GEOS 24705 / ENST 24705 / ENSC 21100 Lecture 5 History of Energy Use II
The ¡heat ¡to ¡work ¡barrier ¡ the ¡18 th ¡century ¡technological ¡impasse ¡ All ¡technology ¡involved ¡only ¡two ¡energy ¡conversions ¡ • ¡ ¡Mechanical ¡mo5on ¡ à ¡mechanical ¡mo5on ¡ • ¡ ¡Chemical ¡energy ¡ à ¡heat ¡ ¡ There ¡was ¡no ¡way ¡to ¡convert ¡chemical ¡energy ¡to ¡ mo5on ¡other ¡than ¡muscles ¡(human ¡or ¡animal) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ – ¡no ¡engine ¡other ¡than ¡flesh ¡ ¡ The ¡only ¡means ¡out ¡of ¡the ¡energy ¡crisis ¡was ¡coal ¡ ¡ ¡ ¡ ¡– ¡but ¡to ¡mine ¡the ¡coal ¡required ¡mo5on ¡for ¡pumps. ¡ ¡ ¡
First ¡commercial ¡use ¡of ¡steam: ¡ the ¡Savery ¡engine ¡ ¡ “ A ¡new ¡Inven5on ¡for ¡Raiseing ¡of ¡ Water ¡and ¡occasioning ¡Mo5on ¡to ¡all ¡ Sorts ¡of ¡Mill ¡Work ¡by ¡the ¡Impellent ¡ Force ¡of ¡Fire ¡which ¡will ¡be ¡of ¡great ¡ vse ¡and ¡Advantage ¡for ¡Drayning ¡ Mines, ¡serveing ¡Towns ¡with ¡Water, ¡ and ¡for ¡the ¡Working ¡of ¡all ¡Sorts ¡of ¡ Mills ¡where ¡they ¡have ¡not ¡the ¡ benefiI ¡of ¡Water ¡nor ¡constant ¡ Windes. ” ¡ ¡ Thomas ¡Savery, ¡patent ¡applica5on, ¡ filed ¡1698 ¡
Savery ¡engine ¡is ¡not ¡a ¡ commercial ¡success ¡ ¡ “ .. ¡Savery’s ¡engine ¡was ¡wholly ¡ unsuited ¡for ¡draining ¡mines, ¡and ¡he ¡ failed ¡to ¡induce ¡the ¡miners ¡to ¡take ¡ it ¡up. ¡The ¡greatest ¡height ¡to ¡which ¡ it ¡could ¡raise ¡water ¡was.. ¡not ¡more ¡ than ¡sixty ¡or ¡eighty ¡feet...Moreover ¡ the ¡miners ¡[were]...afraid ¡to ¡ introduce ¡furnaces ¡into ¡their ¡shaNs, ¡ on ¡account ¡of ¡...their ¡giving ¡rise ¡to ¡ explosions... ¡ ” ¡ ¡ Robert ¡Galloway, ¡“A ¡History ¡of ¡Coal ¡ Mining ¡in ¡Great ¡Britain” ¡ ¡ Issues: ¡ Good ¡only ¡for ¡pumping ¡liquids. ¡ Efficiency ¡below ¡0.1% ¡
First ¡true ¡steam ¡engine: ¡ ¡ Thomas ¡Newcomen, ¡1712, ¡blacksmith ¡ (copy ¡of ¡Papin ¡1690 ¡design) ¡ ¡ “ It ¡was ¡at ¡this ¡juncture ¡that ¡the ¡miners ¡had ¡ put ¡into ¡their ¡hands ¡the ¡most ¡wonderful ¡ inven5on ¡which ¡human ¡ingenuity ¡had ¡yet ¡ produced ¡– ¡the ¡Newcomen ¡steam-‑engine.. ¡ a ¡machine ¡capable ¡of ¡draining ¡with ¡ease ¡ the ¡deepest ¡mines; ¡applicable ¡anywhere; ¡ requiring ¡liIle ¡or ¡no ¡aIen5on; ¡so ¡docile ¡ that ¡its ¡movements ¡might ¡be ¡governed ¡by ¡ the ¡strength ¡of ¡a ¡child; ¡so ¡powerful ¡that ¡it ¡ could ¡put ¡forth ¡the ¡strength ¡of ¡hundreds ¡of ¡ horses; ¡so ¡safe ¡that... ¡the ¡utmost ¡damage ¡ that ¡can ¡come ¡to ¡it, ¡is ¡its ¡standing ¡s5ll ¡for ¡ want ¡of ¡fire.” ¡ ¡ Robert ¡Galloway, ¡“A ¡History ¡of ¡Coal ¡Mining ¡ in ¡Great ¡Britain” Newcomen’s ¡design ¡is ¡state ¡of ¡the ¡art ¡for ¡60+ ¡years ¡ ¡
