Второй технологический уклад

Технологическое развитие в период перехода ко второму ТУ

Первый технологический уклад показал человечеству, что после разделения труда простейшие действия можно механизировать полностью, тем самым значительно повысить производительность. Фабрик становилось все больше, люди использовались только как вспомогательные силы, обслуживавшие механизированные станки. Станки все росли в размерах и сложности, и если первые возможно было приводить в движение мускульной силой человека, то на последующих уже работали более выносливые животные. Тем не менее единственным мощным источником двигательной энергии на тот момент была вода. Все крупные фабрики располагались на реках. Сложные, тяжелые машины, стоящие на данных фабриках, приводились в движение от водяного колеса. Да, это не такой плохой источник двигательной энергии, но у него есть существенный недостаток. Фабрики нужно было располагать исключительно вблизи рек, причем далеко не каждая река подходила. То есть для дальнейшего развития человечеству был необходим источник двигательной энергии, независимый от географического местоположения ближайших рек.

Теоретическое описание машин, действующих за счет нагревания воды, было описано еще Героном Александрийским, греческим математиком и философом, жившим предположительно во второй половине I в.

Первую паровую турбину создал Такиюддин Мухаммад ибн Мару-фаш-Шами аль-Асади в XVI в. Это был османский ученый – астроном, механик, математик.

Фактически это были теоретические описания процессов и подтверждающие их модели, но они не были востребованы как по соображениям эффективности, так и из-за отсутствия мест реального применения.

Только в XVII в. вместе с модой на научные изобретения и вновь поднявшимся уровнем технологического развития изобретатели начали экспериментировать над двигательными установками.

Первая действующая паровая машина была установлена на стене замка и поднимала на нее воду. Это был практически экспериментальный образец с полезным применением. Созданный в 1663 г. и установленный на замке Реглан Эдвардом Сомерсетом паровой насос не нашел инвесторов и, как следствие, не получил распространения.

Следующим изобретателем, значительно продвинувшим идею трансформации тепловой энергии с помощью нагревания воды в двигательную энергию, был Дени Папен. В 1680 г. он экспериментировал с вакуумом в закрытом цилиндре. Первая его машина была одноразового действия, после рабочего цикла ее необходимо было разобирать, снова собирать, и только потом она повторяла рабочий ход. Он же впоследствии и предложил способ непрерывного действия паровой машины, для этого было необходимо, чтобы пар был произведен не в цилиндре, а отдельно от него. То есть он первым описал паровой котел и считается его изобретателем, но действующую паровую машину непрерывного цикла он так и не предложил. Основной ошибкой Папена в его последней попытке создания действующей машины для движения судна было то, что он полностью охлаждал цилиндр с небольшим количеством воды и из-за образующегося вакуума поршень двигался вниз, тем самым совершая рабочий ход. Машина была очень неэффективна, опасна, при ее испытаниях погибли люди, и власти запретили дальнейшие эксперименты Папена.

Первым действительно применявшимся паровым двигателем, был паровой насос «пожарная установка» Томаса Севери. Она была сконструирована в 1698 г., на нее был получен патент. В связи с тем что этот паровой насос мог быть использован для откачки воды в шахтах он получил в название «друг рудокопа».

Следом за Папеном и Севери занялся паровыми машинами англичанин Томас Ньюкомен. Базой для его изобретения была проработка всех идей предшественников, анализ их слабых мест и их устранение. Более того, Ньюкомен был кузнецом, т. е. имел большой опыт работы с металлом и прочими материалами. Он лишил машину Томаса Севери одного из главных недостатков. В его машине использовалось более низкое давление пара. Существенно повысилась безопасность использования. Началось применение его паровых машин на шахтах для откачки воды. Это была первая машина, получившая широкое применение. Но несмотря на широкое распространение, это был еще не финал истории. Существовал серьезный недостаток, существенно ограничивавший сферу применения данной паровой установки в основном для откачки воды из угольных шахт. Низкий КПД машины позволял ее эффективно использовать только там, где уголь был в легкой доступности. Поэтому, несмотря на кажущуюся универсальность, этот двигатель все еще нельзя было считать законченным и готовым для широкого использования повсеместно вдали от угольных шахт.

1784 г. Английский механик Джеймс Уатт, так же как и Томас Ньюкомен, начал с досконального изучения трудов его предшественников. Основным недостатком, по его мнению, была разница температур между паром и цилиндром, существенно потреблявшая тепловую энергию и тем самым снижавшая коэффициент полезного действия. Джеймс Уатт внедрил в свою установку конденсатор. Таким образом, охлаждение пара происходило не за счет охлаждения массивного цилиндра, а в отдельном устройстве. Это экономило массу тепловой энергии и позволяло держать цилиндр постоянно нагретым. Более того, если раньше в машине только движение поршня вверх или вниз было рабочим, то Джеймс Уатт стал запускать пар попеременно сверху и снизу поршня, тем самым производя рабочий ход при каждом движении поршня.

Совокупно его модификации паровой машины существенно подняли КПД, расширив экономически обоснованное применение паровых машина далеко за пределы угольных шахт.

Паровые машины начали распространяться на многих производствах, более того, возросший КПД позволил эффективно использовать их на кораблях, появились первые пароходы. Человечество сильно снизило свою зависимость в свободе передвижения от природы.