Содержание

Пар, сталь, электричество. Последствия научных открытий 19 в



Когда, судя по этим высказываниям, человечество поставило себе на службу «пар, сталь и электричество»?

В XIX веке. Но вообще пар служить человеку и раньше, в Англии он довольно эффективно это делал уже в XVIII веке, в некоторых операциях (таких как откачка воды из шахт) его применяли по всей Европе ещё в XVII.

Когда, судя по этим сведениям, человечеству стало известно о возможностях «пара, стали и электричества»?

Первые сведения об этом люди узнали ещё в Древнем мире, но настоящие их возможности, которые удалось применить в промышленности, стали известны только в XIX веке.

Сравните выводы и сформулируйте проблему

Вопрос: Почему именно XIX век стал веком «пара, стали и электричества»?

Ответ: Потому что именно тогда развитие капиталистических отношений привело к потребности использовать эти технические новшества в промышленности для увеличения своих прибылей.

А также потому, именно к этому времени научные достижения позволили использовать эти виды энергии с пользой для человека (особенно это касается электричества).

Каковы, на ваш взгляд, были последствия научных открытий XIX века для мировоззрения жителей западной цивилизации?

Европейцы уверовали в прогресс, XIX век – время его воспевания. Большинство думало, что со временем он сможет решить все проблемы человечества. Также укоренилось убеждение, что торжество прогресса неизбежно (так же, как раньше люди были уверены в неизбежности Страшного суда) и те, кто ему противятся – действуют против интересов человечества, к тому же, обречены на провал. Это убеждение касалось прогресса в науки и технике, но также в общественной жизни и во всех других областях.

Сделайте вывод по проблеме XIX век – век «пара, стали и электричества».

Научные открытия позволяли всё больше улучшать производство. Совершенствовались паровые машины, методы производства стали, со временем на службу человека было поставлено и электричество: вначале только в средствах связи, но потом также в транспорте и многих других областях жизни.

Сообща определите, какие положительные и отрицательные последствия для людей могли иметь изобретения, основанные на технологии «пара и стали».

Сделайте вывод по проблеме «XIX век – век «пара, стали и электричества»».

Таким образом одни и те же новшества приводили к положительным последствиям для одних людей и отрицательных – для других.

По схеме на с. 32 назовите использовавшиеся источники энергии и освещения; технику в промышленности и сельском хозяйстве; средства передвижения, передачи и хранения информации.

см. таблицу ниже

В программе презентаций сделайте анимационный аналог схемы.

В презентации должны быть технические новшества соответственнвующих лет из табилицы ниже.

Сравните схемы на с. 36 и 32: какие новые технологии и технику стали использовать люди в промышленности, сельском хозяйстве, для передвижения, передачи и хранения информации?

см. таблицу ниже

В программе презентаций сделайте анимационный аналог схемы.

В презентации должны быть технические новшества соответственнвующих лет из табилицы ниже.

Сообща определите, какие положительные и отрицательные последствия для людей могли иметь изобретения, основанные на применении электричества.

В программе презентаций сделайте анимационный аналог схемы.

В презентации должны быть технические новшества соответственнвующих лет из табилицы ниже.

Работая в паре, попробуйте описать спор между людьми XIX века – сторонником и противником научного прогресса.

Сторонник научного прогресс должен был описывать достижения во всех областях областях науки и техники, новые виды транспорта и способы лечения людей, включая вакцины и анестезию. Не мог он обойти вниманием и новую среду, сформированную человеком, а именно города с общественным транспортом, системой канализации и т. д.

Противник прогресса, прежде всего, должен был указывать на то, как наука разрушает религиозность в обществе, делает его бездуховным. В этом смысле первым аргументом была бы богопротивная теория Ч.Дарвина о происхождении человека от обезьяны. Далее он бы стал доказывать, насколько оправданы многие запреты церкви, например, на переливание крови. Социальные, тем более экологические аргументы человеку XIX века человеку вряд ли пришли бы в голову.

В текстовом редакторе (или в тетради) начните заполнять таблицу «Новая техника и технология 1800–1880-х годов».

Вступив в эпоху электричества… | Наука и жизнь

В природе нет ничего бесполезного.
Мишель Монтень

Фото Натальи Домриной.

Ветрогенераторы стали привычной деталью ландшафта многих стран. Фото Натальи Домриной.

Аэрофотоснимок системы солнечных электростанций, входящих в комплекс Solucar (Испания). На переднем плане солнечные электростанции параболического типа Solnova I (справа), III (слева спереди) и IV (слева сзади). В глубине расположены первая коммерческая солнечная электростанция башенного типа PS10, а за ней PS20. Фото: Abengoa Solar/Wikimedia Commons/CC BY 1.0.

Преобразователь волновой энергии «Oyster» («Устрица») в сборочном цеху. Электроэнергия вырабатывается за счёт качания верхней «створки». Фото: new.abb.com.

Испытание прототипа преобразователя волновой энергии «Pelamis Wave Power» у берегов Шотландии. Электроэнергия вырабатывается за счёт изгибания системы из нескольких секций под действием волн. Фото: P123/ Wikimedia Commons/PD.

