Как пещерные люди приручили огонь?

Индейцы и мази

Нефть как источник света на Западе игнорировали ещё долго, но появление бензина в нашей жизни косвенно приблизили изобретения светил Средневековья и эпохи Возрождения – к примеру, технологии дистилляции алкоголя, в области которых пионером стал флорентийский доктор Таддео Альдеротти, живший в XIII веке. Нефтяники нашего времени по сей день вспоминают его с теплотой, судя по книгам «Американская нефтяная промышленность» Уильяма Даума и «Пятнадцать веков битума» Р. Форбса. Но как ни странно, фармацевтическая промышленность повлияла на возникновение бензина ещё сильнее алкогольной.

Как часто бывало при столкновении неизвестных субстанций с человеческой предприимчивостью, нефти приписывали чудотворные целебные свойства. В Северной Америке, например, интерес к нефти передался колонизаторам от коренных американцев, которые лечили ею кожные заболевания и обморожения.

Но если индейцы натыкались на нефть случайно и эпизодически, колонизаторы начали сталкиваться с ней регулярно, в процессе бурения для добычи соли. Вскоре из нефти стали делать мази, анестетики и тонизирующие средства. И хоть их эффективность была довольно сомнительной, отрасль процветала.

Сохранилась, например, запись из «Американского журнала науки» 1833 года, описывающая, как из-за огромного спроса на нефть цены на неё выросли до 40-50 центов за пузырёк (в этой же записи упоминается, что нефть удивительно быстро излечивает недуги лошадей, но нам остаётся лишь поверить на слово).  

При этом в районах, где было много нефти, её использовали как замену более дорогому китовому жиру, который тогда использовали в масляных лампах. А ещё как смазочный материал для станков, поскольку американцы быстро заметили, что нефть позволяет поддерживать работоспособность деталей лучше, чем животные и растительные жиры.

Люди перестали бояться огня

Прошли сотни тысяч лет, в течение которых люди перестали бояться огня, а потом научились его использовать.

Им приходилось иметь дело с огнём регулярно, постепенно привыкая к нему и переставая бояться. С доисторических времён и вплоть до XIX века люди добывали огонь примерно одинаково при помощи огнива и трута. Искру либо высекали, либо получали трением. Но антропологи до сих пор не знают, как появился трут. Для него использовали сухую траву, кору или гриб-трутовик. А для огнива использовали камень кремень. Из него изготавливались и первые орудия труда.

Возможно, обтёсывая камень о камень, появилась искра, которая воспламенила лежащую рядом сухую траву или листву. Таким образом, добывание своего огня люди начали после того, как стали обрабатывать камни. Постепенно первобытный человек перестал бояться такого явления и стал использовать его в своих целях.

Таким образом люди научились добывать огонь при помощи огнива. Они также научились и тушить огонь. Все эти навыки и знания позволили использовать пламя с пользой для себя: готовить на нём еду, обороняться от хищников и обогревать жилище.

Энергия топлива

Подробности

Просмотров: 582

В природе существует много горючих веществ, которые при сгорании выделяют тепло.
Однако, топливом можно считать лишь те горючие вещества, у которые обладают большой удельной теплотой сгорания, низкой температурой воспламенения. отсутствием вредных продуктов сгорания, широко распространены в природе, просты в добыче и транспортировке.
Чем больше выделяется тепла при сгорании топлива, тем лучше.

Разные виды топлива одинаковой массы при полном сгорании выделяют разное количество теплоты. Сравнить количества теплоты , выделившиеся при сгорании разных видов топлива можно,используя физическую величину — удельную теплоту сгорания.

Удельная тплота сгорания показывает, какое количество теплоты выделится при полном сгорании 1 кг данного топлива.
Единица измерения удельной теплоты сгорания в системе СИ:
= 1 Дж/кг
Расчетная формула для количества теплоты, выделившейся при полном сгорании топлива:

где Q — количество выделившейся теплоты ( Дж ),
q — удельная теплота сгорания ( Дж/кг ),
m — масса сгоревшего топлива ( кг )

ИНТЕРЕСНО

Растения ежегодно производят 300 000 000 000 т кислорода. А при старте одной лишь ракеты сжигается в качестве топлива от 100 т до 1000 т жидкого кислорода.

Можно ли получить холод при сжигании угля ?

