Máy hơi nước trong năm phút
Máy hơi nước là loại máy dùng áp suất của hơi nước để tạo ra chuyển động. Nước được đun sôi, hơi nước đẩy pít-tông trong xi-lanh, và chuyển động của pít-tông sinh công: bơm nước, quay bánh xe hay kéo một đoàn tàu. Máy hơi nước nằm ở trung tâm của Cách mạng Công nghiệp vì nhờ nó, con người có thể tạo ra năng lượng ở bất cứ nơi nào có than và nước, chứ không chỉ bên cạnh một dòng sông chảy xiết.
Ai là người phát minh ra nó? Không có một câu trả lời duy nhất. Thomas Savery được cấp bằng sáng chế cho một máy bơm nước chạy bằng hơi nước vào năm 1698. Thomas Newcomen chế tạo động cơ pít-tông thực dụng đầu tiên, hoạt động tại một mỏ than gần Dudley vào năm 1712. James Watt, một thợ chế tạo dụng cụ người Scotland, sau đó thiết kế lại động cơ trong những năm 1760 và 1770 để tiêu hao nhiên liệu ít hơn nhiều. Watt là cái tên được nhớ nhiều nhất, và ông xứng đáng được ghi nhận vì những cải tiến, nhưng ông không phải người chế tạo chiếc máy hơi nước đầu tiên.
Máy hơi nước hoạt động như thế nào
Mọi máy hơi nước thời kỳ đầu đều có bốn bộ phận giống nhau: nồi hơi tạo ra hơi nước, xi-lanh, pít-tông trượt bên trong xi-lanh, và một thanh hoặc đòn bẩy truyền chuyển động của pít-tông ra bên ngoài. Hơi nước đi vào xi-lanh, pít-tông chuyển động, và thanh truyền đưa chuyển động ấy tới máy bơm hoặc một cỗ máy khác.
Điểm khéo léo nằm ở cách dùng hơi nước. Có hai cách. Cách thứ nhất, chính áp suất của hơi nước đẩy pít-tông. Cách thứ hai, hơi nước được làm lạnh trở lại thành nước để khoảng trống trong xi-lanh trở thành chân không một phần, rồi sức nặng của không khí bên ngoài đẩy pít-tông. Động cơ của Newcomen chủ yếu hoạt động theo cách thứ hai. Watt giữ ý tưởng chân không nhưng còn cho hơi nước trực tiếp đẩy, và các động cơ cao áp về sau lấy áp suất hơi nước làm lực chính.
Trước Watt: Hero, Papin và Savery
Sức hơi nước có từ sớm hơn nhiều người nghĩ. Vào thế kỷ thứ nhất sau Công nguyên, Hero ở Alexandria mô tả một quả cầu rỗng quay tròn khi hơi nước phụt ra từ hai ống cong. Thiết bị này gọi là aeolipile. Đó là một màn trình diễn thông minh, nhưng không ai dùng nó để làm việc thực sự.
Vào những năm 1670, nhà phát minh người Pháp Denis Papin chế tạo nồi hấp áp suất (steam digester), một dạng nồi áp suất sơ khai có van an toàn. Sau đó ông đề xuất rằng hơi nước có thể đẩy pít-tông trong xi-lanh, đây chính là ý tưởng then chốt của các động cơ sau này.
Cỗ máy đầu tiên được bán để làm việc thực tế là máy bơm của Thomas Savery. Savery lấy bằng sáng chế năm 1698 và gọi thiết bị của mình là Miner's Friend (Người bạn của thợ mỏ). Máy không có pít-tông. Hơi nước lấp đầy một bình kín rồi được làm lạnh, hút nước từ bên dưới lên, sau đó áp suất của hơi nước mới đẩy nước lên cao hơn. Ý tưởng hữu ích nhưng hạn chế: máy chỉ nâng nước lên được đến một độ cao nhất định, và các nồi hơi cao áp thời đó có thể phát nổ.