Открыть в полном размере

Символично, что первая статья самого первого номера журнала «Наука и жизнь» посвящена проблеме утилизации сил природы, которая остаётся актуальной и через 130 лет, в XXI веке. Журнал впоследствии ещё не раз возвращался к ней. Человеческая цивилизация с древности использовала то, что предоставляла ей природа: силу ветра, энергию текущей воды и солнечное тепло. Затем к ним добавилась сила пара. Однако научные открытия первой половины XIX века дали людям возможность использовать ещё одну могучую силу — электричество. Именно проблема преобразования сил природы в электроэнергию, что позволит не только по-новому их использовать, но и передавать на большие расстояния, — основная тема статьи.

Автор отмечает, что за менее чем полстолетия пар радикально изменил все условия жизни, и ожидает, что и новые открытия продолжат этот процесс. Разумеется, сейчас акценты сместились, появились новые источники энергии и новые способы использования старых источников, но некоторые из них обсуждались уже в конце XIX века.

Нашему современнику, наверное, покажется удивительным, что людей того времени приходилось уговаривать использовать электрическую энергию для освещения и других нужд. Особенно в общественных местах. В ход шли даже гигиенические аргументы: лучшее качество спектра излучения для зрения и то, что электрические лампы не потребляют кислород и, соответственно, не выделяют углекислый газ, способный вызвать отравление («Наука и жизнь» № 49, 1890 г. ). Всё дело в том, что электроэнергия тогда стоила дорого, а лампы были очень недолговечны. До изобретения Александром Николаевичем Лодыгиным лампы накаливания современного типа с долговечной вольфрамовой спиральной нитью оставалось ещё три года.

«Эдисоновский свет», как его тогда называли по самой популярной конструкции электрических ламп американского изобретателя, использовавшего в них угольную нить, стоил в три раза дороже, чем освещение фотогеновой лампой, и в полтора раза дороже, чем светильным газом, хотя и в 9 раз дешевле стеариновых свечей. Зато тепла они выделяли почти в 20 раз меньше, чем газовые, и в 14 раз меньше, чем керосиновые. Срок службы ламп Эдисона был всего 40 часов. Самое дешёвое сырьё — фотоген — минеральное масло, подобное керосину, но получаемое не из нефти, а из бурого угля. Фотоген производился в России и некоторое время назывался керосином, возможно, поэтому автор не разделяет фотогеновые и собственно керосиновые лампы, тогда быстро набиравшие популярность. Светильный газ — это смесь водорода (50%) с метаном (34%) и другими газами, получаемая из каменного угля. Природный газ ещё не нашёл широкого применения и не добывался в значительных масштабах.

Высокая цена на электричество в первую очередь была связана с тем, что в то время ещё не были изобретены высоковольтные линии электропередачи переменного тока, имеющие малые потери энергии. Поэтому электроэнергия тогда передавалась только на очень короткие расстояния, как правило, не превышавшие 10—15 км, но и тогда потери доходили до 60% и выше. Так на упомянутом в статье руднике в Аризоне расстояние составило 12,5 км, а в городе Silver City — 6,5 км. На 1890 год в России имелся всего один пример использования гидроэлектростанции для питания станков — фабрика Козьмы Прохорова, на которую электроэнергия передавалась по линии в 6 верст.

Французский инженер Марсель Депре в 1882 году сумел передать электроэнергию на рекордные 57 км, используя напряжение до 2000 В. Однако тогда его оборудование было слишком громоздко для практического использования. Позднее, он решил эту проблему и, подняв напряжение до 6000 В, снизил потери на линии постоянного тока Крей — Париж длиной 56 км до 45%. Но автор статьи оптимистичен, верит в науку и уже предсказывает передачу электроэнергии за тысячи вёрст.

Заметим, что говоря о заслугах Депре, автору следовало бы упомянуть и о нашем соотечественнике Дмитрии Александровиче Лачинове, который много сделал для теоретического исследования вопроса о передаче электроэнергии на большие расстояния, в том числе первым в 1880 году сформулировал условия для этого.

Проблему передачи электроэнергии на большое расстояние в 1891 году решил российский физик-электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский, один из основоположников создания техники трёхфазного тока. Построенная по его проекту линия электропередачи с повышающим и понижающим трансформаторами доставила электроэнергию на невиданные тогда 170 км на международную выставку во Франкфурте-на-Майне. Там с этим изобретением познакомилось большое количество специалистов. Пожалуй, именно с этого момента и началась современная электрификация.

Но это ещё предстоит, а пока, в 1890 году, «Наука и жизнь» обсуждает идею приобретать электричество на складах или фабриках, а затем переносить домой в аккумуляторах, храня его, словно керосин в банках. Эта идея не покажется удивительной, если вспомнить, что электромобиль появился раньше, чем автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. В какой-то степени эта идея реализована в современном мире. Нет, мы не ходим на специальные фабрики заряжать аккумуляторы, не храним их в кладовых и не используем для освещения. Но аккумуляторы использует различная мобильная аппаратура и техника, широко распространённая в наше время.

Вообще первый номер журнала вышел в переломное время: совсем недавно, в 1870 году, бельгийский изобретатель Зеноб Грамм, работавший во Франции, создал электрогенератор, позволивший вырабатывать электроэнергию в промышленных масштабах. Первые его машины осветили в 1878 году Париж. Тогда же появились и первые ГЭС. В 1879 электричество добралось до Санкт-Петербурга, где первым был освещён Литейный мост, а в 1881 году — до Москвы.

Современные линии электропередачи имеют потери всего 2—3%, но и их можно сократить, используя высокотемпературные сверхпроводники. Несколько таких линий уже действуют в Германии, США, Южной Корее и Японии. Правда, все они имеют довольно малую длину из-за сложности поддержания низких температур и дороговизны. Их достоинство в том, что на них можно подавать электроэнергию с тем напряжением, которое получают на электростанциях (6—20 киловольт) без повышения. Его так и называют — генераторным. При этом отпадает необходимость в сложных и дорогих трансформаторных подстанциях высокого напряжения.