First ¡true ¡steam ¡engine: ¡ ¡ Thomas ¡Newcomen, ¡1712, ¡blacksmith ¡ ¡ First ¡ reciproca(ng ¡engine : ¡linear ¡mo5on ¡of ¡ piston ¡that ¡transmits ¡force ¡ ¡ ¡ Steps ¡ 1 Fill ¡chamber ¡with ¡steam ¡ 2 Cool ¡the ¡chamber ¡to ¡condense ¡steam ¡ 3 Low ¡chamber ¡pressure ¡pulls ¡piston ¡down ¡ 4 Open ¡valve ¡at ¡bo[om ¡of ¡piston, ¡let ¡ gravity ¡pull ¡pump ¡side ¡down ¡again ¡ ..... ¡ ¡ ¡Steam ¡fills ¡chamber ¡as ¡piston ¡rises ¡ ¡ Issues: ¡ Very ¡low ¡efficiency: ¡0.5% ¡ Intermi[ent ¡force ¡transmission ¡ Newcomen’s ¡design ¡is ¡state ¡of ¡the ¡art ¡for ¡60+ ¡years ¡
First ¡true ¡steam ¡engine: ¡ ¡ Thomas ¡Newcomen, ¡1712, ¡blacksmith ¡ ¡ First ¡ reciproca(ng ¡engine : ¡linear ¡mo5on ¡of ¡ piston ¡that ¡transmits ¡force ¡ ¡ ¡ Steps ¡ 1 Fill ¡chamber ¡with ¡steam ¡ 2 Cool ¡the ¡chamber ¡to ¡condense ¡steam ¡ 3 Low ¡chamber ¡pressure ¡pulls ¡piston ¡down ¡ 4 Open ¡valve ¡at ¡bo[om ¡of ¡piston, ¡let ¡gravity ¡ pull ¡pump ¡side ¡down ¡again ¡ ..... ¡ ¡ ¡Steam ¡fills ¡chamber ¡as ¡piston ¡rises ¡ ¡ Issues: ¡ Very ¡low ¡efficiency: ¡0.5% ¡ Intermi[ent ¡force ¡transmission ¡ Newcomen’s ¡design ¡is ¡state ¡of ¡the ¡art ¡for ¡60+ ¡years ¡
¡ First ¡Newcomen ¡engine ¡ ¡ (1712, ¡Dudley ¡Castle) ¡ ¡ (reproduc5on) ¡ ¡ video: ¡h[ps://www.youtube.com/watch?v=HC6LUWSBXjk ¡ ¡ video: ¡h[ps://www.youtube.com/watch?v=QltRwiu4U2Q ¡ ¡ ¡ ¡ Last ¡Newcomen ¡engine ¡ ¡ (1810 ¡– ¡1923, ¡Farme ¡Colliery) ¡ ¡ manually ¡operated ¡valves ¡ used ¡for ¡liging ¡coal, ¡not ¡pumping ¡
What ¡is ¡a ¡ “ heat ¡engine ” ? ¡ A ¡device ¡that ¡generates ¡converts ¡thermal ¡energy ¡to ¡ mechanical ¡work ¡by ¡exploi5ng ¡a ¡temperature ¡ gradient ¡ ¡ ¡ • Makes ¡something ¡more ¡ordered : ¡ ¡ ¡random ¡mo5ons ¡of ¡molecules ¡ à ¡ordered ¡ mo5on ¡of ¡en5re ¡body ¡ ¡ • Makes ¡something ¡less ¡ordered: ¡ ¡ ¡degrades ¡a ¡temperature ¡gradient ¡(transfers ¡ heat ¡from ¡hot ¡to ¡cold) ¡
All ¡heat ¡engines ¡involve ¡heat ¡flow ¡ No ¡heat ¡engine ¡has ¡perfect ¡efficiency ¡ All ¡heat ¡engines ¡involve ¡waste ¡heat ¡ Cooling ¡towers ¡(from ¡nuclear ¡power ¡p heat ¡from ¡reactor ¡drives ¡a ¡steam ¡turb
