För att bevittna ångans otroliga kraft behöver du inte se längre än till utbrottet av gejsrar eller explosionen av gaser som uppstår när lavan når havet. Den tidiga människan bevittnade sådana sevärdheter och har länge försökt kontrollera ångans råa kraft genom teknik som sträcker sig från den grundläggande tekokaren till ångloket till det moderna kärnkraftverket.
Oavsett vilken tekniknivå som är involverad, kommer ångkraften ner på en grundläggande princip:När vattnet värms upp till att det förångas tar det förångade vattnet upp mer plats än det flytande vattnet gjorde. Detta beror på att fasta ämnen, vätskor och gaser hålls samman av olika nivåer av molekylära krafter. I fasta ämnen är molekylerna kompakta. I vätskor är de längre ifrån varandra. Och i gaser som ånga är de ännu längre ifrån varandra.
Om du värmer en burk soppa i en eld, kommer vätskeinnehållet att förångas och så småningom expandera till den punkt där burken exploderar för att släppa trycket inuti. När detta tryck används för att utföra en viss uppgift - som att vrida en turbin eller få en vattenkokare att vissla - utnyttjar ångteknik ångkraft. Metoderna för att värma, innehålla, kanalisera och använda ånga har förändrats, men grundprincipen förblir densamma.
Att lära sig att utnyttja kraften i ånga har varit en lång process. Den grekiske matematikern Hero teoretiserade användningen av ångteknologi under andra hälften av det första århundradet. Det skulle dock dröja långt över 1 600 år innan den första praktiska ångmaskinen kom till, som ledde vägen för uppfinningen av ångloket. Dessa lok drivs av ångmaskiner och utnyttjade ångenergin för att driva tåg över stora avstånd.
Innehåll
De tidigaste kända uppgifterna om ångteknologi går tillbaka till Alexandria år 75 e.Kr. Mathematician Hero, även känd som "Heros" eller "Heron", skrev tre böcker om mekanik och luftens egenskaper och presenterade planer för en enkel ångmaskin.
Heros design krävde en ihålig sfär med böjda rör som kom fram från vardera sidan av den. Denna mekanism fylldes sedan med vatten och monterades ovanför en eld. Eftersom värmen fick vattnet inuti sfären att förångas, tvingades ånga att ventilera genom de två rören. Denna ångdrivna framdrivning fick sfären att rotera — som ett hjul som vrids av flasraketer.
Heros metod för att omvandla ångkraft till rörelse var grunden för senare ångteknologi. Men ett stort antal vetenskapliga framsteg var nödvändiga innan koncepten bakom hans ångturbin kunde tas till praktisk användning. Även om människor som Leonardo da Vinci lekte med idén om ångkraft (uppfinnaren föreslog 1495 att ångkraft kunde avfyra en projektil), hjälpte framsteg inom teknik och mer exakta mätningar av temperatur och tid att bana väg för den kommande tidsåldern för ångan.
År 1606 registrerade Giovanni Battista della Porta från Neapel sina teorier om ångans roll för att skapa ett vakuum. Han teoretiserade att om vatten omvandlas till ånga inuti en sluten behållare resulterade i ökat tryck, skulle ånga som kondenseras till vatten inuti en stängd kammare resultera i minskat tryck. Denna nya förståelse av ånga spelade en avgörande roll i framtida utvecklingar.
År 1679 lyckades den franske vetenskapsmannen och matematikprofessorn Denis Papin förvandla della Portas teori till verklighet genom ett överraskande inhemskt projekt:"Digester or Engine for Softening Bones". Den förseglade kokkärlet var i princip den första tryckkokaren. Papin expanderade på denna enhet genom att lägga till en glidkolv på toppen av en sluten cylinder full med vatten. När den värmdes upp tryckte den expanderande ångan upp kolven. När ångan svalnade och blev flytande igen drog det resulterande vakuumet kolven neråt igen.
