أخبار عاجلة
الرئيسية » كيف تعمل الأشياء » مبادئ فيزيائية » كيف تطورت فكرة عمل تكنولوجيا المحركات البخارية على مر العصور

كيف تطورت فكرة عمل تكنولوجيا المحركات البخارية على مر العصور

كيف تطورت فكرة عمل تكنولوجيا المحركات البخارية على مر العصور
لتشهد القوة الهائلة للبخار المنبعث عن غليان الماء ما عليك الا ان تنظر إلى البخار المندفع من فوهة غلاية الشاي وهذا البخار يمتلك طاقة كبيرة كانت هي البداية للمحركات البخارية ولازالت تستخدم في تشغيل محطات الطاقة النووية. وبغض النظر عن مستوى التكنولوجيا التي تسخدم البخار، فهي تعتمد على مبدا اساسي وبسيط وهو عندما يتم تسخين الماء لمرحلة التحول إلى بخار فان الماء المتبخر يشغل حيزا اكبر بكثير من الماء السائل. والسبب في ذلك يعود إلى القوى المختلفة التي تربط جزئيات المادة في الحالة الصلبة والحالة السائلة والحالة الغازية. في الحالة الصلبة تكون الجزيئات متماسكة بشكل متقارب وفي الحالة السائلة تكون ابعد قليلا وتكون ابعد كثيرا في الحالة الغازية.
عندما نقوم بغلي قدر مغلق باحكام يحتوي على ماء، فان الماء سوف يتبخر ويتمدد ويشكل ضغط كبير على القدر قد ينفجر ليتحرر من القدر ويملأ كل ارجاء المكان. عندما يستخدم هذا الضغط للقيام بمهمة محددة مثل تحريك توربين او جعل غلاية الشاي تصدر صوتا للدلالة عن انه وصل لمرحلة الغليان فاننا في هذه الحالة نكون قد اسسنا لتكنولوجيا البخار للاستفادة من ضغطه في عمل ميكانيكي.
ان عملية الاستفادة من ضغط البخار مر بمراحل عديدة ومعقدة بدأ منذ اكثر من 1600 عام قبل ان يتم ابتكار اول محرك بخاري steam engine لسحب الماء من الابار لعملية الري. وساهمت المحركات البخارية بشكل كبير في النهضة الصناعية. في هذا المقال من كيف تعمل الاشياء سوف نسلط الضوء على تطور تكنولوجيا البخار على مر القرون ونوضح ايضا كيف اثرت قوة البخار على تطور اساليب الحياة.
بدايات تاريخ محركات البخار

المحرك البخارييعود اول استخدام لتكنولوجيا البخار إلى المهندس اليوناني هيرو السكندري Hero of Alexandria الذي عاش في القرن الاول للميلاد الذي وضع ثلاثة كتب في الميكانيكا وخواص الهواء وعرض مخططات لمحرك بخاري بسيط. صمم هيرو قشرة كروية يخرج منها انبوبتين منحنيتين، وكانت فكرة عمله تقوم على ملء القشرة الكروية بالماء ووضعها فوق النار. عندما يتبخر الماء داخل الفجوة الكروية فان البخار يندفع من خارج الانبوبتين. وهذا يتسبب في دوران الكرة كما في الشكل الموضح.

ان طريقة هيرو لتحويل طاقة البخار إلى حركة كانت هي الاساس العلمي لمبدأ تكنولوجيا البخار فيما بعد. على اي حال كان هناك ضرورة لمساهمات العديد من العلماء للاستفادة من المحركات البخارية بشكل عملي. ومن اشهر المساهمات في استخدامات طاقة البخار فكرة المخترع ليناردو دافنشي Leonardo da Vinci في العام 1495 في استخدام البخار لاطلاق القذائف المدفعية.

في العام 1606 وضع العالم الايطالي جيوفاني باتيستا ديلا بورتا Giovanni Battista della Porta نظرية حول دور البخار في صناعة الفراغ. وتتلخص نظريته في ان تحويل الماء إلى بخار داخل وعاء مغلق يعمل على زيادة الضغط وعندما يتكثف البخار ويتحول إلى ماء داخل الوعاء المغلق فان الضغط ينخفض. هذا الفهم الجديد للبخار لعب دورا اساسيا في التطورات المستقبلية لتكنولوجيا البخار.

