Порох как источник энергии

Источники энергии – история и современность (стр. 3 из 9)

К сожалению, геронова паровая турбина в древности оставалась только любопытной игрушкой, так как дешевизна труда рабов никого не побуждала к практическому использованию машин. Но сам принцип не был заброшен техникой: в наше время он применяется в устройстве реактивных двигателей.

Весьма оригинальная находка гениального механика!

1.5 Энергия химических соединений (энергия пороха)

“Одну часть угля, одну часть серы и шесть частей селитры мелко растолочь и развести льняным или лавровым маслом, затем положить в трубу и зажечь.

Всё летит сейчас же в желаемом направлении и всё уничтожает своим пламенем…” – так писал в 1220 году византийский автор Марк Грек в своём трактате “Книга огней для сжигания врагов”. С распространением пороха в Европе связано много имён: это и вышеупомянутый Марк Грек, и монах Роджер Бэкон, и монах Бертольд Шварц.

Но порох был изобретён, хотя нет, даже не изобретён, а почти что случайно открыт китайским алхимиком Сунь Сымяо в VIIвеке н.э., о чём было написано им в трактате “Дань цзин”.

Изначально порох применялся в качестве зажигательного средства, скорее всего из – за того, что изготовленный из неочищенных компонентов порох не давал сильного взрывного эффекта. Но через некоторое время стали применяться разрывные снаряды, называемые китайцами “Огненный ястреб”, “Чёрный дракон” и другие.

Что же позволяло пороху при горении выделять энергию, способную метать пули и ядра, те, в свою очередь, могли пробивать рыцарские латы и стены замков? Для этого придётся сделать небольшое отступление и обратиться к химии: реакция, происходящая при горении пороха, описывается приблизительно следующим уравнением:

2KNO3+3C+S = K2S+3CO2 +N2,

где K2S- твёрдый остаток горения, а СО2 и N2 – газы. Как видно из уравнения, горение происходило без использования кислорода воздуха, поэтому, однажды начавшись, оно с необыкновенной быстротой начинает распространяться и внутри смеси, и по её поверхности.

Образующиеся при горении нагретые быстрорасширяющиеся газы распространяются во все стороны сметают всё на своём пути, поэтому реакция приобретала взрывной характер.

Однако и при таком составе в газы обращалось только 40% всей смеси, а остальное составляли твёрдые продукты горения, осаждавшиеся в виде копоти или дыма.

После распространения пороха в Европе он стал изготавливаться в самых отдалённых её уголках и применяться во всех армиях Европейских стран. Несмотря на некоторые недостатки в применении пороха (дым и копоть, а также дороговизна калийной селитры), эта смесь на протяжении 6-ти столетий была единственным взрывчатым веществом, используемым человеком.

Для того, чтобы вещество (или смесь) считалась взрывчатой, оно должно обладать двумя свойствами: оно должно очень быстро сгорать; при горении должно выделятся большое количество газов, имеющих высокую температуру и давление. Именно этими свойствами обладал чёрный порох.

С развитием органической химии в XIX веке появляются новые вещества, которые обладали этими свойствами. Но, как оказалось, они были во много раз мощнее пороха.

Впервые за тысячу лет человечество получило новые взрывчатые вещества. Но это было только началом пути: и пироксилин, и нитроглицерин были весьма капризными и опасными продуктами.

Следовало пройти ещё длинный путь, на котором были и ужасные пожары и взрывы, и гибель людей (среди которых был и брат изобретателя динамита Эмиль Нобель).

Некоторые опасные взрывчатые вещества до того, как стало известно об этом их свойстве, использовались в совершенно мирных целях. Например, тринитрофенол (мощнее тротила!), использовался в качестве жёлтого красителя. О его истинных свойствах узнали тогда, когда в Париже взрывом этой, казалось бы, безобидной “краски” была полностью уничтожена текстильная фабрика.

Участие в изобретении новых взрывчатых веществ, в частности порохов, принял участие и великий русский учёный Д.И. Менделеев.

Он также предложил несколько усовершенствований в промышленном производстве пороха, таких, как например, обезвоживание пороха этиловым спиртом взамен сушке.

