putaran. Selain itu, turbin lebih kompak daripada mesin bolak-balik dan memiliki gaya konstan pada poros keluaran. Karena turbin memiliki desain yang lebih sederhana, mereka cenderung membutuhkan lebih sedikit perawatan.

Jenis mesin uap lainnya

Aplikasi

Mesin uap dapat diklasifikasikan menurut aplikasinya sebagai berikut:

Mesin stasioner

palu uap

Mesin uap di pabrik gula tua, Kuba

Mesin uap stasioner dapat dibagi menjadi dua jenis sesuai dengan mode penggunaan:

Mesin tugas variabel seperti rolling mills, steam winch dan perangkat serupa yang harus sering berhenti dan berubah arah.
Tenaga mesin yang jarang berhenti dan tidak perlu mengubah arah putaran. Ini termasuk motor listrik di pembangkit listrik, serta motor industri yang digunakan di pabrik, pabrik, dan kereta kabel sebelum penggunaan traksi listrik secara luas. Mesin daya rendah digunakan pada model kapal dan perangkat khusus.

Mesin derek uap pada dasarnya adalah mesin stasioner, tetapi dipasang pada rangka dasar sehingga dapat dipindahkan. Itu dapat diamankan dengan kabel ke jangkar dan dipindahkan dengan dorongannya sendiri ke lokasi baru.

Kendaraan pengangkut

Mesin uap digunakan untuk menggerakkan berbagai jenis kendaraan, di antaranya:

Kendaraan darat:
- mobil uap
- traktor uap
- Ekskavator uap, dan bahkan
Pesawat uap.

Di Rusia, lokomotif uap pertama yang beroperasi dibangun oleh E. A. dan M. E. Cherepanov di pabrik Nizhny Tagil pada tahun 1834 untuk mengangkut bijih. Dia mengembangkan kecepatan 13 mil per jam dan membawa lebih dari 200 pon (3,2 ton) kargo. Panjang rel pertama adalah 850 m.

Keuntungan mesin uap

Keuntungan utama mesin uap adalah mereka dapat menggunakan hampir semua sumber panas untuk mengubahnya menjadi kerja mekanis. Ini membedakan mereka dari mesin pembakaran dalam, yang setiap jenisnya membutuhkan penggunaan jenis bahan bakar tertentu. Keuntungan ini paling terlihat saat menggunakan energi nuklir, karena reaktor nuklir tidak mampu menghasilkan energi mekanik, tetapi hanya menghasilkan panas, yang digunakan untuk menghasilkan uap yang menggerakkan mesin uap (biasanya turbin uap). Selain itu, ada sumber panas lain yang tidak dapat digunakan pada mesin pembakaran dalam, seperti energi matahari. Arah yang menarik adalah penggunaan energi dari perbedaan suhu Samudra Dunia pada kedalaman yang berbeda.

Jenis mesin lain juga memiliki sifat serupa. pembakaran eksternal, seperti mesin Stirling, yang dapat memberikan efisiensi sangat tinggi, tetapi secara signifikan lebih besar dan lebih berat daripada jenis mesin uap modern.

Lokomotif uap bekerja dengan baik di ketinggian, karena efisiensinya tidak turun karena tekanan atmosfer yang rendah. Lokomotif uap masih digunakan di daerah pegunungan Amerika Latin, padahal di dataran rendah sudah lama digantikan oleh jenis lokomotif yang lebih modern.

Di Swiss (Brienz Rothhorn) dan Austria (Schafberg Bahn), lokomotif uap baru yang menggunakan uap kering telah membuktikan kemampuannya. Lokomotif uap jenis ini dikembangkan berdasarkan model Swiss Locomotive and Machine Works (SLM), dengan banyak peningkatan modern seperti penggunaan bantalan rol, insulasi termal modern, pembakaran fraksi minyak ringan sebagai bahan bakar, perbaikan saluran pipa uap , dll. . Hasilnya, lokomotif ini memiliki konsumsi bahan bakar 60% lebih rendah dan persyaratan perawatan yang jauh lebih rendah. Kualitas ekonomi lokomotif semacam itu sebanding dengan lokomotif diesel dan listrik modern.

Selain itu, lokomotif uap jauh lebih ringan daripada lokomotif diesel dan listrik, terutama untuk kereta api gunung. Fitur mesin uap adalah tidak memerlukan transmisi, mentransfer tenaga langsung ke roda.

Efisiensi

Faktor efisiensi (COP) mesin panas dapat didefinisikan sebagai rasio kerja mekanik yang berguna dengan jumlah panas yang dikeluarkan yang terkandung dalam bahan bakar. Sisa energi dilepaskan ke lingkungan dalam bentuk panas. Efisiensi mesin kalor adalah

Proses penemuan mesin uap, seperti yang sering terjadi pada teknologi, berlangsung selama hampir satu abad, sehingga pemilihan tanggal untuk acara ini agak sembarangan. Namun, tidak ada yang menyangkal bahwa terobosan yang mengarah pada revolusi teknologi dilakukan oleh James Watt dari Skotlandia.

