A hő átalakítása mechanikai munkává

 

Egy megdöbbentő példa

A meleg a hő, az anyag legkisebb részecskéinek mozgási energiája. Egészen természetes, hogy ezzel az energiával igen nagy munkát lehet végezni - ha megtaláljuk a módját.

Tegyünk dugattyút egy 20 cm átmérőjű hengerbe (ábra). A dugattyú mögé vezessünk 210°C-os vízgőzt. Aligha hittük volna, hogy a sebesen szálló vízgőzmolekulák körülbelül 6000 kilogrammsúlyú (60 métermázsa) erővel nyomják a dugattyút!
Tegyük fel, hogy a dugattyú 20 cm-rel (0,2 méterrel) odább mozdul.
A végzett munka 6000 kgs . 0,2 m = 1200 méterkilogrammsúly.

Ez érthetővé teszi azt, miért jelentett fordulópontot az emberiség éltében a gőzgép feltalálása. Megértjük, hogy az újkor ipari forradalma akkor bontakozott ki teljes erővel, amikor a termelésben nagy arányokban kezdték alkalmazni a tüzelőszerek égésekor felszabaduló hőenergiát munkává alakító gépeket.
Ez világszerte csak a múlt század folyamán történt meg, és amint már említettük, a természeti energiát felhasználó gépek ma világátlagban 20 - 30-szor annyi munkát végeznek, mintha csak az emberi, állati izom-erőre lennénk utalva.

 

Néhány érdekes adat

Hazánkban 1836-ban kezdett működni az első gőzgép - egy gőzmalomban. Tehát Magyarországon a tüzelőszerek melegéből átalakított munkavégzés 1836-ban kezdte meghódítani a gyáripart, a közlekedést.
Az sem érdektelen kérdés, hogy mikor jött le a Dunán az első gőzhajó Pestre? - 1830-ban, 14 óra alatt tette meg az utat Bécsből.
Ma már alig tudjuk elképzelni, mekkora esemény volt az első gőzvasút megnyitása Pest ás Vác között 1846-ban.
De mikor készítették a világon az első, igazán használható gőzgépet? Érdemes megjegyezni: 1712-ben kezdett el működni az angol Newcomen gőzgépe, ez bányaszivattyút hajtott. Ezután mintegy fél évszázadig kizárólag bányaszivattyúk hajtására használták ezeket a kezdetleges gőzgépeket. 1769-ben, mintegy 200 évvel ezelőtt, már 100 ilyen gép működött Angliában. Bár 80 lóerős is volt közöttük, aligha forradalmasították volna az ipart, ha nem tökéletesítette volna őket lényegesen az angol Watt. Ő adta meg a gőzgépnek a mai formát, szerkezetének mai lényeges részeit, és Watt gőzgépe nyomán terjedt el a gőzgép az egész világon.
Watt 1769-ben nyert szabadalmat gőzgépére, majd 1782-ben készítette el folyamatos üzemű gépét. Ebben a gőzt felváltva vezette a dugattyú egyik, majd a másik oldalára.
Az első Watt-féle gőzgépek is bányaszivattyúkat hajtottak. Csak 1785-ben kaptak helyet először gabonamalomban, és 12 év múlva, 1797-ben egy pamutfonó gyárban. Az első gőzzel hajtott cséplőgép pedig 1811-ben jelent meg, hazánkban csak 1852-ben.
Ezek a példák mutatják, hogy milyen lassan hódította meg a gőzgép az ipar különféle területeit, és mekkora szenzáció lehetett a maga idejében az, amikor az újságok közölték a gőzgép újabb meg újabb alkalmazásait.
Wattnak 20 évi munkába és óriási (mai értékben 20 millió Ft) pénzösszegbe került gőzgépe tökéletesítése, de 1810-ben már több mint 5000 gépe működött Angliában.
Ma már csodálkoznak azon, hogy a Watt-féle gőzgép megjelenése után csak öt évtizeddel, 1830-ban helyezték üzembe a világ első gőzvasút vonalát Angliában.

 

Mennyire tékozolja a tüzelőszert a gőzgép?

Watt gőzgépe az égéskor felszabaduló energiának csupán egy százalékát alakította át munkává.
Ha tehát 100 forint értékű szenet tüzeltek el abban a gőzgépben, akkor csak 1 forint értékű szén elégésekor keletkező munkavégzést nyertek, 99 forint kárba veszett.
Ezt úgy mondjuk, hogy annak az első Watt-féle gőzgépnek a hasznossági tényezője, a hatásfoka 1%. Az ilyen gép igen rosszul alakítja át a hőenergiát munkává. Pedig Watt gépe már háromszor kevesebbet fogyasztott, mint az addig használatos Newcomen-féle kezdetleges gőzgép.

Az azóta elmúlt 200 év alatt a legnagyobb gondot a gőzgép tökéletesítése okozta, hogy ne pazarolja ilyen szörnyű mértékben a tüzelőszert.
A mai legtökéletesebb dugattyús gőzgépben elégetett szén energiájának kb. 20%-a alakul át munkává (ábra). 1% helyett 20% hatásfok gyönyörű eredmény. Az ilyen mai gőzgép 20-szor kevesebb tüzelőszert fogyaszt, mint a Watt-féle.

