Хронология технологии тепловых двигателей

Эта хронология технологии тепловых двигателей описывает, как тепловые двигатели были известны с древности, но с 17 века их превращали во все более полезные устройства, когда было достигнуто лучшее понимание задействованных процессов. Тепловой двигатель — это любая система, которая преобразует тепло в механическую энергию , которую затем можно использовать для совершения механической работы . Их разработка продолжается и сегодня.

В технике и термодинамике тепловой двигатель выполняет преобразование тепловой энергии в механическую работу , используя температурный градиент между горячим «источником» и холодным « поглотителем ». Тепло передается стоку от источника, и в этом процессе часть тепла преобразуется в работу .

Тепловой насос — это тепловой двигатель, работающий в обратном направлении. Работа используется для создания теплового перепада. Временная шкала включает в себя устройства, классифицируемые как двигатели и насосы, а также определяющие значительные прорывы в человеческом понимании.

До 17 века

Предыстория. Огненный поршень , используемый племенами Юго-Восточной Азии и на островах Тихого океана для разжигания огня.
в. 450 г. до н.э. - Архит из Тарента использовал струю пара, чтобы привести в движение игрушечную деревянную птицу, подвешенную на проволоке. ^[1]
в. 50 год нашей эры — Герой Александрийской машины, также известный как Эолипил . Демонстрирует вращательное движение, вызванное реакцией струй пара. ^[2]
в. X век. В Китае разрабатываются самые ранние огненные копья , которые представляли собой копьевидное оружие, состоящее из бамбуковой трубки, содержащей порох и шрапнель, похожие на снаряды, привязанные к копью.
c 12 век - Китай, самое раннее изображение ружья с металлическим корпусом и плотно прилегающим снарядом, обеспечивающим максимальное преобразование горячих газов в движение вперед. ^[3]
1125 г. - Герберт, профессор школ Реймса, спроектировал и построил орган, надуваемый воздухом, выходящим из сосуда, в котором он сжимался нагретой водой. ^[4]
1232 г. – Первое зарегистрированное использование ракеты . В битве между китайцами и монголами. (см. «Хронологию развития ракет и ракетных технологий» , чтобы увидеть развитие ракет во времени.)
в. 1500 – Леонардо да Винчи строит Архитоннер , паровую пушку. ^[5]
1543 г. - Бласко де Гарай, испанский военно-морской офицер, демонстрирует лодку, приводящую в движение без весел и парусов, в которой использовалась реакция струи, выходящей из большого котла с кипящей водой. ^[4]
1551 — Таки ад-Дин демонстрирует паровую турбину , используемую для вращения вертела . ^[6]

17 век

1629 — Джованни Бранка демонстрирует паровую турбину . ^[7]
1662 г. - Роберт Бойль публикует закон Бойля , который определяет взаимосвязь между объемом и давлением газа при постоянной температуре. ^[8]
1665 — Эдвард Сомерсет , второй маркиз Вустер строит действующий паровой фонтан. ^[9]
1680 г. - Христиан Гюйгенс публикует проект поршневого двигателя, работающего на порохе , но он так и не был построен.
1690 г. - Дени Папен - разрабатывает конструкцию первой поршневой паровой машины.
1698 г. - Томас Савери строит беспоршневой паровой водяной насос для откачки воды из шахт.

18-ый век

1707 — Дени Папен — совместно с Готфридом Лейбницем разрабатывает конструкцию своей второй поршневой паровой машины .
1712 – Томас Ньюкомен строит первый коммерчески успешный паровой водяной насос с поршневым и цилиндром для откачки воды из шахт. Он известен как атмосферный двигатель и работает за счет конденсации пара в цилиндре для создания вакуума, который перемещает поршень под действием атмосферного давления.
1748 – Уильям Каллен демонстрирует первое искусственное охлаждение на публичной лекции в Университете Глазго в Шотландии.
1759 – Джон Харрисон использует биметаллическую полоску в своем третьем морском хронометре (H3) для компенсации температурных изменений пружины баланса. Это преобразует тепловое расширение и сжатие двух разнородных твердых тел в механическую работу.
1769 г. - Джеймс Ватт патентует свой первый улучшенный атмосферный паровой двигатель, см. Паровой двигатель Ватта с отдельным конденсатором вне цилиндра, что удваивает эффективность более ранних двигателей.
1787 г. - Жак Шарль формулирует закон Шарля , описывающий зависимость между объемом газа и температурой. Однако он не публикует это, и это не признается до тех пор, пока Жозеф Луи Гей-Люссак не разработает и не ссылается на него в 1802 году.
1791 – Джон Барбер патентует идею газовой турбины .
1799 – Ричард Тревитик строит первую паровую машину высокого давления. При этом для перемещения поршня использовалась сила пара под давлением.