Orang telah berpikir untuk menggunakan uap sebagai fluida kerja sejak zaman kuno. Namun, baru pada pergantian abad XVII-XVIII. berhasil menemukan cara untuk menghasilkan karya yang bermanfaat dengan bantuan uap. Salah satu upaya pertama untuk menggunakan uap untuk melayani manusia dilakukan di Inggris pada tahun 1698: mesin penemu Savery dirancang untuk mengalirkan tambang dan memompa air. Benar, penemuan Savery belum menjadi mesin dalam arti sebenarnya, karena, selain beberapa katup yang dibuka dan ditutup secara manual, tidak ada bagian yang bergerak di dalamnya. Mesin Savery bekerja sebagai berikut: pertama, tangki tertutup diisi dengan uap, kemudian permukaan luar tangki didinginkan dengan air dingin, menyebabkan uap mengembun, dan sebagian vakum tercipta di dalam tangki. Setelah itu, air - misalnya, dari dasar tambang - disedot ke dalam tangki melalui pipa intake dan, setelah bagian uap berikutnya masuk, dibuang.

Mesin uap pertama dengan piston dibuat oleh orang Prancis Denis Papin pada tahun 1698. Air dipanaskan di dalam silinder vertikal dengan piston, dan uap yang dihasilkan mendorong piston ke atas. Saat uap mendingin dan mengembun, piston didorong ke bawah oleh tekanan atmosfer. Melalui sistem blok, mesin uap Papin dapat menggerakkan berbagai mekanisme, seperti pompa.

Mesin yang lebih sempurna dibuat pada tahun 1712 oleh pandai besi Inggris Thomas Newcomen. Seperti pada mesin Papin, piston bergerak dalam silinder vertikal. Uap dari ketel masuk ke dasar silinder dan mengangkat piston ke atas. Ketika air dingin disuntikkan ke dalam silinder, uap mengembun, ruang hampa terbentuk di dalam silinder, dan di bawah pengaruh tekanan atmosfer, piston jatuh. Langkah balik ini mengeluarkan air dari silinder dan, melalui rantai yang terhubung ke kursi goyang, bergerak seperti ayunan, mengangkat batang pompa ke atas. Saat piston masuk titik terendah tentu saja, uap kembali masuk ke dalam silinder, dan dengan bantuan penyeimbang yang dipasang di batang pompa atau di kursi goyang, piston naik ke posisi semula. Setelah itu, siklus diulang.

Mesin Newcomen banyak digunakan di Eropa selama lebih dari 50 tahun. Pada tahun 1740-an, sebuah mesin dengan panjang silinder 2,74 m dan diameter 76 cm dalam satu hari melakukan pekerjaan yang dilakukan oleh tim yang terdiri dari 25 orang dan 10 kuda, yang bekerja secara bergiliran, dalam seminggu. Namun efisiensinya sangat rendah.

Revolusi industri yang paling mencolok memanifestasikan dirinya di Inggris, terutama di industri tekstil. Perbedaan antara pasokan kain dan permintaan yang meningkat pesat menarik pemikiran desain terbaik untuk pengembangan mesin pemintalan dan tenun. Sejarah teknologi Inggris selamanya menyertakan nama Cartwright, Kay, Crompton, Hargreaves. Tetapi mesin pemintalan dan penenunan yang mereka buat membutuhkan mesin universal yang baru secara kualitatif yang akan terus menerus dan merata (yang tidak dapat disediakan oleh kincir air) akan menggerakkan mesin menjadi gerakan rotasi searah. Di sinilah bakat insinyur terkenal, "penyihir Greenock" James Watt, muncul dengan segala kemegahannya.

Watt lahir di kota Greenock di Skotlandia dalam keluarga seorang pembuat kapal. Bekerja sebagai magang di bengkel di Glasgow, dalam dua tahun pertama, James memperoleh kualifikasi sebagai pemahat, master dalam pembuatan matematika, survei, instrumen optik, dan berbagai instrumen navigasi. Atas saran pamannya, sang profesor, James masuk universitas setempat sebagai mekanik. Di sinilah Watt mulai mengerjakan mesin uap.

James Watt sedang mencoba untuk meningkatkan mesin uap-atmosfer Newcomen, yang pada umumnya hanya bagus untuk memompa air. Jelas baginya bahwa kelemahan utama mesin Newcomen adalah pemanasan dan pendinginan silinder secara bergantian. Pada tahun 1765, Watt mengemukakan gagasan bahwa silinder dapat tetap panas sepanjang waktu jika, sebelum kondensasi, uap dialihkan ke reservoir terpisah melalui pipa dengan katup. Selain itu, Watt melakukan beberapa perbaikan lagi yang akhirnya mengubah mesin uap-atmosfer menjadi mesin uap. Misalnya, ia menemukan mekanisme berengsel - "jajar genjang Watt" (disebut demikian karena bagian dari tautan - tuas yang menyusun komposisinya membentuk jajaran genjang), yang mengubah gerakan bolak-balik piston menjadi gerakan rotasi poros utama . Sekarang alat tenun bisa berjalan terus menerus.