Самая длинная из сверхпроводящих линий электропередачи запущена в 2014 году в Германии. Она имеет длину один километр и использует напряжение 10 киловольт, придя на замену обычной линии с напряжением 110 киловольт.

В России в 2020 году собираются запустить сверхпроводящую кабельную линию длиной 2,5 километра. Предполагается, что эта линия, рассчитанная на ток 2500 Ампер и напряжение 20 киловольт, соединит две подстанции в Санкт-Петербурге. В ней будет использован высокотемпературный сверхпроводник Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x с критической температурой 108 Кельвинов (-165 градусов Цельсия). До такой «высокой» температуры сверхпроводящего состояния проводник можно охлаждать просто жидким азотом. Система охлаждения будет забирать 0,5% передаваемой мощности.

Другой упомянутый в статье способ утилизации природной, а именно солнечной энергии, запатентованный американским химиком и изобретателем Эдвардом Вестоном (в статье Уестон), — предшественник солнечной электроэнергетики. Использованные Вестоном термоэлектрические батареи основаны на открытом в 1821 году немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком термоэлектрическом эффекте. Он заключается в том, что если две проволоки из разных металлов в одном месте соединить, то между двумя другими концами возникнет разность потенциалов, если эти концы и место соединения имеют разную температуру. Такое соединение двух металлов (термопара) в этом случае ведёт себя как гальванический элемент и может использоваться как источник тока.

Первую термобатарею для исследования эффекта создали в 1823 году Xанс Эрстед и Жан-Батист Фурье. Она содержала спаянные друг с другом в чередующемся порядке висмутовые и сурьмяные пластины. Один ряд спаев нагревался пламенем свечи, другой охлаждался льдом. Одним из первых применил термобатарею в качестве источника тока Георг Ом в 1826 году. К концу XIX века было изобретено большое число различных термобатарей, работавших от различных источников тепла. Заслуга Вестона в том, что он предложил в качестве источника солнечное тепло и использовал для запасания электроэнергии аккумуляторы.

В настоящее время подобные устройства называют термоэлектрическими генераторами (термоэлектрогенераторами). Они нашли своё применение, как правило, для работы в труднодоступных местах, где не требуется большая мощность. В частности, ими оснащают космические аппараты («Кассини», «Новые горизонты» и др. ), уходящие в дальний космос, где нельзя использовать солнечные батареи. Они использую тепло радиоактивного распада (радиоизотопные источники).

Термоэлектрогенераторы на основе тепловой энергии Солнца в настоящее время распространения не получили и серийно их не производят. Все построенные за много лет исследований установки так и остались всего лишь экспериментальными образцами. Работа над ними активно шла до конца 1960-х годов, в том числе и в СССР. Но сначала не было необходимости в использовании солнечной энергии, а затем появились более выгодные фотоэлектрические солнечные батареи.

Впрочем, исследования продолжаются, так что, возможно, мы ещё увидим солнечные термоэлектрогенераторы в деле. Особенно, если новые материалы позволят поднять долю превращаемой в электричество солнечной энергии до 25%. Пока она значительно ниже.

Зато ветряные электростанции сейчас распространены широко. В настоящее время они лидируют среди так называемых возобновляемых источников энергии, к которым относятся и солнечная, и ветровая энергия. Во всём мире, по данным British Petroleum, на них приходится 51% от всей электроэнергии от возобновляемых источников (1270 тераватт-часов или мощность 591 гигаватт). К слову, доля солнечных электростанций составляет около 24% (584,6 ТВт·ч). Ветроэнергетика в настоящее время поставляет 14% всей электроэнергии в странах ЕС. Самая высокая доля «ветра» в 2018 году у Дании (41%), затем следуют Ирландия (28%) и Португалия (24%). Мировым же лидером по производству ветроэлектричества является Китай (237 ТВт·ч за 2016 год), далее следуют США (227 ТВт·ч) и Германия (78,9 ТВт·ч).

Упомянутая в статье «мельница» Блита (в статье — Блис) диаметром почти 9 метров на его даче в Мэрикирке, построенная в 1887 году, считается первой ветряной электростанцией в мире. Любопытно, что Блит предложил избыточную электроэнергию жителям Мэрикирка для освещения главной улицы, однако те отклонили предложение, посчитав, что электроэнергия — это «работа дьявола». Хотя позднее он построил ветряную турбину для подачи аварийного питания в местную больницу, сумасшедший дом и амбулаторию, изобретение так и не завоевало популярность, поскольку эту технологию посчитали экономически нежизнеспособной. Так что следующая ветроэлектростанция появилась в Великобритании только в 1951 году.

Мощность ветрогенератора зависит от размера лопастей и высоты над поверхностью. Поэтому, если первая автоматически управляемая ветряная установка американского изобретателя Чарльза Браша (1888) имела диаметр ротора 17 метров, то рекордный генератор V164 мощностью 9,5 МВт производства датской фирмы Vestas (2014) имеет общую высоту 220 метров, а диаметр круга, ометаемого лопастями, 164 метра.