I slutet av 1600-talet stod England inför en timmerkris då skeppsbyggnad och ved konsumerade skogar. Fartygen var nödvändiga för handel och försvar, men kol var ett lämpligt substitut för ved. Att producera mer kol innebar dock att man grävde djupare kolgruvor, vilket ökar sannolikheten för att vatten sipprar in i gruvorna. Det fanns plötsligt ett akut behov av nya metoder för att pumpa ut vatten ur gruvor.
År 1698 fick Thomas Savery, en militäringenjör, patent på en ångpump och började presentera sin "Miner's Friend" för alla som ville lyssna. Anordningen bestod av en kokkammare som ledde ånga in i en andra behållare där ett rör med en backventil gick ner i vattnet som behövde tas bort. Kallt vatten hälldes över behållaren med ånga och när vattenångan inuti kyldes till flytande tillstånd drog det resulterande vakuumet upp vatten underifrån. Det uppsugade vattnet kunde inte rinna tillbaka förbi backventilen och dränerades sedan genom ett annat rör.
Tyvärr för Savery hade ångpumpen inte varit så framgångsrik som han hoppades i gruvindustrin. Det mesta av hans försäljning skedde till privata fastigheter som ville tömma överflödigt vatten och återanvända det för hem- och trädgårdsbehov. Eftersom ångkammarens uppvärmning och kylning måste skötas manuellt var motorn något opraktisk. Motorn kunde också bara suga upp vatten från ett begränsat djup - en djup gruva krävde en serie motorer installerade på olika nivåer.
Men 1712 skapade smeden Thomas Newcomen och assistenten John Calley, glasblåsare och rörmokare, ett mer effektivt ångdrivet pumpsystem. Newcomen Engine kombinerade Saverys separation av pannan och ångcylindern med Papins ångdrivna kolv.
Medan Savery försökte ersätta konventionella hästdrivna pumpar med sin motor, försökte Newcomen använda en ångdriven pump för att göra hästar. Newcomens motor liknade Saverys. Den inkluderade en ångfylld kammare som kyldes genom en snabb injektion av kallt vatten för att skapa en vakuuminducerande förändring i atmosfärstrycket.
Den här gången drog dock vakuumets kraft en kolv ner och drog en kedja som aktiverade en pump i andra änden av en upphängd balk. När vattnet i kolvcylindern förvandlades till ånga igen, tryckte det upp kolven och en vikt på andra sidan av balken återställde pumpen.
Medan Newcomen Engine och Saverys "Miner's Friend" verkligen använde ångteknik, tillskrivs ångmaskinen i allmänhet en mans arbete:James Watt.
Utbildad som instrumentmakare i London, fick Watt så småningom anställning nära Glasgow University i Skottland. När en av universitetets Newcomen-motorer behövde repareras, befann sig Watt armbågsdjupt i ångteknikens inre funktioner. Watt upptäckte snart ett grundläggande designfel:Tid, ånga och bränsle slösades bort genom att både uppvärmning och kylning skedde inuti kolvcylindern.
Watt löste problemet genom att skapa en separat kondensor. Han lade till en kammare separat från cylindern (som han också isolerade), där ånga skulle kylas för att skapa det nödvändiga vakuumet. Denna separation gjorde att kolvcylindern kunde förbli vid samma temperatur som den inkommande ångan utan att slösa energi på att värma upp den och vattnet inuti. Dessutom kunde den separata kondensorn hållas vid en mycket lägre temperatur och krävde mindre kylning.
Efter att ha samarbetat med Matthew Boulton, producerade Watt en snabbare, mer bränslesnål motor med hjälp av den separata kondensorn. Parets försök att hitta nya användningsområden för deras framgångsrika motor ledde till ytterligare två avgörande uppfinningar – den dubbelverkande motorn och flygbollsguvernören.
Flyball-guvernören skapade en automatiserad metod för att öppna och stänga ångventiler till en kolv. Sol- och planetväxeln var fästa på en hjuldriven axel. När ångkraften fick staven att snurra, snurrade de två bollarna utåt från skaftet. När de nådde sin högsta punkt fick de ångventilen att stängas. När deras snurrande avtog snurrade de tillbaka mot stången och fick ventilen att öppnas igen. Detta förvandlade rörelsen i ångmaskinen från fram och tillbaka — fram- och återgående rörelse — till den cirkulära rörelse som krävs för att driva ett hjul.