Получение из угля не жара, а холода каждодневно осуществляется на заводах так называемого «сухого льда». Уголь сжигается в котлах, а образующейся дым очищается и содержащийся в нем углекислый газ улавливается щелочным раствором. Затем щелочной раствор нагревают и из него выделяется углекислый газ. Углекислый газ при последующем охлаждении и сжатии переводится в жидкое состояние под давлением 70 атм. Эта жидкая углекислота в толстостенных баллонах доставляется на заводы шипучих напитков. Она так холодна, чтобы может заморозить грунт, как делалось при сооружении метро.
Для многих целей в промышленности и в медицине требуется углекислота в твердом виде – «сухой лед», который и получают при дальнейшем охлаждении углекислоты.
Самое горячее пламя получается при сгорании субнитрида углерода (C4N2), дающего при 1 атм. температуру 5261 K.

ЗАГЛЯНИ НА КНИЖНУЮ ПОЛКУ

Что такое пламя, и как оно выглядит в невесомости.
Как тушат огонь с помощью огня?
Опыт Фарадея.
Пламя, отпечатанное на бумаге.

ПЛАМЯ СВЕЧИ

В пламени любого источника света имеется очень накаленная полоса, а в других частях теплота почти незаметна. Зажгите свечу и наблюдайте за фитилем. В пламени свечи легко различить отдельные полосы. Внизу вы увидите коричневую точку l, где свет почти не воспринимаем для глаза, а несколько выше синеватую часть m.

В синюю часть пламени кислород не проникает, и газы здесь не горят, оставаясь невоспламеняемыми. Это резервуар, питающий часть n, в которой газы подвергаются полному сгоранию. Вид этой полосы ярко красный. Часть n окружает полоса r, плохо видимая, но самая горячая из всех. Здесь происходит процесс полного сжигания углерода.

Следующая страница

Назад в раздел «8 класс»

Потенциальная энергия

Потенциальная энергия тела также зависит от массы объекта.

Потенциальная энергия является другим основным типом энергии и связана с положением или состоянием объекта по отношению к другому.

Потенциальная энергия увеличивается, когда притягиваемые тела отделяются или когда отбрасываемые или отталкиваемые тела объединяются. Область, в которой объекты притягиваются или отталкиваются, называется силовым полем. Примерами силовых полей могут быть, например, гравитационное силовое поле Земли или магнитное силовое поле.

Потенциальная и кинетическая энергия

Потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию, а также может быть найдена в других видах энергии, таких как потенциальная гравитационная энергия или упругая потенциальная энергия.

Гравитационная потенциальная энергия

В тот момент, когда спортсмен достигает высшей точки, он обладает большей потенциальной энергией.

Когда потенциальная энергия связана с гравитационной силой, она называется потенциальной гравитационной энергией. Гравитационное силовое поле вокруг нашей планеты притягивает объекты к ее центру. Когда мы поднимаем объекты, отделяя их от Земли, мы увеличиваем их гравитационную потенциальную энергию.

Существует потенциальная гравитационная энергия между Солнцем и планетами, а также между Луной и Землей. Фактически, приливы являются результатом притяжения, которое Луна создает на земных водоемах.

Эластичная потенциальная энергия — это то, что движет в пружине. Также в прыжках с шестом в легкой атлетике у нас есть пример того, как упругая потенциальная энергия превращается в гравитационную потенциальную энергию.

Что такое тепло?

Начнем с вопроса одновременно легкого и сложного: что такое тепло?

Теплом называется природная энергия, которая создается беспорядочным движением частиц тела (атомов, молекул и т. п.) и проявляется в нагревании этого тела.

Такое определение не было известно людям сразу. Например, было такое предположение: теплота — это невидимая, невесомая жидкость, которая притекает в физические тела. И чем больше объем этой жидкости, тем тело горяче́е. Конечно же, эта гипотеза не нашла подтверждения.

Позже ученые обратили внимание на поведение молекул при нагревании или охлаждении тела. С ростом температуры скорость молекул возрастает, они чаще сталкиваются друг с другом

При этом растет потенциальная и кинетическая энергия, а значит, и внутренняя, что проявляется в буквальном нагревании тела. Такое хаотичное движение молекул называют тепловым движением.

Тепловое движение — процесс хаотичного движения частиц, образующих вещество.

Логично предположить: раз с ростом температуры скорость молекул увеличивается, то при понижении температуры скорость будет падать. Но возможна ли полная остановка движения? До какой температуры следует охладить тело в таком случае?

Чтобы это произошло, потребуется охладить тело до абсолютного нуля по шкале Кельвина, что соответствует −273,15 °C, или −459,67 °F. Молекулы в таких условиях прекратят движение и замрут в узлах кристаллической решетки. Но достичь такого температурного режима невозможно ни на планете Земля, ни во всей Вселенной, ни даже в лабораторных условиях.