К недостаткам ветрогенераторов в первую очередь относятся их шум и вибрация почвы, а также дефицит подходящей для установки территории. Поэтому наиболее перспективными местами для их размещения считаются прибрежные зоны. На расстоянии 10—12 км от берега и дальше, где глубина не превышает 30 м, строятся так называемые офшорные ветряные электростанции (от английского offshore — в открытом море, дословно вне берега). Как правило, они образуют целые парки из нескольких десятков генераторов. Для больших глубин разрабатывают плавучие генераторы. Дания, Нидерланды и Германия даже собираются насыпать искусственный остров в Северном море для установки на нём ветрогенераторов.

Надо сказать, что в нашей стране ветряная и солнечная энергетика пока не играют существенной роли. В 2018 году они произвели 0,2 и 0,6 ТВт·ч электроэнергии, что значительно уступает и гидроэнергетике (190 ТВт·ч), и ядерным электростанциям (204 ТВт·ч), и тем более тепловым электростанциям (710 ТВт·ч).

В статье 1890 года неоднократно упоминаются аккумуляторы, в которых запасается электроэнергия. Связано это с двумя факторами. С одной стороны, первые гидроэлектростанции имели малую мощность и аккумуляторы позволяли в течение той части суток, когда электроэнергия не используется, накопить её для последующего применения. С другой стороны, одна из главных проблем использования энергии солнца и ветра — невозможность генерировать электроэнергию постоянно. Аккумуляторы решали и её.

Эти проблемы приходится решать и современным разработчикам энергетических систем. Выработанную электрическую энергию надо потреблять сразу, иначе возникнет проблема — куда её девать? А что делать, если потребление падает, например, ночью, а тепловые и атомные электростанции в отличие от гидроэлектростанций не способны быстро снизить производство энергии?

Основным устройством накопления энергии в мире стали гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), на них приходится 96% общей мощности аккумулирующих установок (на 2017 год — это 327 проектов мощностью 169 ГВт). Принцип их работы основан на том, что в случае избытка электроэнергии установка вместо производства энергии, наоборот, закачивает воду с нижнего уровня на верхний, чтобы потом при необходимости использовать её для вращения генераторов. Несмотря на то что первая подобная установка появилась ещё в 1882 году, активное строительство ГАЭС началось с 1970-х годов, параллельно с распространением атомной энергетики. В нашей стране в 2003 году запущена Загорская ГАЭС (Московская область) мощностью 1,2 ГВт.

Мощность аккумуляторных накопителей в 2016 году составила 3,4 ГВт (из них 41% приходится на литий-ионные батареи) и постепенно растёт, особенно в США. Их преимущество — высокая плотность хранения энергии. По очень оптимистичным оценкам Международного агентства по возобновляемой энергии IRENA, к 2030 году их мощность может вырасти до 250 ГВт.

Ещё два примера из статьи, казалось бы, не связанные с производством электроэнергии, тоже в итоге приводят к ней. Описанный опыт в Париже по использованию солнечной теплоты, в котором лучами солнца нагревался паровой котёл, а полученный пар применялся для приведения в действие машин, стал одной из предтеч современной гелиоэнергетики. В наши дни машины, непосредственно приводимые в движение паром, уже редкость, а вот использование энергии пара для генерации электроэнергии распространено широко.

Сейчас используются солнечные теплоэлектростанции трёх типов, различающихся способом собирания солнечной энергии. В теплоэлектростанциях башенного типа солнечное излучение собирается плоскими зеркалами-гелиостатами в центральном приёмнике-парогенераторе, находящемся на вершине башни. При использовании зеркал в виде длинных лотков, имеющих в разрезе параболическую форму, солнечный свет фокусируется на трубах с теплоносителем. И наконец, можно использовать тарелочное зеркало, похожее на спутниковую антенну, в фокусе которого размещается приёмник солнечной энергии с рабочей жидкостью.

Из зеркал создаются целые поля, где каждое из них ориентируется в пространстве индивидуально, следя за Солнцем. Благодаря этому на вершине башни, например, можно получить температуру до 1500°С и электрическую мощность до 200 МВт. Возможности системы ограничивает то, что эффективность доставки света к башне быстро падает с удалением зеркала от неё. Поэтому обычно размеры поля не делают большими. Это уменьшает вырабатываемую мощность, но увеличивает эффективность.

Так, построенная в 2007 году вблизи Севильи (Испания) первая в мире коммерческая солнечная теплоэлектростанция PS10 (от испанского Planta Solar — солнечный завод) использует 624 больших подвижных зеркала. Площадь каждого — 120 квадратных метров. Они фокусируют солнечный свет на вершине башни высотой 115 метров и диаметром 40 метров, где расположены приёмник и паровая турбина, приводящая в движение электрический генератор. Температура создаваемого пара 275°С, а вырабатываемая мощность — 11 МВт.

Крупнейшая в мере теплоэлектростанция Ivanpah Solar Electric Generating System (пустыня Мохаве, Калифорния, США), построенная в 2014 году, использует 173 500 гелиостатов площадью 14 квадратных метров каждый, фокусирующих солнечную энергию на трёх башнях. Они занимают площадь 1400 гектаров. Общая мощность системы около 400 МВт.

Солнечные теплоэлектростанции параболического типа несколько проще, поскольку находятся в одной плоскости и не требуют общей фокусировки в одну точку. Температура жидкости до 400°С. Таковы, например, установки серии Solnova Solar Power Station мощностью 50 МВт, входящие вместе с PS10 в Solucar Complex. Тарельчатые электростанции отличаются тем, что каждая тарелка может использоваться индивидуально. Однако их размер не превышает 20 метров, поскольку увеличение приводит к деформации зеркала и нарушению фокусировки. Мощность до 25 кВт. С помощью тарелочных зеркал можно создавать бытовые системы мощностью до 3 кВт.