Den dubbelverkande motorn hjälpte till att göra ångmaskinen mer effektiv genom att utnyttja kraften från tidigare tomgångsånga för att trycka ner kolvarna.
James Watts ångmaskin och andra innovationer satte scenen för den industriella revolutionen - som började med textilindustrin i slutet av 1700-talet. Man hade länge bearbetat ull för hand och senare med hjälp av vattenkvarnar. Men ett antal nya uppfinningar såg snart fabriker som drevs av ånga.
Boulton och Watt-motorn var otroligt framgångsrik men andra uppfinnare var fortfarande inriktade på att förbättra tekniken. Boulton och Watt hade dock monopol på ångmotorbranschen eftersom deras motor skyddades av strikta patent.
Patent royalties kostar gruvföretag mycket pengar. Uppfinnaren Richard Trevithick lade märke till gruvornas svåra situation i hans hemland Cornwall och satte sig för att skapa en motor som undvek Boulton och Watts patenterade teknologier. Trevithick trodde att han kunde skapa en motor som gjorde bort med Watts separata kondensor genom att använda högtrycksånga.
Medan användningen av högtrycksånga hade teoretiserats, hade den inte genomförts framgångsrikt. 1700-talspannor var oförmögna att stå emot högt tryck under långa tidsperioder. Men i början av 1800-talet – ironiskt nog, precis när Watts patent löpte ut – upptäckte Trevithick att moderna pannor nu kunde stå emot högre tryck. Samtidigt upplevde den amerikanske uppfinnaren Oliver Evans liknande prestationer.
Trevithicks nya Cornish Engine var billigare, lättare och mindre än Boulton och Watt-motorn. Arthur Woolf förbättrade ytterligare användningen av högtrycksånga 1804. Londonbryggeriets ingenjör förverkligade idén med blandning - en metod där överskottsånga från en kolv avfyrar en andra kolv och sedan en tredje. Denna metod ger mindre värmeförlust.
Uppfinnare arbetade på design för ångdrivna bilar även när de första ångpumparna finjusterades i slutet av 1600-talet. Medan vissa tror att Ferdinand Verbiest skapade en fungerande ångbil 1672, tyder fler bevis på att den franske uppfinnaren Nicolas-Joseph Cugnot tillverkade det första ångdrivna fordonet 1769. Men medan forskningen och utvecklingen av ångdrivna bilar fortsatte under en tid, var idén var mest framgångsrik i form av det rälsmonterade ångloket.
Mannen bakom Cornish Engine, Richard Trevithick, var också en nyckelperson i utvecklingen av ångloket. Det är viktigt att notera att tågspår redan fanns på 1770-talet i olika industriområden i England. Järnförsedda träskenor kallade spårvägar hade byggts för hästar att dra kärror med kol. År 1804 avtäckte Trevithick en ångdriven motor som kan dra 10 ton järn 10 miles. År 1808 visades Trevithicks portabla ångmaskin på en cirkulär bana i centrala London.
En annan brittisk ingenjör, George Stephenson, tog vid två decennier senare där Trevithick slutade. Stephensons arbete med att utveckla allt effektivare ångmaskiner för att transportera kol ledde till beslutet att skapa en järnvägsförbindelse mellan Durham Coalfields och en utskeppningshamn i Stockton. Stephenson föreslog att planen också tillåter motorerna att transportera passagerare. År 1825 genomförde Stephenson Locomotion No. 1 på sin första resa – med last och uppskattningsvis 600 passagerare.
Robert Stephenson spelade också en avgörande roll i denna era. Han hjälpte till att konstruera raketloket, som vann Rainhill Trials 1829, vilket bevisade genomförbarheten av ånglok för kollektivtrafik.