Но… русское правительство предпочло закупать порох в Германии, а с началом Первой мировой войны – в Америке, причём тот же самый менделеевский порох, патент на который был продан.

В целом, значение пороха в истории человечества весьма значительно. Жаль только, что человек применял его чаще всего для уничтожения себе подобных, а не в мирных целях (строительство, добыча полезных ископаемых и другие).

2.1 “Perpetuummobile” – неосуществимая мачта средневековья

Созданием “вечных двигателей”, то есть устройств, которые могли бы производить работу только за счёт себя, в тёмные времена Средневековья занималось не меньшее число людей, чем число алхимиков, искавших “философский камень”.

Все эти горе – изобретатели, искавшие “perpetuum mobile” делились на две категории: фанатики – самоучки, тратившие все свои средства на создание всё новых и новых, но неработающих моделей “вечного двигателя”. Второй категорией были лжеизобретатели, наживавшиеся на том, что простым людям был неизвестен один из главных законов физики – закон сохранения энергии. Дела этих “изобретателей” были более успешны.

О “вечных двигателях” знали многие великие люди, то есть работа над ними велась не втайне от других и не принималась церковью как ересь. Упоминания о таких мечтателях есть в произведениях Пушкина (Бертольд из “Сцены из рыцарских времён”) и у М.Е.

Но секрет “Колеса Орфиеруса” – так назывался двигатель – был раскрыт, и оказалось, что он приводился в движение отнюдь не вечными братом и служанкой “изобретателя”.

Сам он, разоблачённый, не сдавался до самой своей смерти и твердил, что “весь свет наполнен злыми людьми, которым верить весьма невозможно”.

Во времена Петра I славился и другой “вечный двигатель” – некого Гертнера, о котором писал Шумахер – посланник царя, связывавшийся с Орфиерусом. Вполне был прав Шумахер, когда сообщал Петру, что французские и английские учёные “ни во что почитают все оные перпетуи мобилес и сказывают, что оное против принципиев математических”.

2.2 От водяного колеса до гидротурбины

На изобретение Сегнера обратили внимание учёные и инженеры многих стран. Первым откликнулся на новинку великий математик Эйлер, посвятивший исследованию этого прибора несколько своих работ. Прежде всего, он указал на недостатки в конструкции Сегнера, отметив при этом, что при устранении их идея нового двигателя получит более полное воплощение.

В 1832 году французский инженер Фурнейрон, пользуясь расчётами Эйлера, построил первую гидротурбину, ещё далеко несовершенную.

В 1837 году уральский мастер Игнатий Сафонов построил на Алапаевском заводе первую в России гидротурбину, имевшую КПД, равный 53% – меньше, чем у водяного колеса. Но уже через два года тот же мастер построил и установил на Ирбитском заводе новую турбину, имевшую 70%-ный КПД.

Вскоре Фурнейрон построил турбину, имевшую 80% КПД. Эта турбина имела конструкцию, представленную на верхнем рисунке.

Она представляла собой два вложенных друг в друга кольца: наружное, неподвижное, являлось направляющим аппаратом (рекомендованная Эйлером и впервые примененная профессором Бюрденом к водяному колесу в 1827 году деталь); внутренним колесом была сама турбина.

Турбина работала, используя реактивный принцип, то есть, по сути, представляло собой усовершенствованное колесо Сегнера: вода, попавшая в турбину, вращала её не только за счёт своей кинетической энергии, но, увеличив свою скорость из-за специальной конструкции лопаток, при вытекании как бы отталкивалась от турбины, сообщая ей дополнительную энергию.

Главными её отличиями от водяного колеса были постоянное, непрерывное движение воды и отсутствие затрат энергии на преодоление сопротивления струи воды. Турбины этой конструкции оказались удобны там, где напор воды невелик, но есть возможность создать перепад в 10 – 15 м. Конструкция этой турбины представлена на нижнем левом рисунке.

Большое распространение получил один из типов реактивной турбины – пропеллерные, имевшие КПД до 94% (наиболее удачные конструкции).

Появился и другой тип турбин – струйные (на нижнем правом рисунке). Первую струйную турбину, имевшую промышленное значение, сконструировал в 1884 году американский инженер Пельтон.