19 век

1802 – Жозеф Луи Гей-Люссак разработал закон Гей-Люссака , описывающий зависимость между давлением и температурой газа.
1807 - Нисефор Ньепс установил свой двигатель внутреннего сгорания Пиреолофор , питаемый «мохом, угольной пылью и смолой», в лодку и дал энергию реке Соне во Франции.
1807 г. – франко-швейцарский инженер Франсуа Исаак де Риваз построил двигатель Де Риваза , работающий за счет внутреннего сгорания смеси водорода и кислорода, и использовал его для привода колесного транспортного средства. ^[10]
1816 – Роберт Стирлинг изобрел двигатель Стирлинга , разновидность двигателя с горячим воздухом .
1824 – Николя Леонар Сади Карно разработал цикл Карно и связанную с ним гипотетическую тепловую машину Карно , которая является базовой теоретической моделью для всех тепловых двигателей . Это дает первое раннее понимание второго закона термодинамики .
1834 – Джейкоб Перкинс получил первый патент на парокомпрессионную холодильную систему.
1850-е годы - Рудольф Клаузиус излагает концепцию термодинамической системы и позиционирует энтропию как то, что в любом необратимом процессе небольшое количество тепловой энергии δQ постепенно рассеивается через границу системы.
1859 — Этьен Ленуар разработал первый коммерчески успешный двигатель внутреннего сгорания — одноцилиндровый двухтактный двигатель с электрическим зажиганием осветительного газа (не бензина).
1861 - Альфонс Бо де Роша из Франции создает концепцию четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, подчеркивая ранее недооцененную важность сжатия топливно-воздушной смеси перед воспламенением.
1861 – Николаус Отто патентует конструкцию двухтактного двигателя внутреннего сгорания Ленуара.
1867 — Джеймс Клерк Максвелл постулировал мысленный эксперимент , который позже стал известен как «демон Максвелла» . Это, казалось, нарушало второй закон термодинамики и положило начало идее о том, что информация является частью физики тепла.
1872 г. – паровой насос с пульсометром , беспоршневой насос, запатентованный Чарльзом Генри Холлом. Он был вдохновлен паровым насосом Savery.
1873 – Британский химик сэр Уильям Крукс изобретает световую мельницу – устройство, которое превращает лучистую теплоту света непосредственно во вращательное движение.
1877 г. - Теоретик Людвиг Больцман представил вероятностный способ измерения энтропии ансамбля частиц идеального газа, в котором он определил энтропию как пропорциональную логарифму числа микросостояний, которые может занимать такой газ.
1877 - Николаус Отто патентует практичный четырехтактный двигатель внутреннего сгорания ( патент США 194 047 ).
1883 – Сэмюэл Гриффин из Бата, Великобритания, патентует шеститактный двигатель внутреннего сгорания . ^[11]
1884 – Чарльз А. Парсонс строит первую современную паровую турбину .
1886 - Герберт Акройд Стюарт создает прототип двигателя с горячей лампой , двигателя с воспламенением от сжатия и гомогенного заряда, работающего на жидком топливе, аналогичного более позднему дизелю, но с более низкой степенью сжатия и работающего на топливно-воздушной смеси.
1887 - Лорд Рэлей обсудил теоретическую возможность создания термоакустического теплового двигателя , который мог бы превращать разницу температур непосредственно в механическое движение, используя только звуковые волны. Трубка Рийке уже продемонстрировала это в 1859 году.
1892 – Рудольф Дизель патентует дизельный двигатель ( патент США 608845 ), в котором высокая степень сжатия генерирует горячий газ, который затем воспламеняет впрыскиваемое топливо . После пяти лет экспериментов и помощи компании MAN в 1897 году он построил работающий дизельный двигатель.

