Источники энергии - история и современность

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НОВОЧЕРКАСКИЙМЕХАНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ ИМ. А.Д. ЦЮРУПЫ»
РЕФЕРАТ
на тему:
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ — ИСТОРИЯ И СОВРЕМЕННОСТЬ
Выполнил
Студент 1 курса гр ЭМ-1-1
Аннотация
Целью этой работы являетсяизучение всех источников энергии, которыми пользовался человек на протяжениисвоего исторического развития — от Каменного века до двадцатого.
С развитием человеческойцивилизации совершенствовались и источники энергии, применяемые человеком. ВКаменном веке таковыми являлись огонь и лук, а в ХХ веке появились атомныйреактор, установки управляемого термоядерного синтеза, магнитогидродинамическийгенератор.
Создание новых источниковэнергии (и совершенствование старых) шло сложными путями. В Древнем мире этопроисходило либо за счёт стараний немногих гениальных людей, либо в результатенаблюдений многих поколений. В Средние века деятельность многих людей быланаправлена по ложному пути. Этим путём был поиск «perpetuum mobile» — вечного движения, что свидетельствует осильном упадке науки. В тот период человеческой истории, называемый Новымвременем, источники энергии создавались людьми, более осведомлёнными в науке итехнике, чем те, кто строил «вечный» двигатель и искал «философскийкамень». В ХХ веке работу над новыми источниками энергии вели целыенаучно-исследовательские институты и производственные объединения.
Автор считает, что его работасможет убедить читателей в том, что не только уровень развития человеческойцивилизации влияет на применяемые ею источники энергии, но и сами источникиэнергии могут изменить ход человеческой истории. В работе эти источники энергиибудут мною особо отмечены.
Автор думает, что его работасумеет заинтересовать большое количество людей и может быть использована вкачестве информационного пособия по выбранной автором теме.

Содержание
Аннотация
Введение
1. Источники энергии древнего мира
1.1 Огонь и способы его добывания
1.2 Применение энергии волокон, дерева, сухожилий (лук,метательные машины античности)
1.3 Водяное колесо
1.4 Паровая турбина Герона — любопытная игрушка Древнего мира
1.5 Энергия химических соединений (энергия пороха)
2. От раннего средневековья до ХХ века
2.1 «Perpetuum mobile» — неосуществимая мачта средневековья
2.2 От водяного колеса до гидротурбины
2.3 Тепловые двигатели
2.3.1 Теория тепловых двигателей
2.4 Паровые двигатели
2.4.1 Модель Папена
2.4.2 Паровой насос Сэвери
2.4.3 Паровая машина Ньюкомена
2.4.4 Паровая машина Ползунова
2.4.5 Паровая машина Уатта
2.4.6 Паровая турбина
2.5 Двигатели внутреннего сгорания
2.5.1 Цикл Карно
2.5.2 «Идеальный двигатель» Рудольфа Дизеля
2.5.3 Газовая турбина
2.5.4 Реактивные двигатели
3. Электричество
3.1 Электрогенератор
3.2 Электродвигатель
3.3 Химические источники тока
3.4 Аккумулятор
4. ХХ век
4.1 Атомная энергия
4.2 Атомный реактор
4.3 Атомная оружие
4.4 Энергия термоядерного синтеза
4.4.1 Установки управляемого термоядерного синтеза (УТС)
4.4.2 Мюонный катализ
4.4.3 Термоядерное оружие
4.5 МГД — генератор
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Целью моей работы повыбранной теме является изучение всех источников энергии, применявшихся в тотили иной период человеческой истории.
Основной задачей припроведении работы являлась переработка большого объёма информации, полученныхмною из разных источников: научно-популярных статей, книг, энциклопедий (списокиспользованных источников информации приведён в конце работы), и объединениеэтой информации в единое целое. Я считаю, что эта задача была решена, и итогомрешения этой задачи является эта работа.
Я считаю, что моя работаочень актуальна в настоящий момент времени, когда подходят к концу топливныересурсы нашей планеты. С помощью моей работы можно проанализировать, какиеэнергоресурсы использовало человечество на каком-либо этапе своего развития, ииз этого сделать вывод, какие источники энергии наиболее перспективны. Перспективностьюв настоящий момент я считаю не дешевизну самого источника энергии (двигателя,генератора), а доступность и большие запасы топлива для этого источника энергии.Таковыми в настоящий момент являются установки управляемого термоядерногосинтеза (УТС), водяные турбины, многие так называемые альтернативные источникиэнергии. К ним можно отнести и атомные реакторы на быстрых нейтронах. Хотятопливо для них получается дорогим способом, однако эти реакторы могут самипроизводить топливо для своей работы.
Своё исследование я построилследующим образом: я распределил все источники энергии в хронологическомпорядке, сгруппировав их в три больших временных периода: Древний мир, отСредневековья до ХХ века, ХХ век. Такое разделение отражено в оглавлении моейработы. После этого я составил описание к каждому источнику энергии, добавивтакже значение этого источника в истории человечества, а для некоторых (альтернативныеисточники энергии, гидротурбины, установки УТС и др.) — и перспективы ихразвития.
На этом я заканчиваю этосвоеобразное предисловие и приступаю к представлению самой работы.
Человечество с самого своегопоявления пользуется источниками энергии. Сначала они были весьма примитивными.Таковыми были, например, огонь или лук. Но с ходом развития человеческойцивилизации усложнялись и источники энергии, используемые им, а такжеоткрывались или изобретались новые источники. И вот, в ХХ веке, человекнаучился использовать энергию атомного ядра и термоядерного синтеза, построилМГД [1] — генератор.
Открытие новых источниковэнергии шло сложными путями. На начальном этапе развития человечеств открытиечего — либо нового происходило либо по счастливой случайности, либо благодарягениальному учёному (как, например, Герон или Архимед), либо это открытиесовершалось на протяжении значительного периода времени (поиск способовдобывания огня).
В Средние века, во времяупадка науки, открытия совершались лишь благодаря немногим действительнообразованным людям (а не алхимикам и другим лжеучёным), но из-за огромнойвласти христианской церкви им, в лучшем случае, приходилось отказываться отсвоих убеждений, в худшем — они попадали на костёр инквизиции. Такие «научныеизыскания», как поиск «perpetuum mobile»,свидетельствуют о сильном упадке многих наук, о незнании основных законовприроды.
В тот период мировой истории,называемый Ренессансом, а также в более позднее время (период Новой истории),многие люди вплотную начали заниматься наукой и техникой, в том числе — постройкой различных машин. С этого времени и начался поиск универсальногодвигателя, способного заменить уже используемые (водяное колесо). Этот поискшёл с переменным успехом и вёлся совершенно разными людьми. Эти изобретатели (каки их изобретения) были различны; многие из них стали изобретателями благодарявеликим учёным или из-за того, что их просто заинтересовала важная и интереснаяпроблема — постройка двигателей. Например, изобретатель парового котла иконструктор первых моделей двигателя внутреннего сгорания и паровой машины ДениПапен был в своё время врачом, но увлёкся этой областью техники лишь благодарявстречам с Христианом Гюйгенсом. Изобретатель четырёхтактного ДВС[2] АвгустОтто когда-то был конторщиком, приказчиком, бухгалтером. Такая скучная и бесперспективнаяжизнь заставила его искать новый путь к успеху — и он занялся постройкой новогодвигателя.
С течением времени двигатели(и другие источники энергии) перестали быть уродливыми, примитивными и, какчасто бывало, неработоспособными конструкциями механиков-самоучек. В этойобласти техники всё сильнее и сильнее начала проявлять себя наука, и новыедвигатели конструировались на основе уже изученных принципов и сложныхматематических расчётов (дизель-мотор, паровая турбина).
В ХХ веке эта область техники(постройка двигателей и других источников энергии) перестала существоватьотдельно от науки. Стали иметь место такие случаи, когда между открытием новыхсвойств какого-либо материала и постройкой источника энергии, использующего этисвойства, проходило очень мало времени (например: открытие радиоактивности ипостройка ядерного реактора).
Конструированием новыхисточников энергии теперь занимались не отдельные выдающиеся личности, а целыегруппы учёных, исследовательские институты, конструкторские бюро ипроизводственные объединения.
Именно ими были созданы такиесложные и оригинальные конструкции, как ТОКАМАК, МГД — генератор, установкилазерного термоядерного синтеза, многие так называемые альтернативные источникиэнергии.
Мы живём на пороге тоговремени, когда многие энергетические ресурсы (нефть, природный газ, каменныйуголь) будут на грани исчерпания. Казалось бы, нас ждёт «энергетическийголод». Но благодаря упорным трудам учёных скоро мы будем обеспеченыдешёвой энергией на тысячи лет вперёд. Я говорю о постройке первых промышленныхустановок, осуществляющих управляемый термоядерный синтез, а вслед за ними — ипостройке ТЯЭС — термоядерных электростанций. Топливо для этих установок находитсяпрактически повсюду, а на планете запасы этого топлива огромны. Пуск этих установокуже близок.
В ожидании вышеупомянутогопуска автор реферата предлагает Вам обзор и описание (конструкция, принципдействия) всех (или почти всех) источников энергии, которые когда-либо былиоткрыты, построены и применены человеком. Обзор идёт в хронологическом порядке,а источники энергии сгруппированы по принципу их принадлежности к той или инойобласти физики (термодинамика, электричество, ядерная физика). Отдельную главузанимают «вечные двигатели», которые, хотя и не относятся к выбраннойавтором теме, упомянуты здесь ради ознакомления. В реферате есть главы, в которыхпомещены описания машин, которые, по сути, не производят энергию из чего-либо,а только преобразуют её. Такими машинами являются электрогенератор иэлектродвигатель. Они помещены в данный реферат потому, что без них невозможнопредставить современную промышленность и быт человека. Эти конструкции сыгралив истории человека не менее важную роль, чем, в своё время, изобретение Уаттомпаровой машины, совершившей промышленный переворот, и создание совершенного ДВС.
Итак, обзор начинается согня, которым пользовались наши далёкие предки, и заканчивается описаниемустановок управляемого термоядерного синтеза, которыми будут пользоваться нашипотомки.
1. Источники энергии древнего мира1.1 Огонь и способы его добывания
Люди рано открыли полезныесвойства огня — его способность освещать и согревать, изменять к лучшемурастительную и животную пищу. Неизвестно, кто и когда сумел преодолеть животныйстрах перед огнём и принёс его в своё жилище.
Первым источником огня длячеловека был «дикий огонь», возникавший от удара молнии или лавывулкана.
С того момента, как человекнаучился пользоваться огнём, он стал основой его хозяйства и постояннымспутником. В древние времена огонь был незаменимым источником тепла, света,средством для приготовления пищи, орудием охоты.
Однако и дальнейшиезавоевания культуры и технологии (керамика, металлургия, сталеварение, тепловыедвигатели и т.п.) обязаны комплексному использованию огня и изучению егосвойств.
Долгие тысячелетия человекподдерживал огонь в своём жилище, так как он ещё не умел его добывать.
Открытие способов добыванияогня произошло не сразу, а в ходе наблюдений многих поколений. Возможно, чтооткрытие этих способов произошло, как это часто бывает, случайно.
Одной из таких случайностейбыла сверловка древесины. Древний человек пользовался либо каменными (кремневыми)свёрлами, либо свёрлами из более твёрдых пород дерева. Во время этой операциипроисходило нагревание древесины и в благоприятных условиях могло произойтивоспламенение. Обратив на это внимание, люди стали широко пользоваться трениемдля добывания огня. Простейший способ состоял в том, что брались две палочки, водной из которых делали лунку. Эта палочка помещали на землю и прижимали. Вторуювставляли в лунку и начинали быстро вращать, в то же время с силой давя напалочку. Процесс этот был достаточно долог и утомителен, поэтому человекпытался его ускорить: использовал смолистую древесину, добавлял в лункулегкозагорающиеся материалы (сухую траву), использовал лук для вращения.
Человек и сейчас так илииначе использует трение для добывания огня (спички и пр).
Другим способом былодобывание огня с помощью искры. Возможно, человек придумал этот способ, когда,бродя в темноте, он случайно зацепился за камни, лежащие у него под ногами, теударились, высекли искру, а та попала в сухую траву или листья. Этот способтребовал от человека терпения и удачливости, так как искру можно было либовысечь сразу, либо её могло не быть совсем. Для большей успешности этогоспособа человек также применял различные усовершенствования: выбирал,согласуясь со своим опытом, только определённые камни, покрывал их серой.
Объединение этих двухспособов нашло применение в кремневых зажигалках.
/>
Давайте попробуем определить,какую энергию тратил человек при добывании огня с помощью трения.
Из второго закона Ньютона:
Fтр = k (mg + F),