Практикующий детский психолог Екатерина Мурашова
Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков
Получить

Применение

Кто изобрел паровую машину, уже известно. Осталось узнать, где их применяли. До середины ХХ века паровые машины применяли в промышленности. Также их использовали для железнодорожного и парового транспорта.

Заводы, которые эксплуатировали паровые двигатели:

• сахарные;
• спичечные;
• бумажные фабрики;
• текстильные;
• пищевые предприятия (в отдельных случаях).

Паровые турбины также относятся к данному оборудованию. С их помощью до сих пор работают генераторы электроэнергии. Около 80% мировой электроэнергии вырабатывается с применением паровых турбин.

В свое время были созданы различные виды транспорта, работающие на паровом двигателе. Некоторые не прижились из-за нерешенных проблем, а другие продолжают работать и в наши дни.

Транспорт с паровым двигателем:

• автомобиль;
• трактор;
• экскаватор;
• самолет;
• локомотив;
• судно;
• тягач.

Такова история изобретения паровых машин. Кратко можно рассмотреть удачный пример о гоночном автомобиле Серполле, созданном в 1902 году. На нем был установлен мировой рекорд по скорости, который составил 120 км в час на суше. Именно поэтому паровые авто были конкурентоспособными по отношению к электрическим и бензиновым аналогам.

Так, в США в 1900 году больше всего было выпущено паровых машин. Они встречались на дорогах до тридцатых годов ХХ века.

Большая часть подобного транспорта стала непопулярной после появления двигателя внутреннего сгорания, чей КПД значительно выше. Такие машины были более экономичными, при этом легкими и скоростными.

Удельная теплота сгорания газообразного топлива и горючих газов

Представлена таблица удельной теплоты сгорания газообразного топлива и некоторых других горючих газов в размерности МДж/кг. Из рассмотренных газов наибольшей массовой удельной теплотой сгорания отличается водород. При полном сгорании одного килограмма этого газа выделится 119,83 МДж тепла. Также высокой теплотворной способностью обладает такое топливо, как природный газ — удельная теплота сгорания природного газа равна 41…49 МДж/кг (у чистого метана 50 МДж/кг).

Удельная теплота сгорания газообразного топлива и горючих газов (водород, природный газ, метан)

Топливо	Удельная теплота сгорания, МДж/кг
1-Бутен	45,3
Аммиак	18,6
Ацетилен	48,3
Водород	119,83
Водород, смесь с метаном (50% H2 и 50% CH4 по массе)	85
Водород, смесь с метаном и оксидом углерода (33-33-33% по массе)	60
Водород, смесь с оксидом углерода (50% H2 50% CO2 по массе)	65
Газ доменных печей	3
Газ коксовых печей	38,5
Газ сжиженный углеводородный СУГ (пропан-бутан)	43,8
Изобутан	45,6
Метан	50
н-Бутан	45,7
н-Гексан	45,1
н-Пентан	45,4
Попутный газ	40,6…43
Природный газ	41…49
Пропадиен	46,3
Пропан	46,3
Пропилен	45,8
Пропилен, смесь с водородом и окисью углерода (90%-9%-1% по массе)	52
Этан	47,5
Этилен	47,2

Киты и керосин

По причине удорожания китового жира как основного вещества для наполнения ламп, американские предприниматели стали искать ему альтернативы. Так, например, появился камфин – осветительная жидкость, изготовленная из смеси скипидара и спирта. Камфин приобрел большую, но недолгую популярность – во время Гражданской войны в США на все спирты ввели огромный налог, который заставил рынок в очередной раз искать новое топливо.

Марка с изображением спасителя китов

Так и настал черёд керосина, который уже надолго закрепился в истории нашей цивилизации. Его отцом можно назвать Авраама Геснера, одного из пионеров каменноугольного топлива. На основе всех имеющихся на тот момент знаний о переработке углеродов Геснер в 1846 году разработал новые методы работы с горючими (битуминозными) сланцами, выделив новое вещество, которое по качеству освещения не уступало привычному китовому жиру.

Открытие Геснера продвинуло отрасль не столько в силу самих технологий (которые довольно оперативно усовершенствовали его современники), сколько благодаря демонстрации экономических преимуществ и перспектив нефти в роли топлива. Уже к 1859 году в США работало около 33 предприятий по переработке нефти, которые и начали заниматься целенаправленным бурением нефтяных скважин.