في العام 1679 تمكن عالم الرياضيات الفرنسي دنيس بابان Denis Papin من تحويل نظرية بورتا إلى حقيقة من خلال تصميم يساعد على الطهي وكان هذا اول استخدام للبخار في طهي الطعام من خلال وعاء أو قدر الضغط. حيث اضاف بابان مكبس متحرك على اسطوانة مغلقة مملؤة بالماء. عند تسخينها تدفع المكبس إلى الاعلى وعندما يبرد البخار ويتكثف ويصبح ماء مرة اخرى يقوم الفراغ بسحب المكبس إلى مكانه الاصلي.

في المرحلة التالية سوف نتحدث عن مخترعوا القرن السابع عشر الذي بدء استخدام تكنولوجيا البخار بشكل اوسع.

اسلحة بخارية

استخدمت قوة البخار في المحيطات والبحار وفي صناعة الاسلحة. قام البريطانيون بتجربة قوة البخار في توجيه اسلحة مضادة للطائرات باسم قاذف هولمان Holman اثناء الحرب العالمية الثانية الا انهم اكتشفوا انها غير دقيقة. كما استخدم البخار المضغوط في اطلاق صواريخ التوربيدو. كما يستخدم البخار في يومنا هذا لاطلاق الطائرات من على متن حاملات الطائرات.

اول محرك بخاري

في اواخر القرن السابع عشر واجهت بريطانيا ازمة قطع الاخشاب من الغابات لبناء السفن واستخدامه كحطب، وكانت السفن ضرورية للتجارة وكاسطول دفاع بحري، وتم الاعتماد على الفحم بدل من قطع الاخشاب المستخدمة كوقود لتشغيلها في ذلك الوقت. وللحصول على الفحم تطلب الحفر في اعماق الارض ولكن واجه العمال مشكلة تسرب المياه إلى المناجم فدعت الحاجة إلى ابتكار اساليب جديدة لسحب الماء من المناجم.

في العام 1698 حصل المهندس العسكري توماس سافيري Thomas Savery على براءة اختراع لاول مضخة بخارية. تتكون هذه المضخة من حجرة غليان توجه البخار إلى حجيرة اخرى تحتوي على انبوبة مزودة بصمام يعمل في اتجاه واحد. وبهذا يمكن وضع الانبوبة في المكان المطلوب سحب الماء منه. عند سكب الماء البارد على حجيرة البخار يبرد البخار ويتحول إلى سائل مما ينتج عنه فراغ يقوم بسحب الماء. وهذا الماء لا يمكن ان يعود مرة اخرى لان الصمام المثبت على الانبوبة تمنعه من العودة.

الا ان هذه المضخة التي ابتكرها سافيري لم تلقى الانتشار الذي كان يطمح له لان عملية التسخين والتبريد تتم بطريقة يدوية مما جعل الامر غير عمليا. كما ان العمق الذي تستطيع المضخة العمل عليه محدود مما تتطلب استخدام اكثر من مضخة تعمل على مراحل لمناجم الاكثر عمقا.

لكن في العام 1712 اخترع الحداد توماس نيوكمان Thomas Newcomen وزميله صانع الزجاج جون كالي John Calley  مضخة بخارية اكثر فعالية، وسميت بمضخة نيوكمان Newcomen Engine وقاما بالاستفادة من اختراع سافيري ومكسب بابان لجعل المحرك يعمل بشكل افضل كما هو موضح في الصورة الفلاشية ادناه. حيث تعمل قوة الفراغ على سحب المكبس للاسفل وسحب السلسلة التي تشغل المضخة على الطرف الاخر من الساق المعلقة. عندما يتحول الماء في المكبس الاسطواني إلى بخار فانه يدفع المكبس إلى الأعلى والوزن على الجانب الاخر من الساق يعمل على اعادة المكبس إلى وضعه الابتدائي.