где k — коэффициенттрения, F — сила, с которой давит человек.
Пусть А = Q,тогда А = cm’ (tвоспл. — t0), где с — теплоёмкость дерева, m’ — масса нагревающейся части.
В свою очередь, А = 3,14RNFтр, где R — радиус вращаемой части, N — число оборотов.
Тогда 3,14RNk (mg + F) = cm’ (tвоспл. — t0). В данном уравнении все величины могут бытьопределены, кроме N. Подставляя известные величины, можно определить эточисло оборотов, и, хотя бы приблизительно, предположить, сколько времениприходилось тратить человеку при добывании огня этим способом.1.2 Применение энергии волокон, дерева, сухожилий (лук,метательные машины античности)
Лук был одним из первыхизобретений человека разумного. Это оружие создано так давно, что не известнадата изобретения и имя изобретателя. Возможно, идея изобретения возникла присгибании упругих веток деревьев, но следует отметить, что лук не былизобретением одного человека, а, скорее всего, являлся результатом наблюденийнескольких поколений.
Лук позволял преобразоватьпотенциальную энергию тетивы в кинетическую энергию стрелы таким образом, чтострела, выпущенная из лука, летела намного дальше, чем стрела, брошенная рукойчеловека (вообще, стрела появилась раньше лука и применялась как метательное оружие).
Луку было найдено и другоеприменение. Есть свидетельства, что с его помощью приводился примитивныйсверлильный механизм древнего человека; имеется изображение Древнеегипетскоготокарного станка, в котором обрабатываемая деталь приводилась во вращениепосредством лука.
Метательные качества луказависели от свойств тетивы и самого лука (упругости и прочности). Чем лучшебыли выше эти свойства, тем лучше был лук. В более позднем времени сталипоявляться так называемые сложные луки, которые усиливались различныминакладками из кости или рога.
Метательных машин античности,использовавших силу упругости волокон, сухожилий и дерева, было созданодостаточно много, но ни одно из них не сохранилось в целости и сохранности. Этимашины подразделялись на две разновидности: для метания стрел «прямойнаводкой», выглядевшие как луки, снабжённые механизмами для натягивания испуска тетивы. К ним относились всевозможные конструкции станковых арбалетов ибаллист (греч. «балло» — бросаю). Второй разновидностью были машины,метавшие снаряды по навесной траектории — катапульты и камнемёты.
Особого развития метательныемашины, а особенно станковые арбалеты, достигли в Древнем Китае. С помощьюэтого оружия китайцы оборонялись от кочевников и сумели сдержать первый натискмонгольских завоевателей. Именно из этого оружия метались первые начинённыепорохом снаряды.
Есть свидетельства, что ксозданию первых в истории метательных машин приложил руку сам Архимед.
На рисунках представленазависимость дальности и высоты полёта стрелы от её массы, упругости тетивы илука (сопротивление воздуха в этом случае мало и поэтому не учитывается).

/>/>1.3 Водяное колесо
В истории человечестваводяные двигатели всегда играли особую роль. На протяжении многих веков водяныемашины были главным источником энергии на производстве. Затем развитие тепловых(а позже — электрических) двигателей сильно сузило сферу их применения. Однаковезде, где имелись дешёвые гидроресурсы (ручей с быстрым течением, водопад илипорожистая река), водяной двигатель мог оказаться предпочтительнее всех других,поскольку был очень прост по своей конструкции, не требовал топлива и имелсравнительно высокий КПД. После того как в первой половине XIXвека была изобретена водяная турбина с очень высоким КПД, гидроэнергетикапережила как бы второе рождение. С началом электрификации по всему мируразвернулось строительство ГЭС, на которых электрогенераторы получали свойпривод от гидротурбин различных конструкций. Об электрогенераторах игидротурбинах рассказ будет чуть позже, а сейчас будет рассказ о водяном колесе.
Первые водяные колёсапоявились ещё в древности. По конструкции они делились на два основных вида (см.ниже): нижнебойные (подливные) и верхнебойные (наливные). Нижнебойные водяныеколёса были наиболее простым типом водяного двигателя. Они не требовали длясебя строительства сложных гидротехнических сооружений, но в то же время имелисамый низкий КПД, так как их работа основывалась на достаточно невыгодномпринципе: подтекающая под колесо вода ударяла в лопатки, заставляя их вращаться.Работа верхнебойных колёс основывалась на использовании веса падающей воды.
КПД верхнебойного водяногоколеса достигал 75%, который был самым высоким из всех созданных тогдадвигателей. Этот своеобразный рекорд был побит с появлением гидротурбинразличных конструкций.
КПД среднебойного колесаравнялся 65%, нижнебойного — ещё меньше.
Несмотря на относительновысокий КПД, водяные колёса были маломощными двигателями. Обычно их мощностьравнялась 5 — 6 лс. Для получения больших мощностей строились колёса огромныхразмеров, что было связано с новыми трудностями: такая «махина» былатяжела, громоздка, её было трудно запустить.
Нижнебойное и верхнебойноеводяные колёса отличались по свойствам: при равной мощности первое имелобольшую скорость вращения, чем второе.
С появлением такой тепловоймашины, как машина Уатта, водяные двигатели стали забываться. Второевозрождение водяного двигателя, но уже в другом виде, началось с изобретением в1750 году венгром Сегнером, работавшем в Геттингенском университете совершеннонового типа водяного двигателя.
На рисунке слева представленоверхнебойное водяное колесо, справа — нижнебойное.

/> />1.4 Паровая турбина Герона — любопытная игрушкаДревнего мира
Изобретение греческогомеханика и учёного Герона Александрийского (II век до нашейэры). Ёе работа основана на принципе реактивного движения: пар из котлапоступал по трубке в шар, укреплённый на горизонтальной оси; вытекая затем изколенчато-изогнутых трубок, пар толкал эти трубки в обратном направлении, и шарначинал вращаться.
К сожалению, геронова пароваятурбина в древности оставалась только любопытной игрушкой, так как дешевизнатруда рабов никого не побуждала к практическому использованию машин. Но сампринцип не был заброшен техникой: в наше время он применяется в устройствереактивных двигателей.
Весьма оригинальная находкагениального механика!
/>
1.5 Энергия химических соединений (энергия пороха)
«Одну часть угля, однучасть серы и шесть частей селитры мелко растолочь и развести льняным илилавровым маслом, затем положить в трубу и зажечь. Всё летит сейчас же вжелаемом направлении и всё уничтожает своим пламенем…» — так писал в 1220году византийский автор Марк Грек в своём трактате «Книга огней длясжигания врагов». С распространением пороха в Европе связано много имён: этои вышеупомянутый Марк Грек, и монах Роджер Бэкон, и монах Бертольд Шварц. Нопорох был изобретён, хотя нет, даже не изобретён, а почти что случайно открыткитайским алхимиком Сунь Сымяо в VII веке н.э., о чём было написано им в трактате «Даньцзин». Изначально порох применялся в качестве зажигательного средства,скорее всего из — за того, что изготовленный из неочищенных компонентов порохне давал сильного взрывного эффекта. Но через некоторое время стали применятьсяразрывные снаряды, называемые китайцами «Огненный ястреб», «Чёрныйдракон» и другие. Секрет изготовления пороха шёл в Европу по длиннойцепочке: от китайцев к монголам, потом к арабам, затем к византийцам, а потомуже к европейцам. Именно европейцы научились использовать порох надлежащимобразом: из-за появления пороха в Европе переворот произошёл не только ввоенном деле, но и в устройстве европейского общества: феодальный строй былсменён буржуазным.
Что же позволяло пороху пригорении выделять энергию, способную метать пули и ядра, те, в свою очередь,могли пробивать рыцарские латы и стены замков? Для этого придётся сделатьнебольшое отступление и обратиться к химии: реакция, происходящая при горениипороха, описывается приблизительно следующим уравнением:
2KNO3+3C+S = K2S+3CO2 +N2,