Рокфеллер и бензин

В 1862 году нефтеперерабатывающий завод приобрёл некий Джон Рокфеллер вместе со своими партнёрами. Успехи в бизнесе позволили Рокфеллеру уже в 1870 году основать собственную компанию – Standard Oil, а его необычайная хваткость – уже к 1880 году стать монополистом. Развитие отрасли было опосредовано не менее стремительным развитием технологий, которые позволили путём перегонки нефти выделить более лёгкий, чем керосин, продукт – бензин.

Standard Oil приобретала едва ли не каждый патент, который мог способствовать прибыльности бизнеса, и её успеху не мешали ни конкуренты, ни законодательство. Единственное, что ставило прибыли компании под угрозу – растущие темпы электрификации городов, которые существенно снижали популярность нефтепродуктов как горючих жидкостей для освещения.

Но и здесь обстоятельства в итоге сыграли компании на руку – ведь параллельно с электрификацией шёл другой, не менее важный процесс: разработка двигателей внутреннего сгорания. В 1877 году немецкий инженер Николаус Отто представил миру четырёхтактный газовый двигатель, в 1883 году появился бензиновый двигатель Даймлера и Майбаха, а уже в 1886 был создан первый в мире автомобиль Карла Бенца – Motorwagen.

Вот так выглядел двигатель Отто. А разработанный им цикл из 4-х тактов применяется в двигателях и по сей день.

Не менее активно над автомобилями работали Уильям Дюрант и Генри Форд, которые сделали автомобили по-настоящему массовыми. К 1910 году продажи бензина превзошли совокупные продажи керосина и осветительного масла, а количество автомобилей Ford и General Motors росло в геометрической прогрессии, достигнув около 2,5 млн единиц к 1915 году и более 9,2 млн – к 1920 году.

Шуховская установка для термического крекинга, г. Баку.

Ошеломительный спрос на бензин позволила удовлетворить технология крекинга, запатентованная в 1891 году нашим соотечественником Владимиром Шуховым. Переработка нефти при высокой температуре в непрерывно действующей трубчатой установке позволила получать гораздо больше бензина. И как это часто бывает при диффузии инноваций, технология Шухова распространилась по всему миру, подтолкнув триумфальное шествие нефти в роли «чёрного золота».

Углерод — важнейшая составляющая топлива

Самой важной составляющей большинства видов топлива является углерод. В угле его содержится очень много, и поэтому он горит ровно и дает жаркое пламя

Твердый уголь, или, как его еще называют, антрацит, имеет более высокий процент углерода, чем остальные виды угля. Поэтому, сгорая, антрацит дает меньше дыма и пепла.

Крупные куски угля горят плохо и медленно. Значительно лучше сгорает угольная пыль. Поэтому на современных тепловых станциях уголь «перемалывают» в мельчайшую пыль. Потоком горячего воздуха эта пыль вдувается в топку парового котла через специальные горелки. Сгорая налету, угольная пыль превращается в яркий факел пламени с температурой до 1500°C. Это пламя нагревает воду, превращая ее в пар.

Это интересно!

Из угля можно получать и жидкое топливо. Такое открытие сделали два немецких ученых — Франц Фишер (1877—1947) и Ганс Тропш (1889—1935) — в 1925 г. Процесс получил название Фишера—Тропша. А заключается он в том, что измельченный уголь нагревается вместе с полученным из угля растворителем и затем вступает в реакцию с синтез-газом (водородом). При этом образуется жидкий продукт, который в дальнейшем перерабатывают с использованием нефтеперерабатывающих установок.

Установка для получения жидкого топлива из угля

Понятие тепловых явлений

Тепловые явления — это физические процессы, протекающие в телах при их нагревании или охлаждении. То есть это те явления, которые происходят с телами по мере изменения их температуры.

Давайте сделаем небольшую остановку на этом физическом понятии, а потом продолжим.

Температура — мера нагретости тела. Ее можно измерить с помощью термометра, или по-простому градусника. У этого прибора есть множество разновидностей, но в быту чаще всего пользуются ртутными (для измерения температуры человеческого тела), жидкостными (для измерения температуры воздуха или жидкости) и электронными термометрами.

В мире используют несколько температурных шкал: Цельсия, Кельвина и Фаренгейта. На онлайн-уроках физики в школе Skysmart вы подробнее познакомитесь с ними и научитесь легко переводить значения из одной шкалы в другую!

Бесплатные занятия по английскому с носителем
Занимайтесь по 15 минут в день. Осваивайте английскую грамматику и лексику. Сделайте язык частью жизни.
Записаться на интенсив

Какой есть выход?

Еще один способ, при помощи которого можно вывести водород, действует при помощи электричества. Благодаря электролизу научились добывать водород из воды — способ добычи наиболее безопасный, поскольку в атмосферу выбрасывается только кислород, который полезен для всего живого.