Pada tahun 1776 mesin Watt diuji. Efisiensinya ternyata dua kali lipat dari mesin Newcomen. Pada 1782, Watt menciptakan mesin uap kerja ganda universal pertama. Uap memasuki silinder secara bergantian dari satu sisi piston, lalu dari sisi lainnya. Oleh karena itu, piston melakukan langkah kerja dan mundur dengan bantuan uap, yang tidak terjadi pada mesin sebelumnya. Karena batang piston melakukan aksi tarik dan dorong pada mesin uap kerja ganda, sebelumnya sistem penggerak dari rantai dan lengan ayun, yang bereaksi hanya terhadap traksi, harus diulang. Watt mengembangkan sistem tautan dan menggunakan mekanisme planet untuk mengubah gerakan bolak-balik batang piston menjadi gerakan rotasi, menggunakan roda gila yang berat, pengontrol kecepatan sentrifugal, katup cakram, dan manometer untuk mengukur tekanan uap. "Mesin uap putar" yang dipatenkan oleh Watt pertama kali digunakan secara luas di pabrik pemintalan dan tenun, dan kemudian di perusahaan industri lainnya. Mesin Watt cocok untuk mobil apa pun, dan penemu mekanisme self-propelled tidak lambat memanfaatkannya.

Mesin uap Watt benar-benar merupakan penemuan abad ini, menandai dimulainya revolusi industri. Namun penemunya tidak berhenti di situ. Tetangga menyaksikan dengan terkejut lebih dari sekali saat Watt mengendarai kuda melintasi padang rumput, menarik beban yang dipilih secara khusus. Jadi unit daya muncul - Daya kuda yang kemudian mendapat pengakuan universal.

Sayangnya, kesulitan keuangan memaksa Watt, yang sudah dewasa, untuk melakukan survei geodetik, mengerjakan pembangunan kanal, membangun pelabuhan dan marina, dan akhirnya menjalin aliansi yang memperbudak secara ekonomi dengan pengusaha John Rebeck, yang segera mengalami kehancuran finansial total.

Peluang penggunaan energi uap sudah dikenal di awal era kita. Ini dikonfirmasi oleh perangkat yang disebut Heron's aeolipil, yang dibuat oleh mekanik Yunani kuno Heron dari Alexandria. Sebuah penemuan kuno dapat dikaitkan dengan turbin uap, yang bolanya berputar karena kekuatan semburan uap air.

Menjadi mungkin untuk mengadaptasi uap untuk pengoperasian mesin pada abad ke-17. Mereka tidak menggunakan penemuan semacam itu untuk waktu yang lama, tetapi itu memberikan kontribusi yang signifikan bagi perkembangan umat manusia. Selain itu, sejarah penemuan mesin uap sangat menarik.

konsep

Mesin uap terdiri dari mesin panas pembakaran luar, yang dari energi uap air, menciptakan gerakan mekanis piston, yang pada gilirannya memutar poros. Kekuatan mesin uap biasanya diukur dalam watt.

Sejarah penemuan

Sejarah penemuan mesin uap dihubungkan dengan pengetahuan peradaban Yunani kuno. Untuk waktu yang lama, tidak ada yang menggunakan karya zaman ini. Pada abad ke-16, upaya dilakukan untuk membuat turbin uap. Fisikawan dan insinyur Turki Takiyuddin ash-Shami mengerjakan ini di Mesir.

Ketertarikan pada masalah ini muncul kembali pada abad ke-17. Pada tahun 1629, Giovanni Branca mengusulkan turbin uap versinya sendiri. Namun, penemuan itu kehilangan banyak energi. Perkembangan lebih lanjut membutuhkan kondisi ekonomi yang sesuai, yang akan muncul kemudian.

Orang pertama yang menemukan mesin uap adalah Denis Papin. Penemuannya adalah sebuah silinder dengan piston yang naik karena uap dan jatuh karena penebalannya. Perangkat Savery dan Newcomen (1705) memiliki prinsip operasi yang sama. Peralatan itu digunakan untuk memompa air keluar dari pekerjaan di ekstraksi mineral.

Watt akhirnya berhasil memperbaiki perangkat pada tahun 1769.

Penemuan oleh Denis Papin

Denis Papin adalah seorang dokter medis melalui pelatihan. Lahir di Perancis, dia pindah ke Inggris pada tahun 1675. Ia dikenal karena banyak penemuannya. Salah satunya adalah pressure cooker, yang disebut "kuali Papenov".

Ia berhasil mengungkapkan hubungan antara dua fenomena, yaitu titik didih suatu zat cair (air) dan tekanan yang muncul. Berkat ini, ia menciptakan ketel tertutup, di dalamnya tekanannya meningkat, yang menyebabkan air mendidih lebih lambat dari biasanya dan suhu pemrosesan produk yang ditempatkan di dalamnya meningkat. Dengan demikian, kecepatan memasak meningkat.

Pada 1674, seorang penemu medis menciptakan mesin bubuk. Karyanya terdiri dari fakta bahwa ketika bubuk mesiu dinyalakan, sebuah piston bergerak di dalam silinder. Sedikit vakum terbentuk di dalam silinder, dan tekanan atmosfer mengembalikan piston ke tempatnya. Elemen gas yang dihasilkan keluar melalui katup, dan sisanya didinginkan.

Pada 1698, Papin berhasil membuat unit berdasarkan prinsip yang sama, bekerja bukan dengan bubuk mesiu, tetapi dengan air. Maka, mesin uap pertama diciptakan. Terlepas dari kemajuan signifikan yang dapat dihasilkan oleh ide tersebut, hal itu tidak membawa manfaat yang signifikan bagi penemunya. Ini karena sebelumnya mekanik lain, Savery, telah mematenkan pompa uap, dan saat itu mereka belum menemukan aplikasi lain untuk unit semacam itu.