где K2S — твёрдый остаток горения, а СО2и N2 — газы. Каквидно из уравнения, горение происходило без использования кислорода воздуха,поэтому, однажды начавшись, оно с необыкновенной быстротой начинаетраспространяться и внутри смеси, и по её поверхности. Образующиеся при горении нагретыебыстрорасширяющиеся газы распространяются во все стороны сметают всё на своёмпути, поэтому реакция приобретала взрывной характер. Однако и при таком составев газы обращалось только 40% всей смеси, а остальное составляли твёрдыепродукты горения, осаждавшиеся в виде копоти или дыма.
После распространения порохав Европе он стал изготавливаться в самых отдалённых её уголках и применяться вовсех армиях Европейских стран. Несмотря на некоторые недостатки в применениипороха (дым и копоть, а также дороговизна калийной селитры), эта смесь напротяжении 6-ти столетий была единственным взрывчатым веществом, используемым человеком.
/>
Для того, чтобы вещество (илисмесь) считалась взрывчатой, оно должно обладать двумя свойствами: оно должноочень быстро сгорать; при горении должно выделятся большое количество газов,имеющих высокую температуру и давление. Именно этими свойствами обладал чёрныйпорох.
С развитием органическойхимии в XIX веке появляются новые вещества, которые обладалиэтими свойствами. Но, как оказалось, они были во много раз мощнее пороха.
В 1846 году были изобретеныдва мощных взрывчатых вещества: мирный и набожный немецкий бюргер ХристианШенбейн изобрёл пироксилин (тринитроцеллюлозу), итальянец из Турина АсканилСобреро создал нитроглицерин (сложный эфир глицерина и азотной кислоты). Впервыеза тысячу лет человечество получило новые взрывчатые вещества. Но это былотолько началом пути: и пироксилин, и нитроглицерин были весьма капризными иопасными продуктами. Следовало пройти ещё длинный путь, на котором были иужасные пожары и взрывы, и гибель людей (среди которых был и брат изобретателядинамита Эмиль Нобель).
Некоторые опасные взрывчатыевещества до того, как стало известно об этом их свойстве, использовались всовершенно мирных целях. Например, тринитрофенол (мощнее тротила!),использовался в качестве жёлтого красителя. О его истинных свойствах узналитогда, когда в Париже взрывом этой, казалось бы, безобидной «краски» былаполностью уничтожена текстильная фабрика.
Участие в изобретении новыхвзрывчатых веществ, в частности порохов, принял участие и великий русскийучёный Д.И. Менделеев. Он также предложил несколько усовершенствований впромышленном производстве пороха, таких, как например, обезвоживание порохаэтиловым спиртом взамен сушке. Но… русское правительство предпочло закупатьпорох в Германии, а с началом Первой мировой войны — в Америке, причём тот жесамый менделеевский порох, патент на который был продан.
В целом, значение пороха в историичеловечества весьма значительно. Жаль только, что человек применял его чащевсего для уничтожения себе подобных, а не в мирных целях (строительство, добычаполезных ископаемых и другие).
2. От раннего средневековья до ХХ века2.1 "Perpetuum mobile" — неосуществимая мачтасредневековья
Созданием «вечныхдвигателей», то есть устройств, которые могли бы производить работу толькоза счёт себя, в тёмные времена Средневековья занималось не меньшее число людей,чем число алхимиков, искавших «философский камень».
Все эти горе — изобретатели,искавшие «perpetuum mobile» делились на две категории: фанатики — самоучки, тратившие все свои средства на создание всё новых и новых, нонеработающих моделей «вечного двигателя». Второй категорией былилжеизобретатели, наживавшиеся на том, что простым людям был неизвестен один изглавных законов физики — закон сохранения энергии. Дела этих «изобретателей»были более успешны.
О «вечных двигателях»знали многие великие люди, то есть работа над ними велась не втайне от других ине принималась церковью как ересь. Упоминания о таких мечтателях есть впроизведениях Пушкина (Бертольд из «Сцены из рыцарских времён») и у М.Е.Салтыкова-Щедрина («мещанин Презентов» из повести «Современнаяидиллия»). Наиболее был известен такой «изобретатель» (мошенник!),как Орфиерус, двигатель которого желал приобрести падкий до «хитрых махин»Пётр I за сумму в 100000 рублей — огромные по тем временамденьги. Но секрет «Колеса Орфиеруса» — так назывался двигатель — былраскрыт, и оказалось, что он приводился в движение отнюдь не вечными братом ислужанкой «изобретателя». Сам он, разоблачённый, не сдавался до самойсвоей смерти и твердил, что «весь свет наполнен злыми людьми, которымверить весьма невозможно».
Во времена Петра Iславился и другой «вечный двигатель» — некого Гертнера, о которомписал Шумахер — посланник царя, связывавшийся с Орфиерусом. Вполне был правШумахер, когда сообщал Петру, что французские и английские учёные «ни вочто почитают все оные перпетуи мобилес и сказывают, что оное против принципиевматематических».2.2 От водяного колеса до гидротурбины
На изобретение Сегнераобратили внимание учёные и инженеры многих стран. Первым откликнулся на новинкувеликий математик Эйлер, посвятивший исследованию этого прибора несколько своихработ. Прежде всего, он указал на недостатки в конструкции Сегнера, отметив приэтом, что при устранении их идея нового двигателя получит более полное воплощение.
В 1832 году французскийинженер Фурнейрон, пользуясь расчётами Эйлера, построил первую гидротурбину,ещё далеко несовершенную.
В 1837 году уральский мастерИгнатий Сафонов построил на Алапаевском заводе первую в России гидротурбину,имевшую КПД, равный 53% — меньше, чем у водяного колеса. Но уже через два годатот же мастер построил и установил на Ирбитском заводе новую турбину, имевшую70%-ный КПД.
Вскоре Фурнейрон построилтурбину, имевшую 80% КПД. Эта турбина имела конструкцию, представленную наверхнем рисунке. Она представляла собой два вложенных друг в друга кольца: наружное,неподвижное, являлось направляющим аппаратом (рекомендованная Эйлером и впервыепримененная профессором Бюрденом к водяному колесу в 1827 году деталь); внутреннимколесом была сама турбина. Турбина работала, используя реактивный принцип, тоесть, по сути, представляло собой усовершенствованное колесо Сегнера: вода,попавшая в турбину, вращала её не только за счёт своей кинетической энергии,но, увеличив свою скорость из-за специальной конструкции лопаток, при вытеканиикак бы отталкивалась от турбины, сообщая ей дополнительную энергию. Главными еёотличиями от водяного колеса были постоянное, непрерывное движение воды иотсутствие затрат энергии на преодоление сопротивления струи воды. Турбины этойконструкции оказались удобны там, где напор воды невелик, но есть возможностьсоздать перепад в 10 — 15 м. Конструкция этой турбины представлена на нижнемлевом рисунке.
Большое распространениеполучил один из типов реактивной турбины — пропеллерные, имевшие КПД до 94% (наиболееудачные конструкции).
Появился и другой тип турбин — струйные (на нижнем правом рисунке). Первую струйную турбину, имевшуюпромышленное значение, сконструировал в 1884 году американский инженер Пельтон.Его турбина использовала активный принцип и имела КПД, равный 85%. Турбинапредставляла собой колесо на горизонтальной оси, к которому подведены сопла. Этатурбина была удобна там, где есть возможность создать сильный напор воды, прикотором колесо турбины могло делать до 1000 оборотов в минуту.
После того, как в 80-е годы XIXвека была разработана система передачи электроэнергии на большие расстояния,началась новая эпоха в истории водяных двигателей. В соединении сэлектрогенератором турбина стала тем могущественным инструментом, с помощьюкоторого человек подчинил себе силу, скрытую в реках и водопадах.
/>/>
2.3 Тепловые двигатели2.3.1 Теория тепловых двигателей
История тепловых двигателейимеет более глубокие корни, чем многие думают. Кроме вышеупомянутой турбиныГерона есть свидетельства, что к созданию тепловых машин приложили руку такиевеликие учёные, как Архимед, придумавший весьма оригинальную паровую пушку,именуемую как «Архитронито» («Самый сильный гром»), иЛеонардо да Винчи, от которого осталось два эскиза примитивного паровогодвигателя. Есть упоминания о неком Джиованни Бранка, в 1629 году опубликовавшемсвоё изобретение: «толчею для изготовления порошка необычайным двигателем».Этим двигателем была паровая турбина!
Тепловыми двигателяминазывают машины, в которых происходит превращение теплоты, полученной присгорании топлива, в механическую работу. Вещество, производящее работу втепловых машинах, называют рабочим телом или рабочим веществом. В паровыхмашинах рабочим телом является водяной пар, в двигателях внутреннего сгорания — газ. Тепловые машины могут быть устроены различно, но все они обладают общимсвойством — периодичностью действия, или цикличностью, в результате чего рабочеетело возвращается в исходное состояние.
/> 