Эффективно использовать электролиз для добычи водорода могут те страны, в которых развита традиционная энергетика в виде АЭС или ГЭС — эти станции вырабатывают самое дешевое электричество. Солнечные батареи или ветряные вышки не смогут обеспечить электричеством производство водорода, поскольку вырабатывают его в сотни раз меньше, чем АЭС и ГЭС.

Чтобы автомобили не производили вредный выхлоп, двигатель внутреннего сгорания необходимо заменить на подобие аккумулятора, активным веществом в котором будет не ток, а водород. Вещество необходимо заправлять в двигатель, как бензин или зарядка для электрокаров. Коэффициент полезного действия у таких движков выше, чем у традиционных, а автомобиль не выбрасывает вредные газы в воздух.

Каким образом можно нагреть вещество?

На самом деле способов больше, чем один. Телу можно передать тепло непосредственно или же изменить его внутреннюю энергию, совершив над ним работу.

Теплопередача

К видам теплопередачи относятся теплопроводность, конвекция и излучение. Чтобы лучше понять, чем отличается один тип от другого, давайте разберем примеры.

1. Теплопроводность. Представьте, что ваши руки замерзли и вы держите в руках кружку кофе, чтобы их согреть. В таком случае тепло от более нагретого тела (кружки) передается менее нагретому (вашим рукам), до тех пор пока температура двух объектов не станет одинаковой. Так, горячая вода отдает свое тепло холодной при смешивании, а суп нагревает холодную ложку, если ее оставить в тарелке. Только аккуратно, не обожгитесь!

2. Конвекция — вид теплообмена, при котором внутренняя энергия передается струями и потоками самого вещества. Проще говоря, это процесс, который происходит в жидкостях и газах, когда слои вещества разной температуры перемешиваются. На этом принципе основано отопление помещения и проветривание комнаты. Кстати, ветры, дующие над поверхностью земного шара, — это тоже пример конвекции.

3. Излучение. Догадывались ли вы, что мы сталкиваемся с этим типом теплопередачи каждый день? Именно день, ведь солнечный свет излучает тепло с помощью электромагнитных волн, что делает жизнь на планете Земля возможной. По правде говоря, любое нагретое тело может стать источником тепла (человек, животные, свеча, костер, звезды). Это можно увидеть с помощью особого прибора — тепловизора.

Совершение работы над веществом

Здесь мы тоже не обойдемся без понятного примера. Возьмем пробирку с керосином, обыкновенный шнурок и термометр. Замерим начальную температуру и начнем натирать пробирку шнурком. Что произойдет с температурой? Она начнет возрастать. Это происходит благодаря теплопередаче? Или, может, невидимое излучение заставляет керосин нагреваться? Нет, мы изменили температуру вещества, совершив над ним работу.

Итак, подведем промежуточные итоги:

1. Тепло — это энергия, которая создается тепловым движением молекул.

2. Тепловое движение — процесс хаотичного движения частиц, образующих вещество.

3. С ростом температуры растет и скорость движения молекул, а полностью остановить это движение практически невозможно.

4. Изменить температуру тела можно двумя способами: с помощью теплопередачи или изменения внутренней энергии тела при совершении над ним работы.

Безлопастная турбина Теслы

Турбина Теслы из музея

Эту турбину Тесла запатентовал в 1913 году. Изобретение турбины без лопастей по сути было вынужденным, так как для изготовления турбины с лопастями не было подходящих технологий, да и аэродинамическая теория ещё не была создана, поэтому Тесла решил использовать эффект пограничного слоя, а не давление вещества на лопатки, как сейчас широко распространено в традиционных турбинах.

Устройство турбины Теслы

Часто можно встретить утверждения, что КПД его турбины может теоретически достигать 95%, но на практике на заводах Вестингауза такая турбина показала КПД в районе 20%. Хотя позже различные модификации турбины другими изобретателями доводили КПД до 40% и более.

Путь жидкости в турбине Теслы

Очень хорошо принципы работы турбины Тесла на английском языке объяснены в этом видео:

По состоянию на 2016 год турбина Теслы так и не нашла широкого коммерческого использования с момента своего изобретения. Пока что ей удалось найти узкое применение в насосах. Связано это в первую очередь с тем, что диски внутри турбины сильно деформируются во время работы и это сказывается на общей эффективности применения турбины. Хотя сейчас продолжаются технологические поиски, чтобы решить все возникающие проблемы. Сравнительно недавно вопрос о деформации дисков частично был решён с использованием новых материалов, таких как углеродное волокно.