Denis Papin meninggal di London pada tahun 1714. Terlepas dari kenyataan bahwa mesin uap pertama ditemukan olehnya, dia meninggalkan dunia ini dalam kebutuhan dan kesepian.

Penemuan Thomas Newcomen

Lebih sukses dalam hal dividen adalah orang Inggris Newcomen. Saat Papin menciptakan mesinnya, Thomas berusia 35 tahun. Dia dengan hati-hati mempelajari karya Savery dan Papin dan mampu memahami kekurangan dari kedua desain tersebut. Dari mereka dia mengambil semua ide terbaik.

Sudah pada 1712, bekerja sama dengan master kaca dan pipa ledeng John Calley, dia menciptakan model pertamanya. Demikian berlanjut sejarah penemuan mesin uap.

Secara singkat, Anda dapat menjelaskan model yang dibuat sebagai berikut:

Desainnya menggabungkan silinder vertikal dan piston, seperti milik Papin.
Pembuatan uap terjadi di ketel terpisah, yang bekerja berdasarkan prinsip mesin Savery.
Kekencangan pada silinder uap dicapai karena kulit yang dilapisi piston.

Unit Newcomen mengangkat air dari tambang dengan bantuan tekanan atmosfer. Mesin tersebut dibedakan dari dimensinya yang kokoh dan membutuhkan batubara dalam jumlah besar untuk pengoperasiannya. Terlepas dari kekurangan ini, model Newcomen telah digunakan di tambang selama setengah abad. Bahkan memungkinkan pembukaan kembali tambang yang telah ditinggalkan akibat banjir air tanah.

Pada 1722, gagasan Newcomen membuktikan keefektifannya dengan memompa air keluar dari kapal di Kronstadt hanya dalam waktu dua minggu. Sistem kincir angin bisa melakukannya dalam setahun.

Karena mesin itu didasarkan pada versi awal, mekanik Inggris tidak dapat memperoleh paten untuk itu. Para perancang mencoba menerapkan penemuan tersebut pada pergerakan kendaraan, namun gagal. Sejarah penemuan mesin uap tidak berhenti sampai disitu.

Penemuan Watt

Yang pertama menemukan peralatan dengan ukuran yang ringkas, tetapi cukup kuat, James Watt. Mesin uap adalah yang pertama dari jenisnya. Seorang mekanik dari Universitas Glasgow pada tahun 1763 mulai memperbaiki mesin uap Newcomen. Sebagai hasil dari perbaikan tersebut, dia mengerti bagaimana cara mengurangi konsumsi bahan bakar. Untuk melakukan ini, perlu menjaga silinder dalam keadaan panas terus-menerus. Namun, mesin uap Watt tidak dapat siap sampai masalah kondensasi uap teratasi.

Solusinya datang ketika seorang mekanik berjalan melewati binatu dan melihat embusan uap keluar dari bawah tutup ketel. Dia menyadari bahwa uap adalah gas dan perlu bergerak dalam silinder bertekanan rendah.

Dengan menyegel bagian dalam silinder uap dengan tali rami yang dibasahi minyak, Watt mampu melepaskan tekanan atmosfer. Ini adalah langkah maju yang besar.

Pada tahun 1769, seorang mekanik menerima hak paten yang menyatakan bahwa suhu mesin pada mesin uap akan selalu sama dengan suhu uapnya. Namun, urusan penemu malang itu tidak berjalan seperti yang diharapkan. Dia terpaksa menggadaikan paten untuk hutang.

Pada 1772 dia bertemu dengan Matthew Bolton, seorang industrialis kaya. Dia membeli dan mengembalikan Watt hak patennya. Penemu kembali bekerja, didukung oleh Bolton. Pada tahun 1773, mesin uap Watt diuji dan menunjukkan bahwa ia mengkonsumsi batubara jauh lebih sedikit daripada rekan-rekannya. Setahun kemudian, produksi mobilnya dimulai di Inggris.

Pada 1781, penemu berhasil mematenkan kreasi berikutnya - mesin uap untuk menggerakkan mesin industri. Seiring waktu, semua teknologi ini akan memungkinkan untuk memindahkan kereta api dan kapal uap dengan bantuan uap. Itu benar-benar akan mengubah hidup seseorang.

Salah satu orang yang mengubah hidup banyak orang adalah James Watt, yang mesin uapnya mempercepat kemajuan teknologi.

Penemuan Polzunov

Rancangan mesin uap pertama, yang dapat menggerakkan berbagai mekanisme kerja, dibuat pada tahun 1763. Ini dikembangkan oleh mekanik Rusia I. Polzunov, yang bekerja di pabrik pertambangan Altai.

Kepala pabrik mengetahui proyek tersebut dan menerima lampu hijau untuk pembuatan perangkat dari St. Petersburg. Mesin uap Polzunov diakui, dan pekerjaan pembuatannya dipercayakan kepada penulis proyek. Yang terakhir ingin merakit model miniatur terlebih dahulu untuk mengidentifikasi dan menghilangkan kemungkinan kekurangan yang tidak terlihat di atas kertas. Namun, dia diperintahkan untuk mulai membuat mesin yang besar dan bertenaga.