First ¡WaI ¡steam ¡engine: ¡ ¡ James ¡Wa[, ¡1769 ¡patent ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(1774 ¡produc5on ¡model) ¡ Higher efficiency than Newcomen by introducing separate condenser Reduces wasted heat: cylinder stays always hot, condenser stays always cold. In Newcomen’s engine, the single metal cylinder alternately heats and cools Net: ¼ fuel usage of Newcomen’s engine
Improved ¡WaI ¡steam ¡engine: ¡ ¡ James ¡Wa[, ¡1783 ¡model ¡ Albion ¡Mill, ¡London ¡ ¡ As ¡before: ¡ Separate ¡condenser ¡ ¡ ¡ Improvements: ¡ “Double-‑ac5ng”: ¡force ¡on ¡both ¡ • up-‑ ¡and ¡down-‑stroke ¡ Rota5onal ¡mo5on ¡ • Engine ¡speed ¡regulator ¡ • à ¡Higher ¡efficiency: ¡~3% ¡ • Engineers ¡cared ¡about ¡efficiency: ¡ coal ¡= ¡money ¡ ¡ ¡ video of 1788 engine
Once ¡you ¡have ¡an ¡engine ¡to ¡pump ¡the ¡mines, ¡you ¡envision ¡other ¡uses... ¡ Little Eaton Gangway, Derbyshire, working til 1908 Coal ¡and ¡ore ¡from ¡mines ¡have ¡been ¡carried ¡by ¡“tramways” ¡since ¡the ¡1500’s ¡
First ¡locomo5ves ¡– ¡conversions ¡of ¡sta5onary ¡steam ¡engines ¡ built ¡by ¡Richard ¡Trevithick, ¡mining ¡engineer ¡ Experimented ¡with ¡“high-‑pressure” ¡steam ¡(50 ¡psi), ¡double-‑ac5ng ¡cylinders. 1804 ¡Pen-‑y-‑Darren ¡locomo5ve, ¡carrying ¡iron ¡in ¡Wales, ¡replacing ¡horse-‑ drawn ¡tramway. ¡Ran ¡~10 ¡miles ¡at ¡~2 ¡mph ¡but ¡destroyed ¡track. ¡ Image: ¡1804 ¡Coalbrookdale ¡ locomo5ve, ¡which ¡failed. ¡No ¡ images ¡of ¡Pen-‑y-‑Darren ¡survive ¡ ¡ ¡
First ¡prac5cal ¡locomo5ves ¡begin ¡1814 ¡ “ Puffing ¡Billy ” , ¡designed ¡by ¡William ¡Hedley, ¡(mine ¡manager), ¡ ¡ built ¡by ¡the ¡mine’s ¡blacksmith ¡and ¡enginewright ¡ Coal ¡hauler, ¡9 ” ¡x ¡36 ” cylinders ¡ ¡ S5ll ¡basically ¡a ¡sta5onary ¡steam ¡engine ¡placed ¡on ¡wheels ¡ Image: ¡source ¡unknown ¡
First ¡passenger ¡locomo5ve, ¡1829 ¡ George ¡Stephenson’s ¡ “ Rocket ” , ¡built ¡for ¡Liverpool ¡and ¡Manchester ¡Railway ¡ won ¡the ¡Rainhill ¡trials ¡at ¡29 ¡mph ¡(unloaded), ¡14 ¡mph ¡loaded ¡ first ¡example ¡of ¡single ¡pair ¡of ¡drive ¡wheels ¡ Stephenson was a mine engineman and brakeman, then enginewright. Illiterate til age 18. Built first locomotive in 1814. Image: ¡source ¡unknown ¡
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