 

اثبتت مضخة نيوكمان نجاحها واستخدمت في مئات المناجم في جميع انحاء بريطانيا والعالم. وبالرغم من ان المضخة كانت تعمل بوتيرة بطيئة الا ان تكلفة تشغيلها اقل بكثير من الطريقة التقليدية المعتمدة على الاحصنة والخيول. بدأ المهندسون بالتعديل على مضخة نيوكمان واجراء بعض التحسينات على المكبس الاسطواني والصمامات.

في الجزء التالي سوف نتحدث عن التحسينات التي قام بها العالم جيمس وات James Watt والذي يعود له الفضل في تطور عصر تكنولوجيا البخار.

جيمس وات والمحرك البخاري

مع ان محرك او مضخة نيوكمان ومضخة سافيري استخدمت تكنولوجيا البخار الا ان الفضل في تكنولوجيا البخار والمحركات البخارية يعود إلى الاعمال التي قام بها شخص واحد وهو جيمس وات James Watt.

كان جيمس وات يعمل في صناعة الالات والمعدات في لندن ومن ثم انتقل كعامل في اسكتلندا بالقرب من جامعة جلاسكو. عندما تعطل احد محركات نيوكمان في الجامعة طلب من وات ان يقوم باصلاحه فوجد وات نفسه في وسط عالم المحركات وبمجرد ان بدأ في اصلاحه وتشغيله لاحظ وات ان هذا التصميم يتسبب في فقد الكثير من الوقود والبخار والوقت ايضا من خلال فكرة عمله المعتمدة على تسخين وتبريد داخل المكبس الاسطواني.

فقام وات بتطوير المحرك وجعل له اسطوانتين منفصلتين. سمحت عملية الفصل هذه للمكبس ان يبقى عند نفس درجة الحرارة عندما يدخل فيه البخار بدون ان يحدث اي فقد في الطاقة، في حين ان المكبس الاسطواني الاخر يقوم بتكثيف البخار عند درجة حرارة منخفضة مما يعني عدم الحاجة إلى تبريدها في كل مرة.

هذا ساهم في جعل عمل المحرك اسرع واقل استهلاكا للوقود ومن ثم انضم له المخترع ماثيو بولتون Matthew Boulton وقاما معا باختراعين بارعين وهو المحرك الاسطوانة المزدوجة التأثير double-acting engine ومحرك الكرة الدوارة fly-ball governor.

في هذا الفيديو توضيح لفكرة عمل محرك الاسطوانة المزدوجة التأثير

ساعد هذا التصميم بجعل المحرك البخاري اكثر كفاءة.

وفي هذا الفيديو توضيح لفكرة عمل الكرة الدوارة.

لاحظ مع زيادة سرعة الدوران يغلق الصمام وعندما يتحرك ببطء يفتح الصمام وبهذا يمكن التحكم في فتح واغلاق صمامات المحرك البخاري بطريقة اتوماتيكية.

 

في الجزء التالي سوف نتعرف على محرك كورنيش Cornish Engine والذي يعد بمثابة نقلة نوعية في تكنولوجيا المحركات البخارية.