 

Egy métermázsát két méter magasra emelne a gyufaszál melege

El se hinnénk, hogy mennyi munkavégző képesség rejlik a hőben, aminek legjobb esetben is csak 20%-át hasznosítja a gőzgép. Egy szál rövid gyufa hamar ellobban. De aligha gondoltunk még arra, hogy ha a gyufaszál elégésekor keletkező meleget sikerülne teljesen munkává alakítani, akkor 1 métermázsát 2 méter magasra emelne (alábbi ábra).

Egyetlen gyufaszál elégésekor keletkező hőben annyi munkavégző képesség van, hogy a 80 kilogramm súlyú zsákot 2,5 méter magasra emelné

Két fillér árú szén már könnyen belefér mellényzsebünkbe. Súlya csupán 5 dekagramm. Az elégésekor keletkező melegben 130 000 méterkilogramm munkaképesség rejlik.
Két fillér értékű szénben egy erős izommunkás 8 órai munkája!
Ezek a példák meglepők. Most már kíváncsiak lehetünk arra, hogy hogyan tudták azt megállapítani, hogy amikor például 1 kg szén elég az égéskor keletkező melegben mennyi munkavégző képesség rejlik? Hogyan tudják megállapítani azt, hogy az a meleg például 100 kilogrammot hány méter magasra tudna felemelni? Még egyikünk sem látta, hogy a meleg súlyt emel vagy méterkilogrammokban kifejezhető munkát végez.

 

Megmérjük a hő munkaegyenértékét

Mérése mégis nagyon egyszerű. Mindenki tapasztalta már azt, hogy amikor erősen fogja a zsineget és a zsineg csúszik a kezében, annyi meleg keletkezik, hogy meg is éghet a bőre. A hő súrlódás közben keletkezik. Ennek a keletkezett hőnek a mennyisége jól mérhető. De még egyszerűbben mérhető a súrlódás közben végzett munka nagysága is.
Egy bádogedényben legyen 1 liter víz. Ha az edény oldalát dörzsöljük, meleg fejlődik, az edényben melegebb lesz a víz. Egy hőmérővel meg lehet mérni a víz hőmérsékletének növekedését.

De hogyan mérjük meg a dörzsölés közben végzett munkát?
Tekerjünk puha kötelet az edény köré (ábra). A kötél végére függesszünk 427 kg súlyt. Ez a súly húzza a kötelet. A kötél csúszik az edény falán, súrlódik hozzá, hő keletkezik.
A mérések szerint az 1 liter víz hőmérséklete 1°C-kal emelkedik azalatt, mialatt a kötél végére függesztett 427 kilogrammsúly 1 méterrel halad Lefelé.
Mialatt 427 kilogrammsúly 1 métert halad lefelé, 427 méterkilogrammsúly a munkavégzés.
De ezalatt 1 liter víz hőmérséklete 1 fokkal emelkedik, tehát 1 kilogrammkalória hő keletkezett.
Tehát megtudtuk, amire kíváncsiak voltunk:

1 kilogrammkalória hőnek 427 méterkilogrammsúly munka felel meg.

 

Mennyi munkavégző képesség rejlik egy kg szénben?

Most már könnyű a dolgunk. A legszebb számításokat végezhetjük el a nyert adat segítségével.
Például számítsuk ki, hogy mennyi munkavégző képesség rejlik 1 kg jó minőségű, 6000 kalóriás szénben! (alábbi ábra)

1 kilogramm jó minőségű kőszén elégésekor 1 munkás 20 napi izommunkájának megfelelő munkavégző képesség (energia) szabadul fel

Ha ez az 1 kg szén elég, 6000 kg kalória hő keletkezik. De minden kalória hőnek elméletileg 427 mkgs munkavégzés felel meg.
427 mkgs . 6000 = 2 562 000 mkgs.
1 kilogramm 6000 kalóriás szén elégésekor keletkező hő elméletileg
2,5 millió méterkilogrammsúly munkával egyenértékű.
Ha kitűnő dugattyús gőzgépben égetjük el ezt a szenet, akkor az elméletileg lehetséges munkának csak 20%-át kapjuk meg ténylegesen. A 2,5 milliónak 20%-a 500 000. Ez az 500 000 méterkilogrammsúlynyi munka is tekintélyes nagyságú, mert 4 erős testi munkás napi 8 órai munkavégzésének felel meg.
Ez a példa mutatta meg igazán, hogy milyen nagy találmány a gőzgép! De miért nem lehet a szén égési hőjét teljes egészében munkává alakítani, miért csak 20%-át?
Gondoljuk csak meg: miközben a szén ég, melegének egy része eltávozik a füsttel a kéményen át. A kazánfalak, a gőzvezetékek sugározzák a meleget a környezet felé. A kipufogó forró gőzben is sok-sok meleg távozik. Így adódik a 80% veszteség.
De újabban a nagy ipartelepeken, az erőművekben a fáradt gőzt vízmelegítésre használják fel. A meleg vízzel a lakótelepeket fűtik, fürdőt táplálnak. Ily módon a tüzelőszer melegét 60 - 70%-ig is hasznosítják.
Mindebből láthatjuk, hogy milyen nagy történelmi jelentőségű tény volt annak megállapítása, hogy 1 kalóriának 427 méterkilogrammsúly nagyságú munkavégzés felel meg. Ez Mayer Róbert német orvos érdeme, aki elméleti úton számította ki, majd hét évvel később, 1849-ben az angol Joule (ejtsd: Dzsaul) kísérlettel bizonyította be.


Felhasznált irodalom