Newcomen: động cơ thực dụng đầu tiên
Thomas Newcomen là một thợ bán sắt và thợ rèn đến từ Dartmouth, vùng Devon. Cùng với John Calley, ông chế tạo một động cơ hoạt động tại mỏ than gần lâu đài Dudley vào năm 1712. Các mỏ thời đó luôn gặp một vấn đề: nước thấm vào hầm lò, và thợ mỏ đào càng sâu thì càng phải hút đi nhiều nước.
Động cơ của Newcomen giải quyết vấn đề bằng một đòn bẩy lớn lắc qua lắc lại. Hơi nước đi vào xi-lanh dưới pít-tông trong khi sức nặng của các thanh bơm kéo pít-tông lên. Sau đó một tia nước lạnh làm hơi nước ngưng tụ. Chân không tạo ra cho phép không khí phía trên đẩy pít-tông xuống, và đòn bẩy lắc để vận hành máy bơm. Chu trình này lặp lại suốt cả ngày.
Điểm yếu là sự lãng phí. Xi-lanh bị hơi nước làm nóng rồi lại bị nước làm lạnh ở mỗi nhịp, nên rất nhiều than bị đốt chỉ để hâm nóng lại kim loại thay vì sinh công. Ở một mỏ than, nơi than vụn rất rẻ, điều đó vẫn chấp nhận được. Động cơ Newcomen lan khắp các mỏ ở Anh rồi sang một số vùng của châu Âu, và giúp việc khai thác xuống sâu hơn trở nên khả thi.
Watt: bộ ngưng tụ riêng biệt
James Watt là thợ chế tạo dụng cụ tại Đại học Glasgow. Khoảng năm 1763, ông được nhờ sửa một mô hình nhỏ của động cơ Newcomen. Ông nhận thấy mô hình dùng lượng hơi nước nhiều đến bất ngờ và tìm ra lý do: xi-lanh bị làm lạnh rồi làm nóng lại ở mỗi nhịp.
Giải pháp của ông, phát triển năm 1765, là cho hơi nước ngưng tụ trong một bình riêng, gọi là bộ ngưng tụ, để xi-lanh luôn giữ được độ nóng. Ông đăng ký bằng sáng chế cho ý tưởng này năm 1769. Tiền bạc và gia công kim loại là những trở ngại tiếp theo. Sau khi người bảo trợ đầu tiên gặp khó khăn, Watt hợp tác với nhà sản xuất Matthew Boulton ở Birmingham, và năm 1775 họ lập quan hệ đối tác tại xưởng Soho. Cùng năm đó, Quốc hội gia hạn bằng sáng chế của Watt đến năm 1800. Những xi-lanh chính xác đến từ chủ xưởng sắt John Wilkinson, người có máy khoan có thể gia công chính xác hơn nhiều so với các phương pháp trước đó.
Boulton và Watt thường thu của khách hàng một phần số tiền than mà động cơ mới giúp họ tiết kiệm được, điều này cho thấy thiết kế của họ cắt giảm nhiên liệu đến mức nào. Nhiều cải tiến khác tiếp nối:
- 1781: bằng sáng chế biến chuyển động tịnh tiến của pít-tông thành chuyển động quay bằng bộ bánh răng mặt trời và hành tinh (sun-and-planet), để động cơ có thể chạy máy móc trong nhà máy.
- 1782: động cơ tác động kép, trong đó hơi nước đẩy pít-tông theo cả hai chiều.
- Khoảng năm 1788: bộ điều tốc ly tâm giữ cho tốc độ ổn định.
Watt cũng đo công suất động cơ bằng công việc của ngựa, đó là nguồn gốc của đơn vị mã lực. Đơn vị công suất điện, oát (watt), được đặt theo tên ông.