Циклы основных современныхтепловых двигателей показаны на рисунке. Полезная работа, совершённая этимидвигателями, численно равна площади фигур, ограниченных графиками тепловых процессов,происходящих с рабочим телом.
КПД любого (в том числе итеплового) двигателя не может быть равен 100%. Для тепловых двигателей этаневозможность определяется из II закона термодинамики: не существует такоготермодинамического процесса, единственным результатом которого было быпревращение некоторого количества теплоты в работу. Работа А в тепловыхмашинах равна разности теплоты, полученной от нагревателя, и теплоты, отданнойохладителю, которым чаще всего является либо атмосфера, либо специальное устройство.
/>2.4 Паровые двигатели2.4.1 Модель Папена
Французский врач Дени Папен,встретившись с крупнейшим учёным того времени — Христианом Гюйгенсом, последолгих и увлекательных бесед с ним был так сильно заинтересован задачами,стоящими перед инженерами, что решил изменить медицине и посвятить себя технике.Он выбрал для себя самую важную и интересную по тому времени область техники — исследование свойств пара и создание теплового двигателя.
В 1680 году Папен изобрёлпаровой котёл. Но, создав котёл, он не сразу нашёл способ его применения, адаже отошёл от использования пара — его поглотила идея создания машины, вкоторой работали бы атмосферное давление и газ, выделявшийся при сгораниипороха. Эта конструкция и принцип действия показаны на верхнем рисунке. Ноэтому первому двигателю внутреннего сгорания не суждено было жить — от неёотказался сам изобретатель, убедившись, что полезная работа, совершаемая ею, невелика.
И тогда Папен вернулся к пару.Свою первую паровую машину он построил, используя тот же принцип, толькозаменил порох на воду. И, казалось бы, изобретатель добился своего — егопаровая машина работала. Но представив, сколько возни было бы с ней, а врезультате — один рабочий ход в минуту и мощность меньше 1 лс, Папен отказалсяи от неё.
Не суждено было найтиприменение машинам Папена, но другое его изобретение — паровой котёл — являлосьотправной точкой для других конструкций, более или менее удачных. Папен такжебыл первопроходцем в области конструирования ДВС, что также является егозаслугой.
/>
2.4.2 Паровой насос Сэвери
Изобретён английским горныминженером Томасом Сэвери.
Предназначался для откачкиводы из шахт. Этот насос имел малую мощность и КПД.
Из-за острой нужды вуниверсальном двигателе были попытки соединить этот насос и водяное колесо дляполучения вращательного движения: насос качает воду из нижнего в верхний бак,из которого вода льётся на водяное колесо и возвращается в нижний бак.
Работа насоса происходила так:пар в насосном резервуаре охлаждался впущенной через кран водой, создавая в нём(в резервуаре) давление ниже атмосферного, из-за чего происходило всасываниеводы из шахты; после этого в резервуар подавался пар, который и вытеснялвсосанную воду; затем описанный цикл повторялся. Клапаны обеспечивали работу насоса:они не допускали попадания пара в шахту, попаданию воды в резервуар тогда,когда этого не было нужно, не допускали обратный сток воды в шахту.
Об этом насосе знал русскийцарь Пётр I, который хотел применить его при строительствеканалов в Петербурге, но был разочарован его малой мощностью и приказалпоставить насос в Летнем саду для обеспечения водой фонтанов.
/>
2.4.3 Паровая машина Ньюкомена
Была создана в 1711 годуанглийским изобретателем — кузнечным мастером Томасом Ньюкоменом.
Принципиальное устройствоизображено на рисунке.
Машина управлялась вручную,лишь в 1718 году Бейтон придумал механизм, обеспечивающий машинесамостоятельность.
Машина имела КПД, равный 1%,и поэтому нашла применение только на угольных шахтах, где было дешёвое топливо.
Применялась для приводаводяного насоса, откачивающего воду из шахт.
Принцип действия машины былнесложен: давление пара, впускаемого в цилиндр, поднимало поршень вверх. Когдаон достигал определённой точки, в цилиндр подавалась холодная вода, из-за чегопар конденсировался, и давление резко падало — поршень начинал двигаться внизпод действием атмосферного давления.
Исходя из описанного принципадействия, машину Ньюкомена правильнее называть пароатмосферной, так какатмосферное давление играет не меньшую, чем пар, роль.
/>
2.4.4 Паровая машина Ползунова
Паровая машина русскогомеханика И.И. Ползунова была построена за 20 лет до создания Уаттом своеймашины, в 1766 году на Алтае. Ползунов был высоко образованным человеком длясвоего сословия, имел представление об машинах Сэвери и Ньюкомена. Передконструированием машины механик проделал большую работу — не только расчёты, нои преодоление чиновничьей волокиты. И только посулив большую выгоду отиспользования своей «огнедействующей» машины, Ползунов смог её построить.Но…тяжёлая болезнь — туберкулёз — погубила не только изобретателя, но и егоизобретение. После смерти Ползунова машина проработала 43 суток, не толькоокупила сама себя, но и принесла большую экономию заводу. Машина встала из-заполомки парового котла, сделанного из меди (для пробы), а не из чугуна. Вскореона была разобрана «за ненадобностью». Схематическая конструкциямашины показана на рисунке. У ней было два цилиндра, поршни которого былисоединены таким образом, что, когда один из них опускался, то другой в этовремя поднимался. С помощью механизмов машина работала самостоятельно, требовалосьлишь подбрасывать топливо в топку котла. В машине использовалось не толькоатмосферное давление, но и давление пара. Конструкция Ползунова являласьмашиной непрерывного действия. Механик также знал, как можно преобразоватьвозвратно-поступательное движение её во вращательное, если это потребуется,хотя 90% механизмов завода, на котором стояла машина, требовали именно возвратно-поступательногопривода (воздуходувные меха, насосы и пр.). В целом, машина Ползунова являласьпервым в мире универсальным тепловым двигателем. Несмотря на печальную судьбукак машины, так и её изобретателя, мы не должны забывать, кто первым изобрёлэтот так необходимый для промышленности того времени двигатель — выдающийсяуральский механик, солдатский сын Иван Иванович Ползунов.