Polzunov diberikan asisten, dua di antaranya cenderung ke arah mekanik, dan dua lainnya seharusnya melakukan pekerjaan tambahan. Butuh satu tahun sembilan bulan untuk membangun mesin uap. Ketika mesin uap Polzunov hampir siap, dia jatuh sakit karena konsumsi. Pencipta meninggal beberapa hari sebelum tes pertama.

Semua tindakan di mesin berlangsung secara otomatis, dapat bekerja terus menerus. Ini dibuktikan pada tahun 1766, ketika siswa Polzunov melakukan tes terakhir. Sebulan kemudian, peralatan dioperasikan.

Mobil tersebut tidak hanya mengembalikan uang yang dikeluarkan, tetapi juga memberikan keuntungan bagi pemiliknya. Pada musim gugur, ketel mulai bocor, dan pekerjaan berhenti. Unit dapat diperbaiki, tetapi ini tidak menarik bagi otoritas pabrik. Mobil itu ditinggalkan, dan satu dekade kemudian dibongkar karena tidak perlu.

Prinsip operasi

Ketel uap diperlukan untuk pengoperasian seluruh sistem. Uap yang dihasilkan mengembang dan menekan piston, mengakibatkan pergerakan bagian mekanis.

Prinsip operasi paling baik dipelajari dengan menggunakan ilustrasi di bawah ini.

Jika Anda tidak mengecat detailnya, maka pekerjaan mesin uap adalah mengubah energi uap menjadi gerakan mekanis piston.

Efisiensi

Efisiensi mesin uap ditentukan oleh rasio kerja mekanis yang bermanfaat dalam kaitannya dengan jumlah panas yang dikeluarkan, yang terkandung dalam bahan bakar. Energi yang dilepaskan ke lingkungan sebagai panas tidak diperhitungkan.

Efisiensi mesin uap diukur sebagai persentase. Efisiensi praktisnya adalah 1-8%. Di hadapan kondensor dan perluasan jalur aliran, indikator dapat meningkat hingga 25%.

Keuntungan

Keuntungan utama peralatan steam adalah boiler dapat menggunakan sumber panas apa saja, baik batubara maupun uranium, sebagai bahan bakar. Ini secara signifikan membedakannya dari mesin pembakaran internal. Bergantung pada jenis yang terakhir, diperlukan jenis bahan bakar tertentu.

Sejarah penemuan mesin uap menunjukkan keunggulan yang masih dapat dilihat hingga saat ini, karena energi nuklir dapat digunakan untuk pasangan uap. Dengan sendirinya, reaktor nuklir tidak dapat mengubah energinya menjadi kerja mekanis, tetapi mampu menghasilkan panas dalam jumlah besar. Ini kemudian digunakan untuk menghasilkan uap, yang akan menggerakkan mobil. Energi matahari dapat digunakan dengan cara yang sama.

Lokomotif bertenaga uap bekerja dengan baik di ketinggian. Efisiensi pekerjaan mereka tidak terpengaruh oleh rendahnya tekanan atmosfer di pegunungan. Lokomotif uap masih digunakan di pegunungan Amerika Latin.

Di Austria dan Swiss, lokomotif uap versi baru yang beroperasi dengan uap kering digunakan. Mereka menunjukkan efisiensi tinggi berkat banyak peningkatan. Mereka tidak menuntut perawatan dan mengkonsumsi fraksi minyak ringan sebagai bahan bakar. Secara ekonomi, mereka sebanding dengan lokomotif listrik modern. Pada saat yang sama, lokomotif uap jauh lebih ringan daripada lokomotif diesel dan listriknya. Ini adalah keuntungan besar di medan pegunungan.

Kekurangan

Kerugiannya termasuk, pertama-tama, efisiensi rendah. Untuk ini harus ditambahkan desain yang besar dan kecepatan rendah. Ini menjadi sangat terlihat setelah munculnya mesin pembakaran internal.

Aplikasi

Siapa yang menemukan mesin uap sudah diketahui. Masih harus dilihat di mana mereka digunakan. Hingga pertengahan abad ke-20, mesin uap digunakan dalam industri. Mereka juga digunakan untuk transportasi kereta api dan uap.

Pabrik yang mengoperasikan mesin uap:

gula;
cocok;
pabrik kertas;
tekstil;
perusahaan makanan (dalam beberapa kasus).

Turbin uap juga termasuk dalam peralatan ini. Generator listrik masih bekerja dengan bantuan mereka. Sekitar 80% listrik dunia dihasilkan menggunakan turbin uap.

Pada suatu waktu, berbagai jenis transportasi yang ditenagai oleh mesin uap diciptakan. Beberapa tidak berakar karena masalah yang belum terselesaikan, sementara yang lain terus bekerja hingga hari ini.

Transportasi bertenaga uap:

mobil;
traktor;
penggali;
pesawat terbang;
lokomotif;
kapal;
traktor.

Begitulah sejarah penemuan mesin uap. Perhatikan secara singkat contoh sukses dari mobil balap Serpolle, yang dibuat pada tahun 1902. Ini menetapkan rekor kecepatan dunia, yang mencapai 120 km per jam di darat. Itulah mengapa mobil uap sangat kompetitif dibandingkan dengan mobil listrik dan bensin.

Jadi, di AS pada tahun 1900, hampir semua mesin uap diproduksi. Mereka bertemu di jalan sampai tahun tiga puluhan abad kedua puluh.