محرك كورنيش Cornish Engine

لقد اسست اختراعات جيمس وات مرحلة النهضة الصناعية حيث دخلت في مجال صناعة النسيج في مطلع القرن الثامن عشر. ثم توالت الاختراعات حتى مطلع القرن التاسع عشر حين قدم المخترع ترافيثيك Trevithick محرك كورنيش الذي تميز بخفته وصغر حجمه بالمقارنة مع محرك وات. ثم ساهم المخترع ارثر وولف Arthur Woolf بتحسين عمل المحرك البخاري باستخدام بخار عند ضغط مرتفع في العام 1804.
القطار البخاري Steam Locomotive
 عمل المخترعون على تصاميم مختلفة لسيارات تعمل بالمحرك البخاري منذ بداية ابتكار مضخات البخار الاولية واستمر التطوير عليها حتى اواخر القرن السابع عشر. ويعتقد ان اول من اخترع سيارة تعمل بطاقة البخار هو المخترع فريديناند فيربيست Ferdinand Verbiest في العام 1672 ويعتقد اخرون ان المخترع الفرنسي جوزيف كونيو Joseph Cugnot هو اول من اخترع اول سيارة بخارية في العام 1769. لكن مع استمرار التطور والتحسين على السيارات البخارية الا ان الفكرة الاساسية كانت تكمن في تصميم قطارات مثبتة على سكك حديدية.
كيف تطورت فكرة عمل تكنولوجيا المحركات البخارية على مر العصور
سيارة بخارية
كيف تطورت فكرة عمل تكنولوجيا المحركات البخارية على مر العصور
قطار بخاري
يعود الفضل لاختراع القطارات البخارية إلى مبتكر محرك كورنيش وهو ريتشارد تريفيثيكRichard Trevithick. ومن المهم ان نذكر هنا ان السكك الحديدية كانت موجودة بالفعل في السبعينات من القرن الثامن عشر في العديد من المناطق الصناعية البريطانية. وكانت تستخدم في تحريك العربات التي تجرها الخيول لنقل الفحم. وفي العام 1804 قام المخترع ريتشارد ثريفيثيك بالكشف عن محرك بخاري قادر على سحب ما يقارب 10 طن من الفحم او الحديد لمسافة 16 كيلومتر تقريبا.
بعد عقدين من الزمن اكمل المهندس البريطاني جورج ستيفينسون  George Stephenson اعمال تريفيثيك وطور كفاءة المحرك البخاري. وفي العام 1825 انطلقت اول رحلة بالقطار تحمل بضائع و600 مسافر لاول مرة.
واستمر العمل على تطوير سيارات البخار لاكثر من 100 عام بعد ذلك وفي ذلك الوقت كانت القطارات البخارية هي المسيطرة على وسائل النقل.
ومن الجدير ذكره ان السكك الحديدية لعبت دورا جوهريا في النهضة الصناعية من خلال مساهمتها في نقل البضائع والاشخاص عبر اجزاء واسعة من مناطق مختلفة. واستمر الاعتماد على المحركات البخارية في تشغيل القطارات إلى ان حل محلها محركات الديزل والمحركات الكهربائية في القرن العشرين.

الباخرة البخارية Steamship

 مع دخول المحركات البخارية إلى عالم القطارات والنقل اصبحت مصدر الطاقة في الماء ايضا واستبدلت الاشرعة والمجاديف في البواخر والسفن. لقد تطور المحرك البخاري للسفن بشكل موازي للقطار البخاري واستخدم نفس المحرك البخاري. في اواخر القرن السابع عشر ادخلت نظرية المخترع دنيس بابن Denis Papin في دوافع السفن لتحريكها بدلا من استخدام اشرعة الهواء والمجاديف.
كيف تطورت فكرة عمل تكنولوجيا المحركات البخارية على مر العصور
في العام 1763 حصل المخترع جونثان هال Jonathan Hull على براءة اختراع لقارب يعمل بمحرك سافوري لتحريك عجلات مائية ولكن لسوء حظه فان كلا من محرك سافوري ومحرك نيوكمان لم يولد اي منهما الطاقة اللازمة لتحريك القارب. وكان التطور الفعلي لهذا المجال بعد ان ساهم جيمس وات في تكنولوجيا البخار واصبحت البواخر البخارية ممكنة.
واصل مخترعون من بريطانيا وفرنسا عملهم على تطوير محركات بخارية للبواخر والسفن وادت تصاميمهم إلى اختراعات معقدة، ولكن في العام 1807 تمكن المخترع روبرت فولتون Robert Fulton من تصميم قارب بخاري استخدم في نقل المسافرين والبضائع. وانتشر تصميمه الناجح في انحاء مختلفة من اوروبا. وكانت اول سفينة تعبر المحيط الاطلسي بطاقة البخار في العام 1819 والتي عرفت باسم سفانا Savannah. واستمرت الحركة البحرية تعتمد على المحركات البخارية حتى منتصف القرن العشرين حيث اسبتدل بمحركات الديزل.
التوربين البخاري Steam Turbine