/>2.4.5 Паровая машина Уатта
Более удачливым в конструировании,а также признании универсального двигателя был английский механик Джеймс Уатт.
Уатт был механиком,работавшим в мастерских университета города Глазго. Однажды он получил задание — починить имевшуюся при университете машину Ньюкомена. Уатт выполнил задание, асам сделал себе модель машины и начал с ней экспериментировать. Посленескольких опытов механик выявил её основные недостатки, и решил построить свойтепловой двигатель, который был от них свободен.
Имея не только материальную,но и научную поддержку, Уатт принялся за работу.
Прежде всего, Уатт отказалсяот конденсации пара в самом цилиндре — на это тратилась дополнительная энергия.Для конденсации он сконструировал отдельный прибор, в котором во время работымашины создавалось разряжение, приводившийся в действие самой машиной.
После нескольких более илименее удачных проектов Уатт сконструировал действительно универсальный тепловойдвигатель, устройство которого показано на рисунке (для наглядности опорабалансира развёрнута на 180 градусов). Машина имела цилиндр двойного действия: вто время, как в верхней его части происходило расширение пара, пар из нижнейчасти выпускался в конденсатор, и наоборот. Для впуска — выпуска пара то из нижней,то из верхней части цилиндра Уатт применил золотник, являвшийся своеобразнымкраном и игравший не менее важную роль, чем поршень или цилиндр («Мал»золотник", да дорог!"). Точная подгонка всех деталей имелаочень важное значение, так как без этого машина не стала бы работать, но для промышленноразвитой Англии достижение точности не являлось трудным вопросом. Уатт применилв своей машине ещё одно полезное приспособление — регулятор подачи пара,который заставлял работать машину с постоянным числом оборотов вала. ИменноУатт ввёл понятие «лошадиная сила». Двигатель Уатта оказался нетолько универсальным, но и мощным и компактным, что позволяло его ставить нетолько на заводы, но и на средства передвижения.
Паровая машина Уатта сыгралазначительную роль в истории человечества, т.к. она сумела произвести промышленныйпереворот, т.е. переход от ручного производства к машинному.
/>2.4.6 Паровая турбина
История промышленной паровойтурбины началась с изобретения шведским инженером Карлом — Густавом — Патрикомде Лавалем …сепаратора для молока. Сконструированный аппарат требовал для себяпривода с большим числом оборотов. Изобретатель знал, что ни паровая машина, ниДВС того времени не могли развить нужное число оборотов. Но он также знал отурбине Герона, и применил его изобретение для своего сепаратора: через двеизогнутые трубки выходил пар, и они начинали двигаться, вращая всю конструкцию.
Вскоре Лаваль отошёл отреактивного принципа, и построил турбину по активному. Рабочее колесо этойтурбины имело по окружности множество лопаток. К лопаткам примыкало 4 сопла, изкоторых со скоростью свыше 1 км/с выходил пар, передавая свою кинетическуюэнергию турбине, заставляя её вращаться с огромной скоростью. Эта турбина имеламощность 5 лс и развивала 30000 оборотов в минуту, что делало её непригоднойдля привода рабочих машин (станков и пр). Но после упорной работы Лаваль сталстроить турбины мощностью 500 лс при 10000 оборотов в минуту; чтобы ещё снизитьчисло оборотов, Лаваль применял редуктор.
Но и после появления этихтурбин новый двигатель не мог конкурировать с паровой машиной: одноступенчатаятурбина Лаваля с редуктором была дорога, громоздка и имела не очень высокий КПД.
/>/>
Значительно больших успехов вконструировании паровых турбин добились изобретатели других стран.
Основной ошибкой Лаваля былоприменение только одной ступени, что и вызывало указанные недостатки. Французскийинженер Огюст Рато предложил активную турбину с несколькими ступенями,рассчитанную на 1000 лс. Главным новшеством было то, что Рато заставил паррасширятся постепенно, для чего в перегородках между колёсами турбины былипроделаны сопла, причём в первой перегородке сопла менее широкие, чем вовторой, а те, в свою очередь, менее широкие, чем в третей и так далее, чтопозволяло использовать всю кинетическую энергию пара, так как он расширялся и терялдавление постепенно, увеличивая свою скорость.
Активную турбину несколькодругой конструкции построил американский инженер Чарльз Кертис. Он предложил наодном рабочем колесе помещать несколько рядов лопаток, между которымиконструктор расположил неподвижные, связанные со стенками корпуса турбинынаправляющие каналы. Таким образом, струя пара встречается с первым рядомлопаток, но не успев передать всю энергию колесу и значительно снизить своюскорость, струя попадает в неподвижные каналы, которые направляют пар на второйряд рабочих лопаток. Отдав часть энергии первому ряду, другую часть струя параотдаёт второму и так далее. В результате пар передаёт турбине Кертиса ту жеэнергию, что и турбине с одним рядом лопаток, но при меньшей скорости вращения.Эта турбина имеет один недостаток — низкий КПД.
Не был забыт и реактивныйпринцип. Англичанин Чарльз Парсон вошёл в историю техники как создательпромышленной турбины реактивного типа. Свою первую турбину, используяреактивный принцип, Парсон построил в 1884 — 1885 годах. В этой конструкциииспользовался и активный принцип. Это была многоступенчатая турбина. Пар в этойтурбине, проходя между неподвижными лопатками направляющего аппарата,образующими коническое сопло, стремится расшириться, увеличивая свою скорость. Но,кроме расширения в направляющих аппаратах, Парсон ввёл расширение и в каналахлопаток рабочего колеса, следовательно, проходя по рабочим лопаткам, парпродолжает расширяться. Таким образом, вдоль лопаток пар движется в конце сбольшей скоростью, чем в начале. Когда пар покидает рабочие лопатки сповышенной скоростью, он как бы дополнительно отталкивается от их вогнутыхповерхностей, создавая реактивное действие на рабочие лопатки, сообщающее имдополнительную скорость, а, следовательно, и дополнительную энергию.2.5 Двигатели внутреннего сгорания
История ДВС началась, как ужебыло сказано, с пороховой модели Папена, но бурное развитие и конструированиеэтого типа тепловых двигателей началось в XIX веке.
Всё началось с открытия в1799 году Филиппом Лебоном светильного газа. Он же высказал идею о созданиидвигателя, работавшего на этом газе. Но в 1804 году Лебон погиб, не успеввоплотить в жизнь свою идею. Честь создания газового ДВС принадлежит бельгийцуЖану Этьену Ленуару, который он построил в 1860 году. По устройству и внешнемувиду двигатель напоминал паровую машину. Его КПД едва достигал 4%, он потреблялгигантские количества смазки и газа, но всё же был дешевле паровой машины. Разбогатев,Ленуар перестал работать над двигателем, вследствие чего тот был вытеснендругими моделями двигателей — уже на жидком топливе.
Первый бензиновый двигательпредложил немецкий изобретатель Август Отто. Сначала он работал над газовымдвигателем, но больший коммерческий успех ему принёс двигатель на жидкомтопливе с четырёхтактным рабочим циклом. Во время первого такта происходиловсасывание горючей смеси, во время второго — сжатие, во время третьего горючаясмесь поджигалась и происходило расширение образовавшихся газов, четвёртымтактом был выпуск отработанных газов. Устройство и принцип работы этого двигателяпоказаны на правом рисунке. Очень важное значение имел такт сжатия, которого небыло в двигателе Ленуара. Благодаря счастливой случайности Отто понял, что, чемсильнее сжата горючая смесь перед поджогом, тем большую работу могут совершитьобразовавшиеся газы.
Вскоре обнаружилось, чточетырёхтактный цикл был предложен гораздо раньше французом Бо де Роша, имонополия Отто на четырёхтактный рабочий цикл была снята.
В 1878 году англичанин ДугласКлерк предложил ДВС с двухтактным циклом (на левом рисунке). Во время первоготакта происходило сжатие горючей смеси, во время второго — рабочий ход, а впромежутке между 2 и 1 тактами происходила продувка и заполнение цилиндра рабочейсмесью.
В целом, двухтактныйдвигатель оказался мощнее и проще по устройству, чем четырёхтактный, но…он былне экономичен — часть топлива улетала в трубу в прямом смысле. Двухтактный циклнашёл применение в дизель — моторах и в двигателях малой мощности.
/>/>
Конструкция и принципдействия 4-хтактного двигателя изображены на левом рисунке, 2-хтактного — налевом.2.5.1 Цикл Карно
Знал ли парижскийкнигоиздатель Башелье, что отпечатав и выставив в витрине своего магазина в1824 году тоненькую брошюрку, что ей суждено положить начало новой науке ивзбудоражить умы многих учёных и инженеров того времени. Название книгиудивляло и озадачивало: «Размышления о движущей силе огня и о машинах,способных развивать эту силу». Автором её был молодой инженер Сади Карно.
В своей книги Карно излагалпринципы, по которым мог бы работать идеальная тепловая машина, указывая такжена недостатки существующих тепловых двигателей. Графики, описывающие работуэтой идеальной машины, показаны на рисунке. Графиком 1-2 являетсяизотермическое расширение, графиком 2-3 — адиабатическое расширение, графиком3-4 — изотермическое сжатие, графиком 4-1 — адиабатическое сжатие. Механическаяработа, совершаемая рабочим телом, численно равна площади фигуры, ограниченнойкривыми 1-2-3 и осью абсцисс, а площадь фигуры, заключённой между кривыми 1-4-3и осью абсцисс численно равна работе, затраченной на сжатие газа. Была выведенаформула КПД для этого цикла: КПД равен разности единицы и отношения температурохладителя и нагревателя. Он не зависит от вида рабочего тела (газ или пар), аявляется только функцией от температуры. КПД будет тем выше, чем вышетемпература нагревателя и чем ниже — охладителя. КПД цикла Карно самый высокийиз КПД всех тепловых двигателей. Цикл Карно не противоречил основным законамтермодинамики, однако, практически он был неосуществим, так как изотермическийпроцесс является идеальным, практически невозможным.
Итак, положив начало новойнауке — термодинамике, Карно продолжил свои работы в этой области. Нодальнейшая судьба его была трагична: в 1832 году, полный энергии и творческихсил, Сади Карно скончался из-за тяжёлой болезни — холеры. Все бумаги и трудыбольного были сожжены, кроме некоторых отрывочных записей.
/>
2.5.2 «Идеальный двигатель» РудольфаДизеля
/>
В 1893 году на весь мирпрогремела брошюра, принадлежащая перу немецкого инженера Рудольфа Дизеля, скричащим, сенсационным названием: «Теория и конструкция тепловогодвигателя, призванного заменить паровую машину и другие существующие внастоящее время двигатели».
Что же предлагал в своейброшюре Дизель? Он предлагал построить двигатель, который мог бы работать поциклу Карно. Однако уже после постройки первых моделей двигателя Дизель отошёлот многих предложений Карно и своих первоначальных замыслов, например, Дизельпредлагал сжимать воздух до 250 атмосфер (огромное давление!), но в первомопытном двигателе давление дошло только до 34 атмосфер. Дизель также предлагалиспользовать в качестве топлива угольную пыль, но ему пришлось заменить еёпарами бензина, из-за чего при первом пуске двигателя в нём произошёл такойвзрыв, что сам изобретатель и его помощники чудом остались живы.
После первых двух моделейДизель построил третью, на которую уже можно было что — либо нагружать. Еёконструкция и принцип действия показаны на рисунке. Двигатели Дизеля работалина керосине, и их КПД был выше, чем у обычных ДВС. Работа дизель — моторапроходила по циклу, изображённому на рисунке на стр.12, и как можно заметить,сильно отличавшемуся от цикла, предложенного Карно.
Впоследствии, дизель-моторпостепенно совершенствовался, в том числе и русскими инженерами; былоустановлено, что двигатель может работать и в два такта. Послеусовершенствований двигатель стал очень распространённым.
Дальнейшая же судьба самогоДизеля загадочна. В 1913 году он отплыл на пароходе «Дрезден» изАнтверпена в Англию. Однако в английский порт Харви пароход пришёл без Дизеля. Но,несмотря на это, дизели продолжили победное шествие: во время ВеликойОтечественной войны русские танки Т-34 с дизельным двигателем были быстрее,маневреннее немецких танков с бензиновым двигателем.2.5.3 Газовая турбина
Газовая турбина быладвигателем, совмещавшим в себе полезные свойства паровых турбин (передачаэнергии к вращающемуся валу непосредственно, без использования сложныхмеханических передач) и ДВС (отсутствие парового котла и всего его сложногохозяйства).
Устройство газовой турбиныпоказано на рисунке. Двигатель состоит из компрессора, подогревателя, камерысгорания и собственно самой турбины. В компрессоре, по устройству неотличающемся от турбины, происходит сжатие окислителя (воздуха), вподогревателе — подогревание окислителя, в камере сгорания — смешивание его стопливом и сгорание. В турбине проходит передача энергии газов лопаткам рабочихколёс. Сама турбина устроена также, как и паровая: имеется и направляющийаппарат, и рабочие колёса с лопатками. Газовая турбина является сложным двигателем,при постройке которого не обойтись без сложных расчётов. Но она, а точнее её«гибрид» с реактивными двигателями — турбореактивный двигатель — открыл для современной авиации скорости, превышающие скорость звука. Газотурбинныйдвигатель также применяется на ТЭС, где есть дешёвое жидкое или газообразноетопливо, но есть недостаток воды, из-за чего нельзя применить паровую турбину.
/>2.5.4 Реактивные двигатели
Реактивные двигатели имеютдовольно длинную историю. Первые упоминания о китайских огненных стрелахотносятся к 1232 году, т.е. почти 800 лет назад. Но этот ещё примитивное оружиеслужило больше для устрашения противника и в качестве зажигательного средства. Споявлением огнестрельного оружия ракеты были забыты на 6 веков. Лишь в 1804году английский офицер Уильям Конгрев усовершенствовал ракеты и наладил ихмассовое производство. В 1807 году английскими ракетами был сожжён Копенгаген — по городу было выпущено более 25 тысяч ракет! Но с появлением нарезного оружияреактивный двигатель получил отставку на столетие. Возрождение ракет к жизнисвязано с работой русского учёного К. Циолковского «Исследованиекосмических пространств реактивными приборами». В этой работе былапредставлена конструкция космического аппарата с принципиально новым поконструкции реактивным двигателем — на жидком топливе. В 1914 году американцуРоберту Годдарду был выдан патент на конструкцию многоступенчатой ракеты. В 30 — е годы работы по совершенствованию ракет и реактивных двигателей шли уже внескольких странах. Самых ощутимых результатов достигли немецкие исследователипод руководством Вернера фон Брауна и Клауса Риделя. Созданная в немецкомракетном центре Пенемюнде баллистическая ракета «Фау — 2» былавершиной ракетостроения на протяжении полутора десятка лет.
Циолковский не рекомендовалприменять твёрдое топливо в ракетах, в частности порох, так как он обладаетнизкой удельной теплотой сгорания. Но всё же реактивные двигатели на твёрдомтопливе были первой вехой в эпохе ракетостроения. Русский революционерКибальчич, находясь в Петропавловской крепости после покушения на Александра II,предложил проект ракеты с пороховым реактивным двигателем.
Но позже было доказано, чтожидкотопливные реактивные двигатели более совершенны, более мощны и,следовательно, более перспективны.
/>
Простейшим типом реактивногодвигателя на жидком топливе является прямоточный двигатель (на верхнем рисунке).Принцип работы прост: кислород воздуха, попав в камеру сгорания через входноеустройство, смешавшись с топливом, окисляет его, а раскалённые газы, вылетая изсопла, толкают двигатель вперёд. По конструкции двигатель ничем не отличаетсяот трубы аэродинамической формы с отверстиями для впрыска топлива и поджогагорючей смеси. Такая примитивность и обусловливает недостатки этого двигателя: онимеет низкий КПД, а для его запуска необходим разгонный двигатель.
Прямоточный двигатель последобавления нескольких деталей превращается в пульсирующий — реактивныйдвигатель, сделанный по формуле «Дёшево и сердито». Он представляетсобой трубу аэродинамической формы, разделённую двумя перегородками с клапанамина 3 отсека: входное устройство, камеру сгорания, сопло (нижний рисунок).
/>
Принцип работы достаточнопрост: при пуске топливо смешивается с находящимся в камере сгорания воздухом иподжигается. Клапаны в левой перегородке закрыты, в правой — открываются, ичерез них в сопло попадают раскалённые продукты горения: двигатель получаеттолчок вперёд. Давление в камере сгорания оказывается ниже атмосферного,вследствие чего правые клапаны закрываются, левые — открываются, и в камерусгорания засасывается следующая порция окислителя — в данном случае воздуха. Входе работы двигатель движется толчками, как бы «пульсирует». Двигательэтой конструкции устанавливался на немецких самолётах-снарядах «Фау-1».
3. Электричество3.1 Электрогенератор
Первый генераторэлектрического тока изобрёл сам открыватель закона электромагнитной индукции — Майкл Фарадей. Это было ещё весьма примитивное устройство — медный дисквращался в магнитном поле, вследствие чего в нём создавалась ЭДС[3] (междуцентром и краями диска).
Генератор электрического токабыл создан и изобретателем электродвигателя — Б.С. Якоби в 1842 году. Онпредназначался для приведения в действие взрывателей пороховых мин и имел«карманный» размер (приводился вручную). По причине секретности работс минами генератор Якоби не имел широкой известности.
Первые генераторыэлектрического тока, нашедшие хоть какое — то применение, использовали законФарадея без каких — либо собственных усовершенствований в их конструкции. Например,в динамо — машине Пиксии мимо катушек перемещались тяжёлые постоянные магниты. Большуюработу в этой области электротехники проделал немецкий изобретатель Сименс. Однакопервым, кто создал электрогенератор, получивший широкое распространение, былизобретатель (бывший столяр) Грамм.
Сначала все генераторывырабатывали постоянный ток, но с открытием полезных свойств переменного тока (возможностьтрансформации и, как следствие, передачи на дальние расстояния) широко сталираспространяться генераторы переменного тока, а вместе с ними — строительствоэлектростанций, электрификация промышленности, транспорта и быта людей.