Sebagian besar kendaraan ini menjadi tidak populer setelah munculnya mesin pembakaran dalam, yang efisiensinya jauh lebih tinggi. Mesin seperti itu lebih ekonomis, ringan dan cepat.

Steampunk sebagai tren era mesin uap

Berbicara tentang mesin uap, saya ingin menyebutkan arah yang populer - steampunk. Istilah ini terdiri dari dua kata bahasa Inggris - "par" dan "protest". Steampunk adalah jenis fiksi ilmiah yang terjadi pada paruh kedua abad ke-19 di Inggris Victoria. Periode dalam sejarah ini sering disebut sebagai Zaman Uap.

Semua karya memilikinya fitur pembeda- menceritakan tentang kehidupan paruh kedua abad ke-19, gaya penceritaannya sekaligus mengingatkan pada novel karya H. G. Wells "The Time Machine". Plot menggambarkan lanskap kota, bangunan publik, teknologi. Tempat khusus diberikan untuk kapal udara, mobil tua, penemuan aneh. Semua bagian logam diikat dengan paku keling, karena pengelasan belum digunakan.

Istilah "steampunk" berasal dari tahun 1987. Popularitasnya dikaitkan dengan kemunculan novel "The Difference Engine". Itu ditulis pada tahun 1990 oleh William Gibson dan Bruce Sterling.

Pada awal abad ke-21, beberapa film terkenal dirilis ke arah ini:

"Mesin waktu";
"Liga Tuan-tuan Luar Biasa";
"Van Helsing".

Pelopor steampunk termasuk karya Jules Verne dan Grigory Adamov. Ketertarikan ke arah ini dari waktu ke waktu memanifestasikan dirinya di semua bidang kehidupan - dari bioskop hingga pakaian sehari-hari.

Mesin uap dipasang dan menggerakkan sebagian besar lokomotif uap dari awal 1800-an hingga 1950-an. Saya ingin mencatat bahwa prinsip pengoperasian mesin ini selalu tidak berubah, meskipun desain dan dimensinya berubah.

Ilustrasi animasi menunjukkan cara kerja mesin uap.

Untuk menghasilkan uap yang dipasok ke mesin, digunakan boiler yang beroperasi pada kayu dan batu bara, dan pada bahan bakar cair.

Ukuran pertama

Uap dari ketel memasuki ruang uap, dari mana ia memasuki bagian atas (depan) silinder melalui katup katup uap (ditunjukkan dengan warna biru). Tekanan yang diciptakan oleh uap mendorong piston ke BDC. Selama pergerakan piston dari TDC ke BDC, roda berputar setengah.

Melepaskan

Pada akhir langkah piston ke BDC, katup uap dipindahkan, melepaskan sisa uap melalui lubang pembuangan yang terletak di bawah katup. Sisa uap keluar, menciptakan karakteristik suara mesin uap.

Ukuran kedua

Pada saat yang sama, menggeser katup untuk melepaskan sisa uap membuka jalan masuk uap ke bagian bawah (belakang) silinder. Tekanan yang diciptakan oleh uap di dalam silinder menyebabkan piston bergerak ke TDC. Pada saat ini, roda berputar setengah lagi.

Melepaskan

Pada akhir pergerakan piston ke TDC, uap yang tersisa dikeluarkan melalui lubang pembuangan yang sama.

Siklus diulang lagi.

Mesin uap memiliki apa yang disebut. titik mati di akhir setiap langkah saat katup berubah dari langkah ekspansi ke langkah buang. Karena alasan ini, setiap mesin uap memiliki dua silinder, yang memungkinkan mesin dihidupkan dari posisi mana pun.

Prinsip pengoperasian mesin uap

Isi

anotasi

1. Bagian teoretis

1.1 Garis waktu

1.2 Mesin uap

1.2.1 Ketel uap

1.2.2 Turbin uap

1.3 Mesin uap

1.3.1 Kapal uap pertama

1.3.2 Lahirnya kendaraan roda dua

1.4 Penggunaan mesin uap

1.4.1 Keunggulan mesin uap

1.4.2 Efisiensi

2. Bagian praktis

2.1 Membangun mekanisme

2.2 Cara untuk meningkatkan mesin dan efisiensinya

2.3 Kuesioner

Kesimpulan

Bibliografi

Aplikasi

mesin uaptindakan yang bermanfaat

anotasi

Karya ilmiah ini terdiri dari 32 lembar yang meliputi bagian teoretis, bagian praktik, aplikasi dan kesimpulan. Di bagian teoretis, Anda akan belajar tentang prinsip pengoperasian mesin dan mekanisme uap, tentang sejarahnya dan peran penerapannya dalam kehidupan. Bagian praktis merinci proses perancangan dan pengujian mekanisme uap di rumah. Karya ilmiah ini dapat menjadi contoh nyata tentang kerja dan penggunaan energi uap.

