GEOS 24705 / ENST 24705 / ENSC 21100 Lecture 5 History of Energy - - PowerPoint PPT Presentation

GEOS 24705 / ENST 24705 / ENSC 21100

Lecture 5 History of Energy Use II

The ¡heat ¡to ¡work ¡barrier ¡

the ¡18th ¡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, ¡

• n ¡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% ¡

Newcomen’s ¡design ¡is ¡state ¡of ¡the ¡art ¡for ¡60+ ¡years ¡

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 ¡

¡

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) ¡

Cooling ¡towers ¡(from ¡nuclear ¡power ¡p heat ¡from ¡reactor ¡drives ¡a ¡steam ¡turb

All ¡heat ¡engines ¡involve ¡heat ¡flow ¡ No ¡heat ¡engine ¡has ¡perfect ¡efficiency ¡ All ¡heat ¡engines ¡involve ¡waste ¡heat ¡

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

Coal ¡and ¡ore ¡from ¡mines ¡have ¡been ¡carried ¡by ¡“tramways” ¡since ¡the ¡1500’s ¡

Once ¡you ¡have ¡an ¡engine ¡to ¡pump ¡the ¡mines, ¡you ¡envision ¡other ¡uses... ¡

Little Eaton Gangway, Derbyshire, working til 1908

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 ¡ ¡ ¡

Image: ¡source ¡unknown ¡

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 ¡

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 ¡

Image: ¡source ¡unknown ¡

Stephenson was a mine engineman and brakeman, then

• enginewright. Illiterate til age 18.

Built first locomotive in 1814.

¡

Piston ¡pushed ¡by ¡steam ¡on ¡both ¡ up-­‑ ¡and ¡down-­‑stroke. ¡ ¡ No ¡more ¡need ¡for ¡a ¡ ¡condenser. ¡ Steam ¡is ¡simply ¡vented ¡at ¡high ¡ temperature

¡slide ¡valve ¡alternates ¡input ¡& ¡exhaust ¡

Double-­‑ac5on ¡steam ¡engine ¡

Double-­‑ac5on ¡steam ¡engine ¡

slide valve alternates input & exhaust

primary use: transportation

Double-­‑ac5on ¡steam ¡engine ¡

Double-­‑ac?on ¡steam ¡engine ¡

¡ ¡

What ¡are ¡benefits? ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ What ¡are ¡drawbacks? ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Double-­‑ac?on ¡steam ¡engine ¡

¡ ¡

What ¡are ¡benefits? ¡ ¡ Faster ¡cycle ¡– ¡no ¡need ¡to ¡wait ¡for ¡condensa5on. ¡Can ¡get ¡ more ¡power, ¡higher ¡rate ¡of ¡doing ¡mechanical ¡work. ¡ ¡ Also ¡lighter ¡and ¡smaller ¡– ¡no ¡need ¡to ¡carry ¡a ¡condenser ¡

• around. ¡

¡ What ¡are ¡drawbacks? ¡ ¡ Inefficiency ¡– ¡ven5ng ¡hot ¡steam ¡means ¡you ¡are ¡was5ng ¡

• energy. ¡

¡ High ¡water ¡usage ¡– ¡since ¡lose ¡steam, ¡have ¡to ¡keep ¡replacing ¡ the ¡water ¡

Double-­‑ac5on ¡steam ¡engine: ¡

Images ¡top, ¡leN: ¡Sandia ¡SoNware ¡ Image ¡boIom: ¡Ivan ¡S. ¡Abrams ¡

water-­‑intensive, ¡ fuel-­‑intensive ¡– ¡ requires ¡many ¡ stops ¡to ¡take ¡on ¡ water ¡and ¡fuel.

Where ¡and ¡what ¡period ¡is ¡this ¡locomo5ve ¡from? ¡

1846 London & Birmingham locomotive

Where ¡and ¡what ¡period ¡is ¡this ¡locomo5ve ¡from? ¡

1855 “Pony” locomotive, built in Paterson NJ note single pair of driving wheels: 4-2-4

Where ¡and ¡what ¡period ¡is ¡this ¡locomo5ve ¡from

Where ¡and ¡what ¡period ¡is ¡this ¡locomo5ve ¡from?

Houston and Texas Central Locomotive, ~1868, 4-4-0

What ¡event ¡is ¡this ¡picture ¡showing? ¡

“golden spike”, Promontory Summit, 1869 transcontinental railway connection

1885 ¡map ¡of ¡railways ¡in ¡U.S. ¡West: ¡50 ¡years ¡from ¡inven5on ¡to ¡dominance

What ¡period ¡is ¡this ¡locomo5ve ¡from? ¡

1893, “Engine 999” of the New York Central Railroad, 4-4-0 “World’s Fastest Locomotive”: 1893 land speed record of 112.5 mph

A ¡modern ¡picture ¡of ¡the ¡same ¡locomo5ve ¡

Wabash ¡Railway ¡(Chicago), ¡steam ¡locomo5ve ¡#2024, ¡1948 ¡ 2-­‑8-­‑2?

Image: ¡ ¡Postcard ¡(Chuckman’s ¡collec5on ¡of ¡Chicago ¡postcards) ¡

What ¡period ¡is ¡this ¡locomo5ve ¡from? ¡