Генератор переменного тока.
/>
Генераторы переменного токаполучили широкое распространение из-за вышеупомянутых свойств переменного тока.
Устройство простейшегогенератора переменного тока показано на рисунке: рамка вращается в магнитномполе, создаваемая ЭДС отводится с помощью контактных колец.
ЭДС создаётся за счётизменения магнитного потока через рамку; мгновенное значение напряженияиндукции равно: u = NBSw sin wt,где N — количествовитков в рамке, В — индукция магнитного поля, S — площадь рамки, w — угловая скорость вращения, t — время. Максимальное значение (амплитуда) напряженияиндукции равно: U = NBSw.
Сила тока, вырабатываемого вэтом генераторе, изменяется по закону синуса и меняет свой знак дважды запериод. Такой ток называется переменным.
Для создания магнитного поляприменяются электромагниты, питающиеся от самого генератора. В мощныхгенераторах вращаются не обмотки, в которых индуцируется напряжение, аэлектромагниты.
Генератор постоянного тока.
/>
Генератор постоянного токаоснован почти на том же принципе, что и генератор переменного тока, тольковместо контактных колец применяются насколько изолированных друг от другаполуколец (коммутаторов), предназначенных для переключения при измененииполярности напряжения ротора. При этом возникает постоянное пульсирующеенапряжение, величина которого колеблется по синусоидальному закону. Пульсацииможно уменьшить, применяя барабанный якорь, состоящий из большого числасмещённых относительно друг друга обмоток, соединенных с соответствующимисегментами коллектора (коммутатора). Для возбуждения электромагнитовприменяется ток, индуцированный в якоре (принцип Сименса). Запускобеспечивается только за счёт остаточного магнетизма.3.2 Электродвигатель
/>
Электродвигатели имеют вобщих чертах то же устройство, что и генераторы, но основаны на обратномпринципе действия. Приложенное к обмотке якоря напряжение вызывает ток, которыйв свою очередь создаёт магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полемвозбуждения. При этом возникает сила, вращающая ротор.
Вращающий момент М равен: M=NIBS sin wt, где N — число витковобмотки якоря, I — ток, текущий в якоре, B — магнитная индукция, S — площадь витка, w — угловая скорость вращения, t — время, отсчитываемое от момента, когда обмотка занимала положение,перпендикулярное направлению магнитного поля.
Электродвигатели бываютпеременного и постоянного тока.
К электродвигателямпеременного тока относят: синхронные (аналогичны генератору переменного тока,частота переменного напряжения определяет скорость вращения данногоэлектродвигателя, при запуске необходимо сообщать от внешнего источниканеобходимую скорость вращения, при увеличении нагрузки происходит остановкадвигателя) и асинхронные (аналогичны генератору постоянного тока и могутработать как от переменного, так и от постоянного тока, скорость вращения независит от частоты переменного тока).
К электродвигателямпостоянного тока относят: сериесные (обмотки электромагнита и якоря включеныпоследовательно, число оборотов сильно зависит от нагрузки) и шунтовые (обмоткиякоря и электромагнита включены параллельно, число оборотов двигателя почти независит от нагрузки).
КПД электродвигателей оченьвысок, иногда достигает 98%, что не достижимо для других типов двигателей.
Первый электродвигатель былсконструирован русским изобретателем Б.С. Якоби в 1834 году. Он работал отпостоянного тока и, хотя и был годен для практического применения, неиспользовался из-за дороговизны гальванических батарей, с помощью которых онприводился в действие. Поэтому широкого применения он не нашёл.
С изучением свойствпеременного тока начали широко распространяться электродвигатели переменноготока, совершившие, как в своё время паровая машина, подлинный промышленныйпереворот. В современном мире нашли применение и электродвигатели постоянноготока — в качестве движителя трамваев, троллейбусов и др.3.3 Химические источники тока
/>

Химическую энергию можнопреобразовать в электрическую. Так, например, в гальваническом элементе,изображённом на рисунке, электрическая энергия выделяется за счёт химическойреакции между электродами и электролитом. В первом гальваническом элементе,созданном итальянским физиком Алессандро Вольта, в качестве электролита использоваласьсерная кислота, а в качестве положительного и отрицательного электродов — медный и цинковый стержни соответственно.
Отрицательные ионы сернойкислоты притягивают к себе положительные ионы цинка и меди. Из-за того, чтокинетическая энергия ионов цинка больше, чем кинетическая энергия ионов меди (таккак медь менее активный металл, чем цинк), то в раствор переходит большеположительных ионов цинка, чем меди, поэтому цинковый электрод приобретает отрицательныйзаряд относительно медного электрода.
Между цинковым и меднымэлектродами возникает ЭДС, равная разности нормальных потенциалов (значенияэтих потенциалов определяются положением металла в электрохимическом рядунапряжений металлов): Е = fCu- f Zn= 0,34- ( — 0,76) = 1,1Вольт.
При использовании различныхметаллов возникает разная ЭДС. Максимальным (по модулю) нормальным потенциаломобладает литий (-3,0 Вольт), а за ним — калий (-2,9 Вольт), поэтому литиевые икалиевые гальванические элементы («батарейки») получили в настоящеевремя наибольшее распространение.3.4 Аккумулятор
В аккумуляторах накоплениеэлектрической энергии происходит за счёт её превращения в химическую. В отличиеот гальванических элементов, которые сразу готовы к работе, аккумулятор нужнозарядить. Поэтому их (аккумуляторы) называют иногда вторичными элементами.
Аккумуляторы широкого примененияподразделяются на кислотные и щелочные; к кислотным относится свинцовыйаккумулятор, к щелочным — железоникелевый.
В свинцовом аккумуляторепроисходит следующий процесс:
2PbSO4 + 2H2O = PbO2 + Pb + 2H2SO4
(при зарядке процесс течётслева направо, при разрядке — справа налево, при зарядке оксид свинцавыделяется на аноде, чистый свинец — на катоде). ЭДС свинцового аккумулятораравна 2 В.
В железоникелевомаккумуляторе происходит следующая реакция:
2Ni (OH) 2+ Fe (OH) 2 = 2Ni (OH) 3+ Fe
(при зарядке процесс течётслева направо, при разрядке — справа налево). ЭДС железоникелевого аккумулятораравна 1,2 В.
4. ХХ век4.1 Атомная энергия
/>
/>
В современной атомнойэнергетике используются две изображённые выше реакции: первая, вверху — этореакция деления U — 235, которая сопровождается выделением большого количества энергии. Вторая — реакция размножения ядерного топлива, происходящая в реакторах на быстрыхнейтронах (размножительных реакторах) — получение из U — 238 (изотоп урана, делящийся только быстрыминейтронами) Pu — 239 — искусственного элемента, делящегося при тех же условиях и так же, как и U — 235.