Tom Thumb är ett annat anmärkningsvärt tidigt lokomotiv. I USA blev detta tåg, byggt av Peter Cooper 1830, det första framgångsrika ångloket. Tom Thumb, namngiven som sådan på grund av sin kompakta storlek, innehöll en liten vertikal panna och en encylindrig motor och gjorde sin debut på Baltimore och Ohio Railroad.
Kort därefter framträdde Baldwin Locomotive Works, grundat av Matthias Baldwin i Philadelphia, som en dominerande kraft i tillverkningen av amerikanska lokomotiv. Baldwin Locomotive blev synonymt med USA:s järnvägsutveckling och spelade en avgörande roll för att utöka järnvägsnäten över hela landet.
Ånglok skapar ånga i pannan genom förbränning av bränsle, vanligtvis kol eller ved. Tidiga lokomotiv använde en eldrörspanna, som innehöll ett nätverk av rör som transporterade heta gaser för att värma vattnet. Ventildrevet styr insläppet och utsläppet av ånga i cylindrarna.
När denna högtrycksånga leds in i cylindrarna trycker den mot kolvarna för att skapa mekanisk rörelse. När ångan expanderar och gör sitt arbete tappar den tryck och energi. Panntrycket påverkar direkt ånglokets prestanda och effektivitet.
Efter att ångan har utfört sin bearbetning i cylindrarna, töms den ut eller släpps ut från cylindrarna till lokets skorsten eller skorsten som avgasånga. Avgasångan transporterar bort energin och spillvärmen från ångmaskinen och släpper ut den i atmosfären.
Utdrivningen av avgasångan hjälper till att upprätthålla tryckbalansen i lokens cylindrar och möjliggör en kontinuerlig cykel av ångalstring, expansion och avgas.
Ånglok spelade en avgörande roll under andra världskriget. De användes för att transportera trupper och militär utrustning till olika platser, samt till huvudförsörjningslinjer genom att få mat, ammunition, bränsle och råvaror till soldater. De var en livlina under kriget, men de försenade också omställningen från ånglok till diesellok.
Medan utvecklingen av ångbilar förblev en ren vetenskaplig kuriosa under de kommande 100 åren tog det ångdrivna loket fart. Motorn fungerade på ett system av hjul som roterades av en ångdriven kolv. Ingenjörer arbetade kontinuerligt med att förbättra systemet genom att öka ångtrycket, tillämpa blandning och lägga till ytterligare hjul.
Järnvägen visade sig vara en viktig del av den industriella revolutionen, och förändrade sättet på vilket gods transporterades över land och knöt samman avlägsna befolkningar. Ånga drev järnvägarna tills dieselmotorer och elkraft kom i framkant på 1900-talet.
Med tanke på ångmaskinernas höga tryck och temperaturer är det inte förvånande att explosiva olyckor har peppat teknikens utveckling. Av denna anledning är pannor – allt från enkla tryckkokare till kraftverk – utrustade med någon form av säkerhetsventil.
När trycket inuti pannan blir för högt släpps överskottsånga ut genom ventilen för att förhindra en explosion. Dessa anordningar är vanligtvis vikt- eller fjäderdrivna och kräver en inställd trycknivå för att öppna ventilen. Men olyckor inträffar fortfarande.
Explosioner på grund av avsiktlig eller oavsiktlig deaktivering av säkerhetsventiler var ganska vanliga på 1800-talet. Den dåliga pressen från sådana incidenter visade sig vara ett hinder för dagens pionjärer och uppfinnare.
En av de mer anmärkningsvärda ångrelaterade olyckorna på 1900-talet inträffade vid Three Mile Island Nuclear Generating Station. Olyckan började när pumpar som matar kallt vatten till ånggeneratorerna slutade gå, vilket resulterade i ökat ångtryck. Detta utlöste anläggningens utlösningsventil, men när ventilen inte stängdes överhettades själva reaktorhärden.
Den här artikeln skapades i samband med AI-teknik, sedan faktagranskad och redigerad av en HowStuffWorks-redaktör.