Его турбина использовала активный принцип и имела КПД, равный 85%. Турбина представляла собой колесо на горизонтальной оси, к которому подведены сопла.

Источник: https://mirznanii.com/a/321555-3/istochniki-energii-istoriya-i-sovremennost-3

Дымный порох: из чего делают, состав, химическая формула, кто и где изобрёл, правила обращения, удельная теплота

История человечества это история изобретений. Какие-то задумки забываются через пару лет после появления на свет, что-то меняет жизнь в корне. В военном деле сложно назвать более революционное изобретение, чем дымный порох.

Появление пороха означало закат целой эпохи, с его помощью уничтожались целые империи и народы. Годы тренировок с холодным оружием и дорогой доспех отныне равнялись куску металлической трубы и нескольким часам тренировки, а по прошествии нескольких лет последние и вовсе брали верх. То, что казалось ранее невозможным, подчинялось человеку, поставившему на службу порох.

Создание

Документально зафиксированного документа о том, кто и когда первым изобрел порох, то есть смешал селитру, уголь и серу, нет. Легенды и истории рассказывают различные версии, но во всех есть общая черта. Изобретатели пороха – алхимики, предшественники современных ученых. Нехватку знаний древние ученые компенсировали недюжинной энергией в проведении экспериментов и верой в свои силы.

Заветной мечтой любого алхимика были производство вещества, дававшего вечную молодость и способного превращать любой металл в золото. К сожалению, не вышло.

Но смешивая самые разные ингредиенты, они получали первые представления о природе вещей и первые простейшие химические составы. Один из составов однажды сжег алхимику брови.

По одной из версий это ученый мудрец Сунь Сы-мяо, живший в VII веке до нашей эры.

Кем бы ни был создатель пороха, его изобретение сначала не вызвало большого ажиотажа среди военных чинов. Магический взрывающийся порошок больше заинтересовал придворных устроителей праздников, использовавших его для фейерверков.

Лишь в ХI веке уже нашей эры, чудо порошок стали использовать в качестве боевой начинки для «Огненных стрел», прообраза современных ракет.

Попадание такого снаряда в толпу легкобронированных или не бронированных вовсе солдат противника вызывала чудовищные последствия. Правда, оружие это не отличалось точностью, хорошо, если из десятка в цель попадала одна, использование было скорее деморализующим.

В Европу порох попал, по мнению большей части исследователей, вместе с арабскими купцами по Великому Шелковому Пути. Существует легенда о монахе Бертольде Шварце, случайно получившем порох в XIV веке.

Эта история при ближайшем рассмотрении не выдерживает критики.

Первые прообразы пушек, использованные на полях сражений Европы, ознаменовали революцию не только в военном деле, но и во всех смежных областях. Порох подстегнул промышленность, ведь для выстрела нужен ствол из качественного металла. Вызывало проблемы хранение пороха, требовалось развитие упаковки.

Входящая в состав селитра, гигроскопичный материал, впитывающий влагу из окружающей среды, быстро приходил в негодность. Порох быстро отсыревал при неправильном хранении.

Одновременно порох сделал бесполезным практически любой доспех, лишив мастеров-бронников работы. Далеко вперед шагнула медицина, так как пулевые ранения и ожоги лечатся иначе, нежели колото-резаные раны.

К слову, представители медицины не раз поднимали вопрос о запрещении пороха как «адского зелья, не делающего различий между богатыми и бедными, полководцами и новобранцами». И это только было только начало.

Порох использовали и против камня.

Высокие стены замков с распространением пушек ушли в прошлое, уже в XV веке оборонительная архитектура стремиться к толстым низким стенам. Инженеры стремятся закопаться, создать больше бастионов, апрошей и окопов. Для того, чтобы подорвать эти стены используют подкопы, в них закладываются бочки с порохом. Так была взята Казань войсками Ивана Грозного.

Подобные устройства назывались минами, и часто осажденные делали контр-мины, уничтожая отряды вражеских саперов. Закладывали мины и обороняющиеся солдаты. В таком случае часто погибал весь передовой отряд штурмующих, а у шедших за ними бойцов часто не хватало мужества пройти через брешь, в которой за секунду погибли несколько десятков товарищей.