Perkenalan

Dunia tunduk pada keanehan alam apa pun, di mana mesin digerakkan oleh tenaga otot atau tenaga roda air dan kincir angin - ini adalah dunia teknologi sebelum terciptanya mesin uap. terbakar, mampu memindahkan penghalang ( misalnya selembar kertas) yang ada di jalurnya Hal ini membuat seseorang berpikir tentang bagaimana uap dapat digunakan sebagai fluida kerja. Akibatnya, setelah banyak percobaan, sebuah mesin uap muncul. Dan bayangkan pabrik dengan cerobong berasap, mesin uap dan turbin, lokomotif uap dan kapal uap - seluruh dunia teknik uap yang kompleks dan kuat yang diciptakan oleh manusia. hanya bermotor universal dan memainkan peran besar dalam perkembangan umat manusia Penemuan mesin uap menjadi pendorong untuk pengembangan kendaraan lebih lanjut. Selama seratus tahun, itu adalah satu-satunya mesin industri yang keserbagunaannya memungkinkannya digunakan di pabrik, kereta api dan di angkatan laut Penemuan mesin uap merupakan terobosan besar yang terjadi pada pergantian dua era. Dan setelah berabad-abad, seluruh signifikansi dari penemuan ini terasa lebih tajam.

Hipotesa:

Apakah mungkin membuat dengan tangan Anda sendiri mekanisme paling sederhana yang berhasil untuk pasangan.

Tujuan pekerjaan: merancang mekanisme yang mampu bergerak berpasangan.

Objek penelitian:

1. Pelajari literatur ilmiah.

2. Merancang dan membangun mekanisme paling sederhana yang bekerja dengan uap.

3. Mempertimbangkan peluang untuk meningkatkan efisiensi di masa depan.

Karya ilmiah ini akan menjadi pedoman dalam pelajaran fisika untuk siswa sekolah menengah dan bagi mereka yang tertarik dengan topik ini.

1.TeoRebagian tik

Mesin uap - mesin piston termal di mana energi potensial uap air yang berasal dari ketel uap diubah menjadi kerja mekanis dari gerakan bolak-balik piston atau gerakan rotasi poros.

Uap adalah salah satu pembawa panas yang umum dalam sistem termal dengan fluida kerja cair atau gas yang dipanaskan bersama dengan air dan minyak termal. Uap air memiliki sejumlah keunggulan, antara lain kemudahan dan fleksibilitas penggunaan, toksisitas rendah, kemampuan membawa ke proses teknologi jumlah energi yang signifikan. Ini dapat digunakan dalam berbagai sistem yang melibatkan kontak langsung pendingin dengan berbagai elemen peralatan, secara efektif berkontribusi pada biaya energi yang lebih rendah, pengurangan emisi, dan pengembalian yang cepat.

Hukum kekekalan energi adalah hukum alam yang mendasar, yang ditetapkan secara empiris dan terdiri dari fakta bahwa energi dari sistem fisik yang terisolasi (tertutup) dilestarikan dari waktu ke waktu. Dengan kata lain, energi tidak dapat muncul dari ketiadaan dan tidak dapat menghilang entah ke mana, ia hanya dapat berpindah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Dari sudut pandang fundamental, menurut teorema Noether, hukum kekekalan energi adalah konsekuensi dari homogenitas waktu dan dalam pengertian ini bersifat universal, yaitu melekat pada sistem yang sifat fisiknya sangat berbeda.

1.1 Garis waktu

4000 SM e. - manusia menemukan roda.

3000 SM e. - jalan pertama muncul di Roma kuno.

2000 SM e. - roda menjadi lebih akrab bagi kita. Dia memiliki hub, pelek dan jari-jari yang menghubungkan mereka.

1700 SM e. - jalan pertama yang diaspal dengan balok kayu muncul.

312 SM e. - Jalan beraspal pertama dibangun di Roma kuno. Ketebalan pasangan bata mencapai satu meter.

1405 - kereta kuda musim semi pertama kali muncul.

1510 - kereta kuda memperoleh tubuh dengan dinding dan atap. Penumpang memiliki kesempatan untuk melindungi diri dari cuaca buruk selama perjalanan.

1526 - Ilmuwan dan seniman Jerman Albrecht Durer mengembangkan proyek menarik "gerobak tanpa kuda" yang digerakkan oleh kekuatan otot manusia. Orang-orang yang berjalan di sisi gerbong memutar pegangan khusus. Rotasi ini disalurkan ke roda gerbong dengan bantuan roda gigi cacing. Sayangnya, gerobak itu tidak dibuat.

1600 - Simon Stevin membangun kapal pesiar di atas roda, bergerak di bawah pengaruh kekuatan angin. Dia menjadi desain pertama gerobak tanpa kuda.

1610 - gerbong mengalami dua peningkatan signifikan. Pertama, sabuk yang tidak dapat diandalkan dan terlalu lunak yang mengguncang penumpang selama perjalanan diganti dengan pegas baja. Kedua, tali kekang kuda diperbaiki. Sekarang kuda itu menarik keretanya bukan dengan lehernya, tapi dengan dadanya.

1649 - lulus tes pertama untuk digunakan sebagai penggerak mata air dipelintir sebelumnya oleh seseorang. Gerbong berpenggerak pegas dibangun oleh Johann Hauch di Nuremberg. Namun, sejarawan mempertanyakan informasi ini, karena ada versi bahwa alih-alih pegas besar, seseorang sedang duduk di dalam gerbong, yang menggerakkan mekanisme.

1680 - contoh pertama menunggang kuda muncul di kota-kota besar transportasi umum.

1690 - Stefan Farffler dari Nuremberg menciptakan gerobak beroda tiga yang bergerak dengan bantuan dua pegangan yang diputar dengan tangan. Berkat penggerak ini, perancang gerobak dapat berpindah dari satu tempat ke tempat lain tanpa bantuan kakinya.