/>
На рисунке представленвозможный ход реакции деления урана 235, а также баланс выделяющейся энергии. Главнаяособенность этих реакций — увеличение числа нейтронов, и, следовательно, числаподелённых ядер, в геометрической прогрессии — цепная реакция. Энергия, выделившаясяв ходе этой реакции за одно деление, пропорциональна разности энергии связи образовавшихсячастиц и энергии связи U-235, т.е. E = (mч1 + mч2 — mU235) c2, где с2 — скорость света в квадрате.4.2 Атомный реактор
 
Первый реактор — реакторФерми.
/>

Первый реактор был построен в1942 году под руководством Энрико Ферми. Реактор имел только научное значение; онпредназначался для демонстрации возможности управляемой ядерной реакции. Датупуска этого реактора можно считать началом новой эры — эры атомной энергии.
Реактор имел значительныеразмеры даже по сравнению с современными реакторами.
Аварийная защита реакторабыла оригинальна: на площадке над реактором стояло двое помощников Ферми,державшие в руках вёдра с раствором солей бора — поглотителя нейтронов. Вслучае даже незначительной опасности помощники были готовы вылить содержимоевёдер реактор.
Коэффициент размножения (отношениечисла нейтронов существующего поколения к числу нейтронов предыдущего поколения)равнялся 1,002.
Графитовый реактор.
/>
Устройство современного графитовогореактора представлено на рисунке.
Основой реактора являетсяалюминиевая рама с большим количеством трубок, в которые вставляются ТВЭЛы — тепловыделяющие элементы, представляющие собой трубку из циркониевого сплава, вкоторой заключены таблетки из обогащённого урана 235 (или диоксида урана 235). Рамаобложена кирпичами из графита высшей химической чистоты, играющими роль отражателя.Между трубок с ТВЭЛами также находится графит. В нём проделаны каналы, покоторым пропускается теплоноситель — вода или жидкий натрий. Смена ТВЭЛовпроисходит посредством выталкивания старого новым ТВЭЛом.
Аварийная защита и управлениереакцией осуществляется посредством нескольких бронзовых пластин (или стержней),покрытых кадмием — поглотителем нейтронов.
Реактор окружён бетоннойзащитой толщиной до 3 метров.
Реактор на тяжёлой воде.
/>
Устройство реактора натяжёлой воде представлено на рисунке.
Основа реактора — алюминиевыйбак с трубками для ввода (и извлечения) управляющих стержней и ТВЭЛов. Рользамедлителя и теплоносителя играет так называемая тяжёлая вода. В качествеотражателя нейтронов использован графит высшей химической чистоты.
Смена ТВЭЛов осуществляетсяпосредством снятия защитной крышки, выполненной из свинца и чугуна, извлеченияотработанных ТВЭЛов и ввода новых с помощью специального подъёмника.
Аварийная защитаосуществляется посредством ввода в активную зону аварийных поглощающихстержней, а также спуска тяжёлой воды в специальный бак, расположенный подреактором.
Управление реакциейосуществляется посредством нескольких бронзовых пластин (или стержней),покрытых кадмием — поглотителем нейтронов.
Реактор окружён бетоннойзащитой толщиной до 3 метров.
Гомогенный реактор.
/>
Гомогенный реактор впрофессиональных кругах в шутку (или всерьёз) называют «паровым котлом».
Устройство реактора данноготипа представлено на рисунке.
Основой реактора служит сфераиз нержавеющей стали диаметром около 30 сантиметров, что приближает активнуюзону к размерам атомной бомбы. Но начало неуправляемой цепной реакциипредотвращает механизм саморегулирования (замедление хода реакции из-заувеличения амплитуды колебаний замедлителя и делящегося материала — нейтроныпролетают мимо них, температура понижается, реакция остаётся управляемой).
Делящимся материалом служитраствор сульфата уранила, замедлителем — тяжёлая вода, отражателем — графитвысшей химической чистоты. Теплоносителем может служить вода или жидкий натрий.
Аварийная защита реакторааналогична аварийной защите реактора на тяжёлой воде.
Реактор окружён бетоннойзащитой толщиной до 3 метров.
С появлением этого типареакторов стали возможны такие футуристические проекты, как атомный поезд,атомный самолёт и атомный корабль. В реальность была воплощена только последняяидея
Реактор на быстрых нейтронах.
/>
Реактор на быстрых нейтронахслужит не только для выработки энергии, но и для получения ядерного горючего Pu — 239.
Конструкция этого типареакторов представлена на рисунке.
Стержни из сильнообогащенного U — 235 окружены оболочкой из U — 238, а те, в свою очередь — графитовым отражателем. Замедлитель отсутствует (чтоследует из названия данного типа реакторов).
Теплоносителем может служитьвода или жидкий натрий.
Аварийная защита и управлениереакцией осуществляется посредством нескольких бронзовых пластин (или стержней),покрытых кадмием — поглотителем нейтронов.
Кроме U — 238 в качестве материала дляоболочки может быть использован Th — 232, из которого можно получать U — 233 — искусственный изотоп,делящийся с выделением энергии при тех же условиях, что и U — 235.
Реактор окружён бетоннойзащитой толщиной до 3 метров.
Реактор этого типа сможетсыграть значительную роль в энергетике будущего, так как при его работе вырабатываетсябольше ядерного горючего, чем было загружено перед запуском (поэтому этотреактор называют реактором-размножителем). С внедрением этого реактора вширокое производство электроэнергии человечество будет обеспечено энергией намного столетий вперёд.4.3 Атомная оружие
Заметка из одной газеты от 30апреля 1939 года: " Доктор Нильс Бор из Копенгагена заявил, чтобомбардировка небольшого количества чистого изотопа урана — 235 медленныминейтронами вызовет " цепную реакцию", или атомный взрыв, силакоторого будет настолько громадной, что взлетят на воздух лаборатория и всенаходящиеся в данной местности сооружения в радиусе многих миль".

/>/>
Первая атомная бомба былаизготовлена в США летом 1945 года («Тринити»), испытана 16 июня 1945года на атомном полигоне в пустыне Аламогордо. Мощность этой бомбы была равна20 кт (единица мощности ядерного и термоядерного оружия: масса взрывчатоговещества тротила, мощность взрыва которого равна мощности взрыва данногоядерного или термоядерного заряда; измеряется в килотоннах (кт) — 1000 тоннтротила и мегатоннах (Мт) — 1000 килотонн тротила).
С изобретением атомной бомбыстало ясно, что крупная война между обладателями этого оружия станет последнейв истории человечества. Но атомная бомба была и оружием сдерживания,предотвращения этой войны, так как последствия её применения сознавали всеобладатели этого оружия. В целом роль атомной бомбы в истории была неоднозначна;в создании этого оружия есть не только отрицательные, но и положительныестороны.
На рисунках изображены двевозможные конструкции атомной бомбы. Первая состоит из двух кусков U — 235, которые, соединяясь,образуют массу больше критической. Для того чтобы вызвать взрыв бомбы, надо какможно быстрее сблизить их. Второй метод основан на использовании сходящегосявнутрь взрыва. В этом случае поток газов от взрыва обычного взрывчатоговещества направлялся на расположенный внутри делящийся материал и сжимал его дотех пор, пока он не достигал критической массы, и не начиналась цепная реакция.
Взрыв атомной бомбыпроизойдёт только тогда, когда масса заряда U — 235 или Pu — 239 будет больше критической массы — массы такогокуска делящегося вещества, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная реакция.По расчётам, критическая масса заряда приблизительно равна 50 кг, но её могли значительноуменьшить следующими способами: во — первых, выбором подходящей формы заряда (чембольше площадь поверхности заряда, тем больше нейтронов бесполезно излучается вокружающую среду). Наименьшей площадью поверхности обладает сфера,следовательно, сферический заряд при прочих равных условиях будет иметьнаименьшую критическую массу.
Во-вторых, критическая массазависит от чистоты и вида делящихся материалов.
В-третьих, критическая массаобратно пропорциональна квадрату плотности этого материала, что позволяет,например, при увеличении плотности заряда в 2 раза, уменьшить критическую массув 4 раза.
В-четвёртых, критическуюмассу можно уменьшить, окружив заряд экраном, хорошо отражающим нейтроны. Вкачестве такого экрана можно использовать свинец, бериллий, вольфрам, природныйуран, железо и др.
Только при выполнении этихусловий возможно осуществление неуправляемой цепной реакции — атомного взрыва.4.4 Энергия термоядерного синтеза
/>
Кроме деления тяжёлых ядер,идущего с выделением энергии, возможен синтез лёгких ядер, при которомвыделяется ещё большая энергия. Однако этот синтез может происходить только приочень высокой температуре и давлении. Эти условия необходимы для преодолениякулоновского отталкивания заряженных ядер и сближения их до расстояний, когданачинают действовать силы ядерного притяжения.
В качестве термоядерногогорючего используются изотопы водорода — дейтерий и тритий. Первый входит всостав молекулы тяжёлой воды, в небольшом количестве, содержащейся в обычнойводе. Второй может быть получен из лития посредством указанной реакции.
Сейчас возможно осуществлениетолько неуправляемая термоядерная реакция (термоядерный взрыв), над осуществлениемуправляемого термоядерного синтеза (УТС) работают учёные России, США, Японии,Франции, Великобритании. Существующие опытные установки ещё не могут обеспечитьначало УТС — зажигания дейтериево-тритиевой смеси, но достигнутые до настоящеговремени результаты обнадёживают, и скоро уже будет построена перваяпромышленная установка, на которой будет осуществляться управляемыйтермоядерный синтез.
/>
Энергия, выделяющаяся притермоядерной реакции, пропорциональна разности энергии связи синтезированноговещества (в случае с дейтерием и тритием это гелий) и энергии связи исходныхвеществ (дейтерия и трития). Коэффициент пропорциональности равен скоростисвета в квадрате.
В целом, УТС является весьмавыгодным, дешёвым, экологически чистым способом получения энергии. КПДтеоретической термоядерной электростанции (ТЯЭС) будет достигать 38% — чтоявляется достаточно высоким показателем.
4.4.1 Установки управляемого термоядерного синтеза(УТС)
/>
Основные направления развитияУТС идут по двум путям: УТС в ТОКАМАКАХ и лазерный УТС.
ТОКАМАК — аббревиатура,предложенная русскими учёными, расшифровывается как ТОРидальная КАмера с МАГ (К)нитным полем. Возможно, из соображений благозвучия Г заменено на К.
/>
ТОКАМАК представляет собойтрансформатор, первичная обмотка которого не имеет каких — либо существенныхособенностей, вторичной «обмоткой» является шнур ионизированной смесидейтерия и трития. Дополнительными катушками продольного поля осуществляетсяудержание плазмы в нужном состоянии. Так как плазма является вторичной «обмоткой»,то в ней индуцируется ток, который и осуществляет подогрев плазмы до требуемойтемпературы. На крупнейшей установке этого типа — «ТОКАМАК-15» — расположеннойв России, возможно удержание плазмы в течение нескольких секунд, и для «зажигания»дейтериево-тритиевой смеси требуется только повышение температуры и давлениявсего на несколько порядков.
Другим способом осуществленияУТС является лазерный УТС. Схема этого способа представлена на рисунке. Сначалаидёт облучение DT-мишени, затем следует сжатие мишени и её микровзрыв свыделением большого количества энергии. В целом этот способ перспективен иможет быть использован в том случае, когда будут сконструированы лазеры свысоким КПД. Разработка этого способа осуществления УТС также ведётся во многихстранах мира, построены установки для проведения опытов с лазерным управляемымтермоядерным синтезом, в том числе и в нашей стране. Лазерный УТС будет весьмаэффективен после создания мощных лазеров с высоким КПД (КПД современных лазеровбольшой мощности едва достигает 5%).4.4.2 Мюонный катализ
/>
Мюонный катализ управляемойтермоядерной реакции является альтернативным вариантом двум приведённым вышеспособам. С помощью мюонного катализа можно не создавать поистине «звёздные»условия для проведения УТС. В чём же заключён этот способ? Всё дело в мезонах. Мю-мезон,неся заряд, равный заряду электрона, тяжелее его более чем в 250 раз, из-зачего мезонная молекула имеет меньший диаметр, вследствие чего возможносближение ядер мезонной и обычной молекул до расстояний, когда начинаютдействовать силы притяжения: ядро мезонного атома водорода и ядро атомадейтерия соединяются в одно — происходит синтез, сопровождающийся выделениемэнергии.
С появлением мощныхускорителей мюонный катализ был осуществлён по схеме, представленной на рисунке.«В чём же дело? — спросите Вы, — почему нет электростанций, использующихэтот способ?» Вся беда в том, что время жизни мюона очень мало, и онуспевает «просинтезировать» только две-три пары водород-дейтерий, апосле — взрывается; для того, чтобы получить хотя бы один мю-мезон, нужнозатратить энергию около 300 МэВ, а после прохождения одной реакциикаталитического синтеза выделяется всего 5,4 МэВ, то есть, как видно,энергетические затраты на получение одного мюона несопоставимы с выделяющейсяэнергией, и поэтому установки, осуществляющие мюонный катализ, имеют тольконаучное значение. Учёным, работающим в этой области, нужно искать способпродления более чем короткую жизнь мю-мезона.4.4.3 Термоядерное оружие
/>