في منتصف القرن التاسع عشر ابتكر العالم الفيزيائي البريطاني مايكل فارادي اول مولد كهربائي عرف باسم الدينامو dynamo وساهم الكثير من المخترعين في ذلك الوقت بافكار وطرق مختلفة للاستفادة من المحرك البخاري للحصول على الحركة الدورانية اللازمة لتوليد الكهرباء. ثم بسرعة اكتشفوا الحد الاقصى لعدد الدورات في الدقيقة التي يمكن ان يولدها المكبس العامل بواسطة البخار. لكن الحل لهذه المشكلة كان في التصميم الاولي الذي وضعه هيرو السكندري Hero of Alexandria في العام 75. حيث كانت الفكرة تقوم على الاستفادة من البخار المتدفق وتوجيهه على القرص الدوار للدينامو ليولد الكهرباء، وبالفعل قام المهندسون بتوجيه البخار مباشرة إلى مراوح مثتبة في قرص دوار من الحديد الصلب الا ان الحديد لم يتحمل الاجهاد الناتج عن الدوران السريع. في العام 1884 اخترع المهندس البريطاني تشارلز بارسونز ألغرنون Charles Algernon Parsons تصميم توربين من خليط حديدي قادر على الدوران بسرعة 18,000 دورة في الدقيقة. استخدم  هذا التوربين الجديد في مولدات الكهرباء وانتشر استخدمها في اوروبا بشكل سريع.

 

مخاطر البخار Dangers of Steam

الجديد في تكنولوجيا البخار

استمر التوربين البخاري احد العوامل الاساسية في محطات توليد الكهرباء في جميع انحاء العالم. حتى محطات الطاقة النووية تستخدم الحرارة المستخلصة من التفاعلات النووية المتسلسلة لتوليد البخار اللازم. تنتج الولايات المتحدة الامريكية اكثر من 88% من الطاقة الكهربائية بواسطة توربينات بخارية.
كيف تطورت فكرة عمل تكنولوجيا المحركات البخارية على مر العصور
كما ذكرنا في بداية المقال ان هناك ثلاثة حالات للمادة هي الصلبة والسائلة والغازية. تتميز كل حالة عن الاخرى من خلال القوى التي تربط جزيئات المادة مع بعضها البعض. ففي الحالة السائلة والغازية تكون الجزيئات متباعدة عن بعضها البعض. وعندما تتعرض الحالة الغازية إلى ضغط كبير فان شيء مدهش يحدث، حيث تجبر جزيئات الغاز على الاقتراب من بعضها البعض فيتحول الغاز إلى سائل بينما تحافظ على خواص الغاز وعند هذه النقطة تصبح المادة في حالة جديدة تعرف باسم المائع فوق الحرج supercritical fluid.
تستخدم الكثير من محطات الطاقة البخار فوق الحرج وهذا يعني ان تلك المحطات تعمل عند درجات حرارة عالية جدا وضغط مرتفع حيث يتم تسخين الماء عند ضغط مرتفع جدا فترتفع درجة حرارته إلى درجات كبيرة جدا بدون ان يصل إلى حالة الغليان.
نحصل باستخدام المائع فوق الحرج على محركات بخارية بكفاءة عالية جدا. كما ينتج عنها انبعاثات ثاني اكسيد الكربون بنسب اقل بكثير من توربينات البخار التقليدية.
وفي نهاية هذا المقال الذي استعرض من خلاله اهم المحركات البخارية والمخترعين الذين ساهموا في تطورها وكيف قادتهم الخبرة العملية والحنكة المكانيكية في الوصول إلى تصاميم اكثر كفاءة واكثر قدرة، دفعتهم الحاجة ام الاختراع للتطوير المستمر.

تعليقات

تعليقات

عن الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر - غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي | ومركز الترجمة العلمي | وقناة الفيزياء التعليمي على اليوتيوب | ورئيس تحرير مجلة الفيزياء العصرية | Email [email protected]

تفضل بزيارة صفحتي
تصفح كل مقالاتي

أضف تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

Powered by themekiller.com