1698 - Orang Inggris Thomas Savery membangun ketel uap pertama.

1741 - Mekanik otodidak Rusia Leonty Lukyanovich Shamshurenkov mengirim "laporan" yang menggambarkan "kereta mandiri" ke kantor provinsi Nizhny Novgorod.

1769 - Penemu Perancis Cugno membuat mobil uap pertama di dunia.

1784 - James Watt membangun mesin uap pertama.

1791 - Ivan Kulibin merancang gerbong self-propelled beroda tiga yang dapat menampung dua penumpang. Penggerak dilakukan dengan menggunakan mekanisme pedal.

1794 - Mesin uap Cugno diserahkan ke "gudang mesin, perkakas, model, gambar, dan deskripsi semua jenis seni dan kerajinan" sebagai keingintahuan mekanis lainnya.

1800 - Ada pendapat bahwa pada tahun inilah sepeda pertama di dunia dibuat di Rusia. Penulisnya adalah budak Yefim Artamonov.

1808 - Sepeda Prancis pertama muncul di jalan-jalan Paris. Itu terbuat dari kayu dan terdiri dari palang yang menghubungkan dua roda. Berbeda dengan sepeda modern, sepeda ini tidak memiliki setang atau pedal.

1810 - industri kereta mulai bermunculan di Amerika dan negara-negara Eropa. Di kota-kota besar, seluruh jalan dan bahkan tempat tinggal yang dihuni oleh pembuat kereta ahli muncul.

1816 - Penemu Jerman Carl Friedrich Dreis membuat mesin yang menyerupai sepeda modern. Begitu muncul di jalan-jalan kota, ia mendapat nama "mobil yang sedang berlari", karena pemiliknya, mendorong dengan kakinya, sebenarnya berlari di sepanjang tanah.

1834 - kru layar yang dirancang oleh M. Hakuet diuji di Paris. Awak ini memiliki tiang setinggi 12 m.

1868 - Diyakini bahwa pada tahun ini orang Prancis Erne Michaud membuat prototipe sepeda motor modern.

1871 - Penemu Prancis Louis Perrault mengembangkan mesin uap sepeda.

1874 - mesin uap dibuat di Rusia traktor roda. Digunakan sebagai prototipe mobil Inggris"Evelyn Porter".

1875 - Mesin uap pertama Amadeus Bdlly didemonstrasikan di Paris.

1884 - Louis Copland dari Amerika membuat sepeda motor dengan mesin uap dipasang di atas roda depan. Desain ini bisa berakselerasi hingga 18 km / jam.

1901 - di Rusia, mobil uap penumpang dari pabrik sepeda Moskow "Duks" dibangun.

1902 - Leon Serpollet di salah satu mobil uapnya mencetak rekor kecepatan dunia - 120 km / jam.

Setahun kemudian, dia mencetak rekor lain - 144 km / jam.

1905 - American F. Marriott dengan mobil uap melebihi kecepatan 200 km

1.2 Uapmesin

Mesin yang ditenagai oleh uap. Uap yang dihasilkan oleh air pemanas digunakan untuk propulsi. Di beberapa mesin, uap memaksa piston di dalam silinder untuk bergerak. Ini menciptakan gerakan bolak-balik. Mekanisme yang terhubung biasanya mengubahnya menjadi gerakan rotasi. Dalam lokomotif uap (lokomotif) digunakan Mesin piston. Turbin uap juga digunakan sebagai mesin, yang memberikan gerak rotasi langsung dengan memutar serangkaian roda dengan sudu. Turbin uap menggerakkan generator listrik dan baling-baling kapal. Dalam mesin uap apa pun, panas yang dihasilkan dengan memanaskan air dalam ketel uap (ketel) diubah menjadi energi gerak. Panas dapat disuplai dari pembakaran bahan bakar di tungku atau dari reaktor nuklir. Mesin uap pertama dalam sejarah adalah sejenis pompa, yang dengannya mereka memompa keluar air yang membanjiri tambang. Itu ditemukan pada tahun 1689 oleh Thomas Savery. Dalam mesin ini, dengan desain yang sangat sederhana, uap mengembun menjadi sejumlah kecil air, dan karena itu, sebagian vakum tercipta, sehingga air disedot keluar dari poros tambang. Pada 1712, Thomas Newcomen menemukan pompa piston bertenaga uap. Di tahun 1760-an James Watt meningkatkan desain Newcomen dan menciptakan mesin uap yang jauh lebih efisien. Segera mereka digunakan di pabrik untuk menggerakkan peralatan mesin. Pada tahun 1884, insinyur Inggris Charles Parson (1854-1931) menemukan turbin uap praktis pertama. Desainnya sangat efisien sehingga segera mulai menggantikan mesin uap bolak-balik di pembangkit listrik. Pencapaian paling menakjubkan di bidang mesin uap adalah penciptaan mesin uap yang bekerja sepenuhnya tertutup dengan dimensi mikroskopis. Ilmuwan Jepang membuatnya menggunakan teknik yang digunakan untuk membuat sirkuit terintegrasi. Arus kecil yang melewati elemen pemanas listrik mengubah tetesan air menjadi uap, yang menggerakkan piston. Sekarang para ilmuwan harus menemukan di area mana perangkat ini dapat menemukan aplikasi praktis.