Từ máy bơm đến tàu hỏa và tàu thủy
Động cơ của Watt hoạt động ở áp suất thấp, to và nặng. Bước tiếp theo là dùng hơi nước mạnh hơn trong những cỗ máy nhỏ hơn. Kỹ sư Richard Trevithick người Cornwall chế tạo một xe hơi nước chạy trên đường vào năm 1801 và, ngày 21 tháng 2 năm 1804, cho một đầu máy chạy trên đường tàu goòng ở Penydarren, miền nam xứ Wales. Nó kéo khoảng mười tấn sắt cùng một nhóm người đi chừng chín dặm, dù các thanh ray bằng gang giòn bị nứt dưới sức nặng nên thử nghiệm không được lặp lại.
Những người khác tiếp tục con đường đó. Ở Hoa Kỳ, tàu hơi nước Clermont của Robert Fulton bắt đầu chở hành khách trên sông Hudson giữa New York và Albany vào năm 1807. Ở Anh, đầu máy của George Stephenson kéo những chuyến tàu đầu tiên trên tuyến đường sắt Stockton và Darlington năm 1825. Chiếc Rocket của ông thắng cuộc thi Rainhill năm 1829, và tuyến Liverpool và Manchester khai trương năm 1830 như tuyến đầu tiên vận hành hoàn toàn bằng đầu máy hơi nước theo giờ giấc cố định.
Vì sao máy hơi nước quan trọng
- Có năng lượng ở mọi nơi. Bánh xe nước cần có sông. Máy hơi nước chỉ cần than và nước, nên nhà máy có thể xây trong thị trấn, gần công nhân và thị trường.
- Mỏ đào sâu hơn. Động cơ bơm nước ngập đi, nên khai thác được nhiều than và kim loại hơn, và đến lượt chúng lại nuôi chính các động cơ.
- Giao thông nhanh hơn. Đường sắt và tàu hơi nước rút ngắn thời gian di chuyển và chở hàng khối lượng lớn với giá rẻ, kết nối các vùng và các châu lục.
- Nền kinh tế than. Máy hơi nước gắn công nghiệp với nhiên liệu hóa thạch và mang khói bụi, không khí ô nhiễm đến các thành phố đang lớn lên, một di sản vẫn còn đến ngày nay.
Tác động của nó cũng lan tới Nhật Bản. Năm 1853, Đề đốc Matthew Perry đến vùng biển Nhật Bản cùng các chiến hạm chạy bằng hơi nước, và năm 1872 Nhật Bản khai thông tuyến đường sắt đầu tiên, giữa Shimbashi và Yokohama.
Đề thi thường hỏi gì
- Người phát minh hay người cải tiến? Bài làm tốt nêu rằng Watt đã cải tiến rất nhiều một cỗ máy có sẵn. Newcomen chế tạo động cơ pít-tông thực dụng đầu tiên.
- Thứ tự thời gian. Savery (1698), Newcomen (1712), bằng sáng chế của Watt (1769), đầu máy của Trevithick (1804), Clermont của Fulton (1807), Stockton và Darlington (1825).
- Ý nghĩa. Một ý điển hình theo kiểu bài thi AP: hơi nước giải phóng công nghiệp khỏi các dòng sông, thúc đẩy đô thị hóa, và làm cho đường sắt và tàu hơi nước trở nên khả thi, từ đó kết nối các thị trường thế giới.
- Lỗi hay gặp. Máy kéo sợi và dệt đã cơ giới hóa việc sản xuất bông; còn máy hơi nước là nguồn năng lượng giúp những cỗ máy ấy rời khỏi các thác nước.
Đọc tiếp
- James Watt: Ông đã phát minh ra gì? đi sâu hơn vào cuộc đời ông và chi tiết các bằng sáng chế.
- Các phát minh và nhà phát minh của Cách mạng Công nghiệp đặt máy hơi nước bên cạnh những cỗ máy đã thay đổi ngành dệt, luyện sắt và giao thông.
- Máy tách hạt bông của Eli Whitney cho thấy một phát minh khác đã định hình lại ngành bông ở bên kia Đại Tây Dương.