С начала использования состава на войне краеугольным камнем стала проблема чистки порохового нагара. С эпохи Средних веков до наших дней этот момент не претерпел изменений. Ствол, даже современной снайперской винтовки, не прочищенный нерадивым или ленивым стрелком разрывает как и сотни лет назад.

Конечно, с использованием новых типов пороха чистка ствола стала менее актуальной проблемой, но любому уважающему себя владельцу оружия известно правило «пострелял-почисти». К слову, в эпоху Наполеоновских войн существовал метод экспресс-чистки ствола от нагара во время боя. Для этого достаточно было помочиться в ствол.

Из чего приготавливаются разные типы пороха

Первые образцы черного пороха изготавливались из серы, селитры и мёда с реальгаром, то есть моносульфидом мышьяка. Иногда использовались сушеные корни и прочие растения.

Но наибольшего эффекта смесь достигала при смешивании серы, селитры и угля. Так появился классический черный порох. Важную роль играло процентное соотношение веществ при смешивании.

Связано это было с особенностями самих веществ, так как:

• сера, загорается при температуре всего 200 градусов по Цельсию, в классическом рецепте ее 10%;
• селитра, подхватывает огонь и выделяет кислород, необходимый для горения следующего элемента, ее должно быть 75%;
• уголь, обеспечивающий выделение газа и энергию, толкающую снаряд, 15 % вещества хватит.

Черный порох может содержать и другие пропорции, но в этих случаях баллистические характеристики могут серьезно отличаться как в большую, так и в меньшую сторону.

Слишком мощный порох так же был не нужен в войсках.

Несовершенство оружия при использовании сильного порошка приводило к быстрому износу ствола. Производство пороха обычно организовывали в малонаселенных частях города, недалеко от реки, на которой устраивали водяные мельницы, для перемалывания состава.

Иногда можно встретить осколки старого ремесла в городских названиях, так в Нижнем Новгороде существует Зеленский съезд. Зельем в старину называли порох, и на дне оврага, через который проложена дорога, производили порох для обороны нижегородского кремля.

Важно понимать разницу между простым горением пороха и его детонацией для взрыва.

Выделяемые газы и дым создают давление, которое и приводит, в одном случае к взрыву, в другом, если имеются условия, к выстрелу.

Неугомонные военные, в поисках идеального оружия, с самого начала жаловались на главный недостаток дымного пороха, собственно, сам дым. При выстреле орудие или бойца застилали клубы дыма, при малом ветре они долго не рассеивались. Это демаскировало позицию, одновременно мешая целиться.

В русском языке сохранилась поговорка «Бой в Крыму, все в дыму…» с разными, более-менее приличными концовками.

Химики решили помочь армии, и в XIX веке сначала в одной, затем в другой, третьей, пятой стране стали появляться образцы пироксилинового пороха. В России состав этого пороха рассчитал сам Менделеев. По легенде, для этого ему всего лишь потребовался список въезжающих на территорию немецкой пороховой фабрики вагонов с сырьем.

Потребовалось некоторое время для того, чтобы сделать образец более устойчивым, но открытие было сделано и его уже не остановить. Это была еще одна революция, так как обладавший намного большей силой новый образец пороха толкнул вперед не только пули, но и промышленность, военное дело. Мировые войны и конфликты современности используют уже именно его.

Несмотря на фактическое завоевание бездымными видами пороха мирового господства, черный порох продолжает пользоваться широкой популярностью среди широких слоев населения. Его используют для фейерверков, охотничьих ружей, разных «мужских» игрушек типа самострелов, частенько стоящих пальцев играющим.

Черный порох покупается в магазине, можно попробовать приготовить его и самому. Пошаговые рецепты находятся в широком доступе во множестве как книжных, так и электронных ресурсах. В любом случае, нужно помнить о безопасности, как своей, так и окружающих.

Помимо представленных видов пороха, появляются экзотические варианты. Например, жидкий порох, в состав которого входит керосин. Безумная, на первый взгляд идея, на испытаниях давала фантастический результат по бронепробиваемости.

Довольно часто керосин используют в качестве основного компонента в фугасах (от лат. focus — огонь) и напалмах (napalm — от англ. naphthenic acid — нафтеновая кислота), но это уже несколько другая история.

