GEOS 24705 / ENST 24705 / ENSC 21100 Lecture 6 History of energy use II, steam engines
The ¡18 th ¡century ¡European ¡energy ¡crisis ¡has ¡3 ¡parts ¡ ¡ 1. Fuel ¡became ¡scarce ¡even ¡when ¡only ¡used ¡for ¡heat ¡ ¡Wood ¡was ¡insufficient, ¡& ¡coal ¡was ¡ge3ng ¡hard ¡to ¡extract ¡ ¡Surface ¡“sea ¡coal” ¡ à ¡deep-‑sha= ¡mining ¡below ¡the ¡water ¡table ¡ ¡ 2. ¡There ¡were ¡limited ¡ways ¡to ¡make ¡mo;on ¡ ¡No ¡way ¡to ¡make ¡moCon ¡other ¡than ¡through ¡capturing ¡exisCng ¡ moCon ¡or ¡through ¡muscle-‑power. ¡ ¡ ¡ 3. ¡There ¡was ¡no ¡good ¡way ¡to ¡transport ¡mo;on ¡ ¡Water ¡and ¡wind ¡weren’t ¡necessarily ¡near ¡demand ¡ ¡ ¡ The ¡only ¡means ¡out ¡of ¡the ¡energy ¡crisis ¡was ¡coal ¡ ¡ ¡ ¡ ¡– ¡but ¡to ¡mine ¡the ¡coal ¡required ¡mo;on ¡for ¡pumps. ¡
The ¡revolu;onary ¡solu;on ¡= ¡break ¡the ¡heat ¡ à à ¡work ¡barrier ¡
The ¡revolu;onary ¡solu;on ¡= ¡break ¡the ¡heat ¡ à à ¡work ¡barrier ¡ use ¡heat ¡to ¡make ¡ordered ¡mo-on ¡ Newcomen “ Atmospheric Engine ” , 1712 (Note that widespread use & Industrial Revolution followed invention by ~100 years – typical for energy technology)
Physics: ¡long ¡understood ¡that ¡steam ¡exerted ¡force ¡ ¡ EvaporaCng ¡water ¡produces ¡high ¡pressure ¡ Pressure ¡= ¡force ¡/ ¡area ¡ “ aeliopile ” “ lebes ” : demonstration of lifting power of steam Hero ¡of ¡Alexandria, ¡ “ TreaCse ¡on ¡PneumaCcs ” , ¡120 ¡BC ¡
Physics: ¡condensing ¡steam ¡can ¡produce ¡sucCon ¡force ¡ ¡ Low ¡pressure ¡in ¡airCght ¡container ¡means ¡ air ¡exerts ¡force ¡ Same ¡physics ¡that ¡lets ¡you ¡suck ¡liquid ¡through ¡a ¡straw ¡
First ¡commercial ¡use ¡of ¡steam: ¡ the ¡Savery ¡engine ¡ ¡ “ A ¡new ¡Inven;on ¡for ¡Raiseing ¡of ¡ Water ¡and ¡occasioning ¡Mo;on ¡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 ¡ benefiL ¡of ¡Water ¡nor ¡constant ¡ Windes. ” ¡ ¡ Thomas ¡Savery, ¡patent ¡applicaCon, ¡ 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 ¡shaQs, ¡ 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 ¡ inven;on ¡which ¡human ¡ingenuity ¡had ¡yet ¡ produced ¡– ¡the ¡Newcomen ¡steam-‑engine.. ¡ a ¡machine ¡capable ¡of ¡draining ¡with ¡ease ¡ the ¡deepest ¡mines; ¡applicable ¡anywhere; ¡ requiring ¡liLle ¡or ¡no ¡aLen;on; ¡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 ¡s;ll ¡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 ¡moCon ¡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 ¡bocom ¡of ¡piston, ¡let ¡ gravity ¡pull ¡pump ¡side ¡down ¡again ¡ ..... ¡ ¡ ¡Steam ¡fills ¡chamber ¡as ¡piston ¡rises ¡ ¡ Issues: ¡ Very ¡low ¡efficiency: ¡0.5% ¡ Intermicent ¡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 ¡moCon ¡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 ¡bocom ¡of ¡piston, ¡let ¡gravity ¡ pull ¡pump ¡side ¡down ¡again ¡ ..... ¡ ¡ ¡Steam ¡fills ¡chamber ¡as ¡piston ¡rises ¡ ¡ Issues: ¡ Very ¡low ¡efficiency: ¡0.5% ¡ Intermicent ¡force ¡transmission ¡ Newcomen’s ¡design ¡is ¡state ¡of ¡the ¡art ¡for ¡60+ ¡years ¡
¡ First ¡Newcomen ¡engine ¡ ¡ (1712, ¡Dudley ¡Castle) ¡ ¡ (reproducCon) ¡ ¡ video: ¡hcps://www.youtube.com/watch?v=HC6LUWSBXjk ¡ ¡ video: ¡hcps://www.youtube.com/watch?v=QltRwiu4U2Q ¡ ¡ ¡ ¡ Last ¡Newcomen ¡engine ¡ ¡ (1810 ¡– ¡1923, ¡Farme ¡Colliery) ¡ ¡ manually ¡operated ¡valves ¡ used ¡for ¡li=ing ¡coal, ¡not ¡pumping ¡
What ¡is ¡a ¡ “ heat ¡engine ” ? ¡ A ¡device ¡that ¡generates ¡converts ¡thermal ¡energy ¡to ¡ mechanical ¡work ¡by ¡exploiCng ¡a ¡temperature ¡ gradient ¡ ¡ ¡ • Makes ¡something ¡more ¡ordered : ¡ ¡ ¡random ¡moCons ¡of ¡molecules ¡ à ¡ordered ¡ moCon ¡of ¡enCre ¡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
Energy-‑GPD ¡relaConship ¡extends ¡to ¡19 th ¡cent. ¡ 100.0 All France 1800-2011 France ¡and ¡the ¡Netherlands ¡ Norway Netherlands 1800-2011 USA grew ¡by ¡x ¡10 ¡from ¡1800-‑1900 ¡ Switzerland Netherlands Ireland Austria Canada Sweden Australia Germany Belgium UK Denmark Finland Japan France and ¡energy ¡usage ¡increased ¡ Italy Spain SKorea Israel NewZealand Greece Portugal correspondingly. ¡ Chile Argentina ¡ GDP PPP ($1000) Turkey LebanonMalaysia Mexico CostaRica 10.0 Brazil In ¡last ¡few ¡decades ¡wealth ¡ Colombia Tunisia Peru DominicanRepublic Thailand Ecuador has ¡risen ¡without ¡much ¡ ElSalvador Jordan Syria change ¡in ¡energy ¡use. ¡(This ¡is ¡ SriLanka Guatemala Bolivia Morocco Paraguay Indonesia Honduras Philippines common ¡in ¡high-‑income ¡ India Vietnam Nicaragua Pakistan countries.) ¡ Cambodia Bangladesh Haiti Nepal 1.0 $9/yr/W $3/yr/W Data: World Bank, 0.1 ~1960-2011 2005 USD 0.1 1.0 10.0 www.energyhistory.org, Power use per capita (1000 W) converted to 2005 USD
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