20 век

Примерно в 1910 году неизвестный изобретатель изготавливает игрушку « Пьющая птица », игрушечную птицу, которая непрерывно колеблется на шарнире, приводящемся в движение испарением и конденсацией летучей жидкости. Влажная и сухая части игрушки создают небольшую разницу температур из-за испарения воды.
В 1909 году голландский физик Хайке Камерлинг-Оннес развивает концепцию энтальпии как меры «полезной» работы, которую можно получить в закрытой термодинамической системе при постоянном давлении.
1913 – Никола Тесла патентует турбину Теслы , основанную на эффекте пограничного слоя .
1926 – Роберт Годдард из США запускает первую ракету на жидком топливе .
1929 - Феликс Ванкель патентует роторный двигатель Ванкеля ( патент США 2 988 008 ).
1929 - Лео Сцилард , в усовершенствовании знаменитого сценария демона Максвелла, задумал тепловой двигатель, который может работать только на информации, известный как двигатель Сциларда .
1930 – сэр Фрэнк Уиттл в Англии патентует первую конструкцию газовой турбины для реактивного движения .
1933 – французский физик Жорж Ж. Ранк изобретает вихревую трубку , устройство для потока жидкости без движущихся частей, которое может разделять сжатый газ на горячий и холодный потоки.
1935 - Ральф Х. Фаулер изобретает название « нулевой закон термодинамики », чтобы обобщить постулаты, сделанные более ранними физиками о том, что тепловое равновесие между системами является транзитивным отношением .
1937 – Ганс фон Охайн строит газовую турбину.
1940 — Венгр Бела Карловиц , работающий в компании Westinghouse в США, подает первый патент на магнитогидродинамический генератор , который может генерировать электроэнергию непосредственно из горячего движущегося газа.
1942 — Р. С. Гоглер из General Motors патентует идею тепловой трубки — механизма теплопередачи, который сочетает в себе принципы теплопроводности и фазового перехода для эффективного управления передачей тепла между двумя твердыми границами раздела.
1950-е годы – компания Philips разрабатывает криокулер Стирлинга с циклом Стирлинга , который преобразует механическую энергию в разницу температур.
1957 г. - первая демонстрация В. Уилсоном практического термоэмиссионного преобразователя паров цезия в дуговом режиме. Электроны горячего катода действуют как рабочее тело, которое конденсируется на холодном аноде и производит электрический ток. В следующем десятилетии было продемонстрировано несколько его применений, включая использование с солнечными источниками тепла , источниками тепла сжигания , радиоизотопами и ядерными реакторами . ^[12]
1959 - Гейсик, Шульц-Дюбуа и Сковилл из Bell Telephone Laboratories, США, создают трехуровневый мазер , который работает как квантовый тепловой двигатель , извлекая работу из разницы температур двух тепловых бассейнов.
1962 – Уильям Дж. Бюлер и Фредерик Ван открывают никель-титановый сплав, известный как нитинол , который обладает памятью формы, зависящей от его температуры.
1962 - Николаус Ротт вновь открыл тему термоакустических двигателей , описанных лордом Рэлеем в 1887 году, и провел полный теоретический анализ, который привел к технологическому развитию и рабочему устройству, установленному на космическом корабле "Шаттл" в 1992 году.
1992 г. – в Сербии и США построены первые практические магнитогидродинамические генераторы .
1996 г. – запатентован квазитурбинный двигатель. Беспоршневой роторный двигатель с ромбовидным ротором, стороны которого шарнирно закреплены в вершинах. Похож на двигатель Ванкеля , но шарниры по краям позволяют увеличить соотношение объемов.

21-го века

2011 г. - Шоичи Тоябе и другие демонстрируют работающий двигатель Сциларда с помощью фазово-контрастного микроскопа, оснащенного высокоскоростной камерой, подключенной к компьютеру. ^[13]
2011 — Университет штата Мичиган создает первый волновой дисковый двигатель . Двигатель внутреннего сгорания, в котором отсутствуют поршни, коленчатые валы и клапаны, а вместо них установлен дискообразный генератор ударных волн. ^[14]
2019 - Роберто Серра и другие демонстрируют работающий квантовый тепловой двигатель, основанный на системе спина 1/2 и методах ядерного магнитного резонанса , в университетах Ватерлоо , Федеральном университете ABC и Бразильском центре физических исследований . ^[15]
2020 г. - Инженеры лаборатории передовых устройств RIKEN демонстрируют наноустройство, которое может действовать как тепловой двигатель или холодильник за счет использования квантовых эффектов . ^[16]

Смотрите также

Связанные сроки:

Хронология развития ракет и ракетных технологий . Ракеты можно рассматривать как тепловые двигатели. Тепло их выхлопных газов преобразуется в механическую энергию.
История термодинамики
История двигателя внутреннего сгорания
Хронология развития двигателей и двигателей
Хронология паровой энергетики
Хронология технологии измерения температуры и давления

Хронологию всех человеческих технологий см.:

Хронология исторических изобретений