В настоящее время возможнотолько осуществление неуправляемого термоядерного синтеза, происходящего привзрыве водородной бомбы.
Первая водородная бомба быласоздана в СССР в 1953 году при участии Курчатова, Сахарова и Тамма.
/>
Одна из возможных конструкцийводородной бомбы представлена на рисунке. Термоядерным зарядом является твёрдоевещество LiD (дейтерид лития). В качестве детонатора используетсяатомная бомба. Сначала происходит её взрыв, сопровождающийся резким ростомтемпературы, давления, электромагнитным излучением, возникновением мощногопотока нейтронов, в результате указанной реакции которых с изотопом литияобразуется тритий.
Наличие дейтерия и трития привысокой температуре инициирует термоядерную реакцию, сопровождающуюся колоссальнымвыбросом энергии.
Если корпус сделан изприродного урана U — 238, то быстрые нейтроны вызывают в нём новую неуправляемую цепную реакциюделения. Возникает третья фаза взрыва водородной бомбы.
Таким образом, создаётсятермоядерный взрыв огромной, почти неограниченной мощности.
Самый мощный когда-либосозданный термоядерный боеприпас: советская авиабомба «Татьяна» мощностью50 Мт (!) («Кузькина мать» Н.С. Хрущёва?).
Существует также особый видтермоядерного боеприпаса, называемый нейтронной бомбой. Она представляет собойтермоядерный заряд малой мощности (1 — 2 кт), но, если в обычной водороднойбомбе на такой поражающий фактор, как проникающая радиация, расходуется около5% энергии взрыва, то в нейтронной — более 30%. Исходя из этого, можно сделатьвывод, что это оружие сделано специально для уничтожения живых существ, в томчисле — и человека. Поэтому нейтронная бомба относится к варварскому оружию,как и термоядерная.4.5 МГД — генератор
Один из современныхмногообещающих и эффективных методов получения электроэнергии основан наиспользовании магнитогидродинамического эффекта, т.е. на новом остроумномприменении закона электромагнитной индукции, открытого Фарадеем более полуторастолетий назад. Магнитогидродинамический эффект позволяет сконструироватьгенератор электрического тока без движущихся частей. В чём же здесь дело? Любойгаз при высокой температуре ионизирован, т.е. электроны его атомов способныдвигаться независимо от ядер и таким образом служить носителями электрическоготока. При прохождении ионизированного газа с большой скоростью поперёк магнитногополя в нём возникает электрический ток, который может быть отведён электродами.
Можно усмотреть парадокс втом, что МГД — генератор основан на законе Фарадея, как и обычные генераторыэлектрического тока. Но этот закон однозначно допускает возбуждение тока и втом случае, когда используются жидкие или газообразные проводники.
МГД — генератор обладает темнезаменимым преимуществом, что в нём не используются вращающиеся детали,следовательно, отсутствуют потери на трение. Вместе с тем он вырабатывает толькопостоянный ток и требует очень высоких температур, при которых газионизируется, а значит, и соответствующих материалов, способных без серьёзныхповреждений выдерживать такие температуры. Для создания МГД — генераторов нужнымощные источники проточных газов. Реальными устройствами, удовлетворяющимистрогим требованиям, предъявляемым к таким источникам, являются ракетныедвигатели. Важной вехой в развитии МГД — генераторов послужило введение впроточные газы ионизирующих добавок, например, углекислого калия, что позволяетснизить температуру ионизации газов до 1500 градусов Цельсия и ниже. Большойуспех в технической отработке использования МГД — генераторов для производстваэлектрической энергии был достигнут благодаря комбинациимагнитогидродинамической ступени с котельным агрегатом. В этом случае горячиегазы, пройдя через генератор, не выбрасываются в трубу, а обогреваютпарогенераторы ТЭС, перед которыми помещена МГД — ступень. Общий КПД такихэлектростанций достигают небывалой величины — 65%.
В последние годы МГД — электростанциям уделяют очень большое внимание, особенно в нашей стране. С 1965г., когда в Москве начала работать первая станция У — 02, советскиеконструкторы достигли заметного прогресса в этой области техники.
К 1980 г. в СССР предполагалосьпостроить несколько промышленных МГДЭС с единичной электрической мощностью до200 МВт.
В заключение этой темыхочется упомянуть об утопическом (во всяком случае, сегодня) проекте профессораПолетавкина. Учёный предложил использовать «плазменный ветер», который«дует» в космическом пространстве за пределами земной атмосферы, нона высотах, достигаемых ИСЗ. В тех местах, где этот «ветер» пересекаетпод прямым углом силовые линии магнитного поля Земли, по сути дела, образуетсягигантский МГД — генератор. Полетавкин предложил поместить на этой высоте некиесобирающие электроды. Энергия, полученная таким способом, была бы весьмадешёва, сложность существует лишь в том, как соединить эти электроды ипотребителя, расположенного на земле.
Устройство МГД — генератора.
/>
Схематическое устройство МГД — генератора представлено на рисунке: канал, по которому перемещаетсяионизированный газ, заключён между полюсами сильного электромагнита, который питаетсяза счёт самого генератора. На канале расположены обкладки, с которых снимаетсяиндуцированная ЭДС, и направляется к потребителю R.
Принцип работы МГД — генератора очень прост и аналогичен принципу работы обычных электрогенераторов:поток плазмы, то есть ионизированного газа, проходящий между разноимённымиполюсами сильного магнита, создаёт на обкладках электродов разность потенциалов- и через сопротивление потребителя R идёт постоянный электрический ток.Возможно объединение нескольких таких конструкций в замкнутое кольцо, гденужную температуру и скорость плазмы будет поддерживать компрессор — подогревательК-П (на малом рисунке).
Заключение
Вот и закончено этодлительное повествование. Путь, который проделало человечество за несколькотысяч лет, уместился в 39 страницах. Но это — не предел, так как человеческаямысль не знает границ, и, возможно, через несколько десятков лет работа поаналогичной теме, содержащая только описание и иллюстрации, едва уместилась бына 100 страницах. Почему? Потому что поиск новых источников энергии не закончен;существует большое количество так называемых альтернативных источников энергии,даровых двигателей, использующих, например, изменение атмосферного давления илирадиоактивное излучение.
Люди будущего, я думаю,сумеют найти ещё великое множество способов для получения энергии, а также дляеё экономного использования, так как они будут жить в других условия и онибудут значительно умнее и опытнее нас, потому что учиться они будут на нашихошибках и недочётах. Я считаю, что пройдёт совсем немного времени, и многиедвигатели, такие, как двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовыетурбины, займут своё место в музее, а их место займут МГД-генераторы, атомныереакторы и установки УТС, и Мир перестанет ощущать недостаток в энергии, потребностьв которой становится всё больше и больше.
Я, как автор этой работы,выражаю благодарность своему руководителю за помощь во многих теоретическихвопросах.
Я выражаю благодарностьучителю информатики, Колосову Алексею Михайловичу, за помощь в созданиипрезентации моей работы.
Я выражаю благодарностьорганизатором конкурса за предоставленную возможность выступить со своейработой и высказать свою точку зрения по многим вопросам энергетики.
Я считаю, что моя работаможет быть использована в качестве дополнительной литературы в школах дляуроков физики и истории.
Список использованной литературы
1.        Веников В.А., Журавлёв В.Р., Филиппова Т.А. Энергетика в современноммире.
2.        Гладков К.А. Энергия атома.
3.        Касьянов В.А. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательныхучреждений.
4.        Кирьянов А.П., Коршунов С.М. Термодинамика и молекулярная физика.
5.        Кухлинг Х. Справочник по физике.
6.        Левин М.И. Машина-двигатель.
7.        Свитков Л.П. Термодинамика и молекулярная физика.
8.        Тёльдеши Ю., Лесны Ю. Мир ищет энергию.
9.        М.: «ВЕЧЕ» 100 великих изобретений.