Виды пороха и производители

Может показаться, что порох бывает нескольких разновидностей, в зависимости от химического состава, но это не так. Одна и та же формула может быть воплощена в совершенно разные вещества.

Так, в эпоху Наполеоновских войн самым качественным порохом обладала британская армия. Несмотря на одинаковые формулы, англичане использовали более качественные, добываемые в Индии, составляющие, за счет чего их порох так высоко ценился.

Различался порох и степенями помола. Охотники и особые подразделения в армии, лучшие стрелки, имели несколько видов этого порошка. Самый лучший, тщательно отмерянный порох находился в специальных колбах, называемых берендейках. Его использовали только в том случае, когда выстрел должен был быть единственным и точным.

Артиллерийский порох так же отличался по помолу. Конечно, он был грубее охотничьего пороха, но в эпоху дульнозарядной артиллерии часты были дуэли между расчетами, особенно это касалось флота. Условно в артиллерию можно отнести и ракеты.

>Несмотря на «ужасную точность», эксперименты с этим оружием более-менее успешно велись минимум в двух армиях, русской и английской, на рубеже XVIII-XIX веков.

В этих ракетах так же использовался свой вид пороха, как правило, низкого качества.

В эпоху бездымного пороха специализация сильно усложнилось. Современные пороха различаются по плотности, размеру и по геометрическим фигурам порошинок, все это рассчитано и обусловлено своими характеристиками.

Современный охотничий порох можно перечислять бесконечно, но имеется несколько образцов, базовых для производства патронов:

• порох крук, украинская разработка, высочайшего качества, не имеющая в составе ингредиентов, повышающих износ ствола;
• порох сунар 410, медленногорящий состав, быстро нашедший поклонников в охотничьей среде;
• порох сильвер, один из самых мощных образцов на рынке охотничьих товаров;
• порох тахо, испанский продукт, один из самых неоднозначных видов данного товара, выбор которого лежит исключительно на воле и желании самого охотника.

Разработаны и продаются многие другие виды черного пороха, но здесь любителям пострелять самостоятельно снаряженными патронами советы давать сложно, так как каждый сам выбирает для себя лучший товар для конкретных задач. Приоритеты все равно расставит мерка для пороха и опыт.

Порох на страницах книг и кино

Разумеется, такое важное изобретение не могло не оставить след в культуре. Однако сложно найти произведение, в котором черному пороху, или открытию черного пороха уделялось бы особое внимание. В самом деле, мы же не задумываемся, когда видим колесо в кино или книге? Многие народные высказывания так же касаются этого вещества.

Откуда пошло хранить порох сухим? Если порох промок, боец не готов отражать атаку. Легендарное «Есть ли порох в пороховницах», означающее наличие или отсутствие сил для продолжения борьбы.

Между тем, есть несколько произведений, описывающих во всех подробностях операции с порохом. Для лучшего знакомства с процессами изготовления стоит обратиться к материалам, повествующим о затерянных на необитаемых местностях людях. Как правило, все они пытаются, с разной степенью успеха, самостоятельно получить порох.

Много внимания уделено пороху в английской литературе, описывающей эпоху Наполеоновских войн. Так, в цикле книг о похождениях стрелка Шарпа, в каждом томе есть как минимум одно подробное упоминание о заряжании мушкета «Браун Бесс» и реверанс в сторону английского пороха.

Артиллерийские пороха часто встречаются в книжной серии о капитане Королевского флота Джеке Обри Патрика О’Брайана. Большая часть технической стороны посвящена парусному флоту, но артиллерийской подготовке также уделено много внимания.

Описание пороха можно встретить в неожиданных произведениях. Львиная доля авторов игнорируют этот состав, считая само собой разумеющимся, но между строк можно прочитать об этом, безусловно, одном из самых главных изобретений человечества.

Название проникло в нашу жизнь, и мы можем спокойно наслаждаться чаем зеленый порох, слушать Машу Порох, не задумываясь о том, в честь чего названы перечисленные явления повседневности, и не чувствовать запаха пороха с полей сражений, проходивших в течение столетий.

Источник: https://WarBook.club/boepripasy/dymnyy-poroh/