Энергия морских волн использовалась в 1890 году в Оушен-Гров только для закачки воды, однако уже автор статьи предвидит, что её в будущем можно превратить в электрическую. Сейчас подобные установки называются волновыми гидроэлектростанциями (об этом можно прочитать в статье «Вода зажигает свет», «Наука и жизнь» № 2, 2015 г.). На сегодняшний день — это наименее используемый из возобновляемых источников энергии, хотя, по оценкам экспертов, общий потенциал волновой энергетики во всём мире около 2 ТВт.

В настоящее время волновая энергетика находится на этапе разработки, тестирования и изучения её влияния на окружающую среду. Подобные исследования ведутся в Финляндии, Швеции, Норвегии, Великобритании, Австралии, США, Китае и других странах с протяжённой береговой линией. В России работы в этом направлении проводит Уральский федеральный университет. Разработанная там мобильная волновая электростанция даже включена в список ста лучших изобретений России 2016 года. Пока что суммарная ожидаемая мощность волновой энергетики не превышает 20 МВт.

Двадцатый век принёс нам новые силы природы, о которых ещё даже не подозревали в далёком 1890-м году. Это, прежде всего, энергия ядерного распада, которую мы успешно освоили, и термоядерная энергия, которую ещё предстоит «утилизировать», ведь, по мнению большинства экспертов, именно за ней будущее. Кроме того, появились геотермальная, приливная, биотопливная и другие виды энергетики. Так что процесс утилизации сил природы продолжается и будет продолжаться, пока существует наша цивилизация.

Возникновение угля в 19 веке, США

Уголь может легко показаться обыденным для современных глаз — низкокачественный продукт ушедшей эпохи. Тем не менее, этот черный, закопченный, тяжелый камень обеспечил решающую основу для промышленной революции: развития промышленной экономики, основанной на производстве, с конца 18 го века и далее. Подъем угля в современную эпоху был глобальным явлением, всерьез имевшим место в Великобритании в начале -го -го века, в Соединенных Штатах и ​​Германии в начале 19-го века. -й век. С тех пор их примеру последовало большинство других стран, а Китай и Индия стали ведущими мировыми потребителями угля в нынешнем столетии.

Индустриализация, медленный и неравномерный процесс, привела к огромным социальным изменениям, включая рост фабричной работы, переход от сельских ферм к гигантским городам, производство и потребление бесчисленных новых товаров, распространение глобального неравенства и современных империй. .

Уголь был необходимым, но недостаточным условием крупномасштабной индустриализации. Это было необходимо, потому что индустриализация требовала более концентрированных форм энергии, чем те, которые были доступны ранее. Мышцы людей и животных, реки с падающей водой, сжигаемые деревья, ветер, вращающий ветряные мельницы и наполняющий паруса, — эти источники энергии были ограничены в своей локальной доступности и плотности энергии.

Тем не менее многие регионы мира имели доступ к углю и не вели индустриализацию. Уголь не является и никогда не был независимым или достаточным фактором. Люди делали выбор и должны были решать, использовать ли уголь и как использовать его. Среди сторонников (и противников) были известные капиталисты-предприниматели, правительственные чиновники и операторы фабрик, а также реже считавшиеся домовладельцами, рабочими, журналистами, учеными и писателями.

Наиболее заметным использованием угля в Соединенных Штатах было производство чугуна, паровых двигателей и железных дорог. Американцы изготовили железо раньше, чем уголь, используя древесный уголь — древесину, сжигаемую в отсутствие кислорода. Но для древесного угля требовалось много древесины, и это ограничивало его общий запас. С углем производство железа могло бы значительно расшириться, что привело бы к развитию других отраслей, которые, в свою очередь, использовали больше угля, таких как паровые двигатели.

Паровые двигатели, сделанные из железа или стали, стали новым и гибким источником энергии для растущих фабрик. Раньше фабрики полагались на падающую воду для получения энергии, но рек было очень много, и зимой они часто замерзали. Паровые двигатели позволяли промышленному производству расти независимо от местных источников энергии. Часто это означало скопление в городах. И, сочетая паровые двигатели с тысячами миль железных путей, железная дорога представляла собой квинтэссенцию образа индустриализирующейся нации. «Железный конь» пересекал континент, доставлял людей и товары на высоких скоростях, невзирая на дождь, снег или грязь, и создавал финансовые состояния для немногих счастливчиков. Одни американцы говорили об уничтожении времени и пространства железными дорогами, другие оплакивали власть железнодорожных магнатов взимать высокие тарифы, некоторые гибли в огненных авариях, а третьи изо всех сил пытались приспособиться к дезориентирующему изменению темпа движения железных дорог.0009

Железные дороги и паровые двигатели, возможно, были «большой технологией» девятнадцатого века, но большое значение имело и более скромное использование угля: его потребление в домах. Фактически, до того, как железные дороги получили широкое распространение и когда работало лишь несколько паровых двигателей, тысячи городских домовладельцев использовали уголь для обогрева своих домов и приготовления пищи. Это дало торговцам углем важный ранний рынок до промышленных потребителей. Принятие угля в доме означало больше, чем просто замена угля на древесину. Часто это означало покупку новой печи, дорогостоящее предложение, которое изменило внешний вид дома. Это изменение в домашнем хозяйстве имело неодинаковые последствия для мужчин и женщин. Рубка, колка, укладка и перевозка дров часто выполнялись мужчинами, в то время как чистка дров, а затем и угольных печей ложилась на женщин. Женщины также обычно отвечали за очистку от сажи от угольных пожаров. Меньше работы для мужчин может означать больше работы для женщин. Дома выглядели по-другому, пахли по-другому и требовали другого разделения труда, когда их владельцы перешли на уголь.

Наконец, уголь нашел применение в бесчисленных отраслях промышленности, которые способствовали росту экономики. Текстильные фабрики могли бы использовать паровые двигатели для увеличения выпуска продукции; строительные проекты могли бы использовать более дешевые железные прутья, гвозди и шурупы; и совершенно новые отрасли промышленности (например, изготовление печей для домовладельцев для сжигания угля) стали возможными благодаря дешевому и обильному углю. Будь то производство продукта, отправка его на рынок или строительство здания, уголь играл все более важную роль в его реализации.

Чарльз Кист Сравнивает Цинциннати и Питтсбург в 1841 году.

Автор Чарльз Кист отметил в 1841 году, как уголь превратил Питтсбург в «густое облако тьмы и дыма» с лязгающими цепями и «сотрясающими и скрежещущими» механизмами. Копоть снежинками посыпалась на жителей Питтсбурга. Кист предсказал, что Цинциннати, который все еще питался в основном водой и дровами, также скоро полностью перейдет на уголь.

Как Cist сравнивает Цинциннати с «идеальным ульем» Питтсбурга?

Ральф Уолдо Эмерсон о паре и угле, 1860 г.

В 1860 г. американский писатель Ральф Уолдо Эмерсон опубликовал «Поведение жизни» — широко читаемый сборник эссе на такие темы, как красота, власть, культура и богатство. Размышления Эмерсона включали комментарии о силе пара и угля, а также о том, как люди использовали эти инструменты для преобразования мира природы и общества.

Как Эмерсон видит роль технологий и изобретений в создании богатства?

Что имеет в виду Эмерсон, когда называет уголь «переносным климатом»?

У. Стэнли Джевонс, «Угольный вопрос», 1865 г.

В его книге 1865 г. «Угольный вопрос; Исследование, касающееся прогресса нации и вероятного истощения наших угольных шахт», британский экономист Уильям Стэнли Джевонс предупредил, что Великобритания истощит запасы угля, которые подпитывали ее рост и процветание. Он утверждал, что повышение эффективности потребления не снизит спрос на энергию, а, скорее, подстегнет ее более широкое использование и приведет к дальнейшему истощению запасов.

Уильям Дин Хауэллс описывает паровой двигатель Corliss, Выставка столетия Америки, 1876 г. Бразилия. Двигатель мощностью 1400 лошадиных сил приводил в действие все остальные механические устройства, выставленные в большом машинном зале. Более ранние версии двигателя, конструкцию которого Джордж Корлисс запатентовал в 1849 году.
, помогли сделать возможным переход от энергии воды к пару благодаря большей эффективности использования топлива, равномерному движению и способности справляться с изменениями нагрузки.

Шахтеры, работающие в шахте, 1908 г. (галерея)

Шахтеры много часов работали в шахте, часто перемещаясь на элеваторе глубоко под землей, чтобы добыть уголь из угольного пласта. В девятнадцатом веке горняки работали в основном вручную наряду с животным трудом. По мере появления новых технологий подземная добыча все больше зависела от тяжелой техники.

Stonega Coal Mines and Company Camp, 1915-1930 (галерея)

Города компании, такие как угольный лагерь Stonega недалеко от города Аппалачи, штат Вирджиния , включали шахту и связанные с ней горнодобывающие предприятия, а также дома, склад (компания магазин) и развлекательный зал. Все принадлежало компании. Города компаний удваивались как способ привлечения и поддержки рабочих, а также как средство подчинения сотрудников и их семей контролю компании.

Угольные месторождения континентальной части США

Где расположены основные угольные месторождения в США?

Как география добычи угля могла повлиять на подъем угледобывающей промышленности – ее экономику, культуру и политику?

Распространение энергии пара

Паровые двигатели нашли широкое применение в самых разных отраслях, в первую очередь в горнодобывающей промышленности и на транспорте, но их популяризация повлияла почти на все аспекты индустриального общества, в том числе на то, где люди могли жить, работать и путешествовать; как товары были произведены, проданы и проданы; и какие технологические инновации последовали.

Цель обучения

Приведите примеры отраслей промышленности, работающих на пару

Ключевые моменты

  • Паровой двигатель был одной из наиболее важных технологий промышленной революции, вдохновившей другие инновации и инициировавшей дальнейший технологический прогресс. В 1775 году Джеймс Уатт сформировал партнерство по двигателестроению и инженерии с производителем Мэтью Бултоном. Это служило своего рода творческим техническим центром для большей части британской экономики. Они поддерживали таланты и другие компании, создавая культуру, в которой фирмы часто делились информацией, которую они могли использовать для создания новых технологий или продуктов.
  • От шахт до мельниц паровые двигатели нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. Внедрение паровых двигателей повысило производительность и технологии и позволило создать двигатели меньшего размера и лучшего качества. Примерно в начале 19 века инженер из Корнуолла Ричард Тревитик и американец Оливер Эванс начали строить паровые двигатели без конденсации более высокого давления, выбрасывающие воздух в атмосферу. После разработки Тревитика стало возможным транспортное применение, и паровые двигатели нашли свое применение в лодках, железных дорогах, фермах и автомобильных транспортных средствах.
  • Первоначально паровая машина была изобретена и усовершенствована для использования в шахтах. Внедрение парового насоса Савери в 1698 году и паровой машины Ньюкомена в 1712 году значительно облегчило удаление воды и позволило сделать шахты глубже, что позволило добывать больше угля. Внедрение усовершенствований Джона Смитона в двигатель Ньюкомена, за которым последовали более эффективные паровые двигатели Джеймса Уатта 1770-х годов, снизило затраты на топливо для двигателей, сделав шахты более прибыльными.
  • Паровозы были изобретены после появления паровых двигателей высокого давления, когда в 1800 году истек срок действия патента Боултона и Ватта. Железные дороги общего пользования с паровой тягой начались со Стоктонской и Дарлингтонской железной дороги в 1825 году. Использование паровых двигателей на железных дорогах оказалось экстраординарным из-за большого количества товаров и сырья теперь можно было доставлять как в города, так и на фабрики за небольшую часть стоимости поездки на фургоне.
  • После появления парохода в Соединенных Штатах наблюдался невероятный рост перевозок товаров и людей, что сыграло ключевую роль в экспансии на запад. Пароход резко сократил время, затрачиваемое на перевозку товаров, и позволил повысить специализацию. Пароход также имел решающее значение для облегчения внутренней работорговли. С появлением парохода возникла необходимость в улучшении речной системы и инфраструктуры вдоль рек.
  • Паровые двигатели являются особенно наглядным примером того, как изменения, вызванные индустриализацией, привели к еще большим изменениям в других областях. В то время как многие считают потенциал увеличения выработки электроэнергии доминирующим преимуществом, другие отдают предпочтение потенциалу агломерации. Паровые двигатели позволили легко работать, жить, производить, продавать, специализироваться и расширяться, не беспокоясь о менее обильном присутствии водных путей.

Основные термины

Бултон и Ватт
Одна из первых британских инженерно-производственных фирм, занимающихся проектированием и производством морских и стационарных паровых двигателей.
Основанная в 1775 году в английском Уэст-Мидлендсе, недалеко от Бирмингема, в результате партнерства между английским промышленником Мэтью Боултоном и шотландским инженером Джеймсом Ваттом, фирма сыграла важную роль в промышленной революции и стала крупным производителем паровых двигателей в 19 веке. .
балочный двигатель
Тип паровой машины, в которой поворотная верхняя балка используется для приложения силы от вертикального поршня к вертикальному шатуну. Эта конфигурация с двигателем, непосредственно приводящим в действие насос, была впервые использована Томасом Ньюкоменом примерно в 1705 году для удаления воды из шахт в Корнуолле.
паровая машина
Тепловая машина, выполняющая механическую работу с использованием пара в качестве рабочего тела.

 

 

Паровой двигатель был одной из самых важных технологий промышленной революции, хотя пар не заменял гидроэнергию в Великобритании до окончания промышленной революции.

От первого практического двигателя атмосферного давления англичанина Томаса Савери (1698) и атмосферный двигатель Томаса Ньюкомена (1712 г.) благодаря крупным разработкам шотландского изобретателя и инженера-механика Джеймса Уатта паровой двигатель стал использоваться во многих промышленных условиях. В 1775 году Уатт вместе с фабрикантом Мэтью Боултоном сформировал партнерство в области машиностроения и инженерии, которое стало одним из самых важных предприятий промышленной революции и послужило творческим техническим центром для большей части британской экономики. Партнеры решали технические проблемы и распространяли решения среди других компаний. Подобные фирмы делали то же самое в других отраслях промышленности и были особенно важны в станкостроении. Такое взаимодействие между компаниями сократило количество времени и затрат на исследования, которые каждый бизнес должен был тратить на работу со своими собственными ресурсами. Технологические достижения промышленной революции происходили быстрее, потому что фирмы часто делились информацией, которую они могли использовать для создания новых технологий или продуктов.

Вращательный двигатель Ватта в музее Генри Форда В музее Генри Форда в Дирборне, штат Мичиган, хранится вращающийся двигатель Ватта, изготовленный в 1788 году Чарльзом Саммерфилдом. Это полноценный работающий двигатель Боултона-Ватта. Американский промышленник Генри Форд перевез двигатель в Дирборн примерно в 1930 году.

Паровые двигатели нашли широкое применение в самых разных отраслях: от шахт до мельниц. Внедрение паровых двигателей повысило производительность и технологии и позволило создать двигатели меньшего размера и лучшего качества. Примерно до 1800 года наиболее распространенным типом паровой машины была балочная машина, построенная как неотъемлемая часть каменного или кирпичного машинного отделения, но вскоре появились различные модели автономных вращающихся двигателей (легко снимаемых, но не на колесах). разработаны, например, табличный движок. Примерно в начале 1920 века корнуоллский инженер Ричард Тревитик и американец Оливер Эванс начали конструировать неконденсирующиеся паровые машины высокого давления, работающие против атмосферы. После разработки Тревитика стало возможным транспортное применение, и паровые двигатели нашли свое применение в лодках, железных дорогах, фермах и автомобильных транспортных средствах.

Паровая машина изначально была изобретена и усовершенствована для использования в шахтах. До появления паровой машины неглубокие колокольные ямы следовали за пластом угля вдоль поверхности и были заброшены по мере добычи угля. В других случаях, если геология была благоприятной, уголь добывали штреком, забитым в склон холма. На некоторых участках велась шахтная добыча, но сдерживающим фактором была проблема удаления воды. Это можно было сделать, таща ведра с водой вверх по шахте или в туннель, пробитый в холме. В любом случае воду нужно было сливать в ручей или канаву на таком уровне, чтобы она могла утекать под действием силы тяжести. Внедрение парового насоса Савери в 169 г.8 и паровая машина Ньюкомена в 1712 году значительно облегчили удаление воды и позволили сделать шахты глубже, что позволило добывать больше угля. Эти разработки начались до промышленной революции, но внедрение усовершенствований Джона Смитона в двигатель Ньюкомена, за которым последовали более эффективные паровые двигатели Джеймса Уатта 1770-х годов, снизило затраты на топливо для двигателей, сделав шахты более прибыльными.

В начале промышленной революции внутренний транспорт осуществлялся по судоходным рекам и дорогам, а каботажные суда использовались для перевозки тяжелых грузов по морю. Вагоны использовались для транспортировки угля в реки для дальнейшей отправки, но каналы еще не были широко построены. Животные обеспечивали всю движущую силу на суше, а паруса обеспечивали движущую силу на море. Первые конные железные дороги появились в конце 18 века, а паровозы появились в первые десятилетия 19 века.век. Паровозы были изобретены после появления паровых двигателей высокого давления, когда в 1800 году истек срок действия патента Боултона и Уатта. Двигатели высокого давления выбрасывали использованный пар в атмосферу, избавляясь от конденсатора и охлаждающей воды. Некоторые из этих первых локомотивов использовались в шахтах. Железные дороги общего пользования с паровой тягой начались со Стоктонской и Дарлингтонской железной дороги в 1825 году. Использование паровых двигателей на железных дорогах оказалось экстраординарным, поскольку теперь можно было доставлять большое количество товаров и сырья как в города, так и на фабрики. Поезда могли бы доставлять их в отдаленные места за небольшую часть стоимости поездки на фургоне.

В частности, в Соединенных Штатах появление и развитие парохода привело к огромным изменениям. До появления парохода реки обычно использовались только для перевозки товаров с востока на запад и с севера на юг, поскольку бороться с течением было очень сложно, а часто и невозможно. Лодки и плоты без двигателя собирались вверх по течению для перевозки грузов вниз по течению, и их часто разбирали в конце пути, а остатки использовали для строительства домов и коммерческих зданий. После появления парохода в США наблюдался невероятный рост перевозок товаров и людей, что сыграло ключевую роль в экспансии на запад. Пароход резко сократил время, затрачиваемое на перевозку товаров, и позволил повысить специализацию. Это также было важно для облегчения внутренней работорговли.

С появлением парохода возникла необходимость в улучшении речной системы. Естественная речная система создала такие препятствия, как пороги, песчаные отмели, мелководье и водопады. Для преодоления этих естественных препятствий была построена сеть каналов, шлюзов и дамб. Это увеличило спрос на рабочую силу вдоль рек, что привело к огромному росту рабочих мест. Популяризация пароходов также напрямую привела к росту угольной и страховой промышленности и спросу на ремонтные сооружения вдоль рек. Кроме того, спрос на товары в целом увеличился, поскольку пароход сделал перевозки в новые пункты назначения как широкими, так и эффективными.

1920 г. Пароход на реке Юкон возле Уайтхорса, Коллекция Фрэнка Г. Карпентера, Библиотека Конгресса США.

До появления парохода путь из Нового Орлеана в Луисвилл мог занять от трех до четырех месяцев со средней скоростью двадцать миль в день. С пароходом это время резко сократилось, а количество рейсов составляло от двадцати пяти до тридцати пяти дней. Это было особенно выгодно фермерам, поскольку теперь их урожай можно было перевозить в другое место для продажи.

 

Паровые двигатели являются особенно наглядным примером того, как изменения, вызванные индустриализацией, привели к еще большим изменениям в других областях. Энергия воды, предшествующий источник энергии в мире, продолжала оставаться важным источником даже в период пика популярности паровых двигателей. Однако паровая машина дала много новых преимуществ. В то время как многие считают потенциал увеличения выработки электроэнергии основным преимуществом (при средней мощности паровых мельниц, производящих в четыре раза больше мощности, чем водяные мельницы), другие отдают предпочтение потенциалу агломерации. Паровые двигатели позволили легко работать, жить, производить, продавать, специализироваться и расширяться, не беспокоясь о менее обильном присутствии водных путей. Города и поселки теперь строились вокруг заводов, где паровые машины служили основой для средств к существованию многих горожан. Благодаря содействию агломерации отдельных лиц были созданы успешные местные рынки. Города быстро росли, и качество жизни в конечном итоге повышалось по мере создания инфраструктуры. Можно было производить более качественные товары, поскольку приобретение материалов стало менее сложным и дорогим. Прямая местная конкуренция привела к более высокой степени специализации, а труд и капитал были в изобилии. Города с паровой тягой способствовали росту как на местном, так и на национальном уровне.

Атрибуция

  • Распространение силы пара
    • «Паровая машина Уатта». https://en.wikipedia.org/wiki/Watt_steam_engine. Википедия CC BY-SA 3.0.

    • «Балочный двигатель». https://en.wikipedia.org/wiki/Beam_engine. Википедия CC BY-SA 3.0.

    • «Паровая энергия во время промышленной революции». https://en.wikipedia.