1. Giới thiệu tổng quan về máy hơi nước

Động cơ hơi nước, hay còn gọi là máy hơi nước, là loại động cơ nhiệt đốt ngoài sử dụng nhiệt năng của hơi nước để chuyển đổi thành công năng. Ban đầu, các động cơ hơi nước được sử dụng như một bộ phận chuyển động sơ cấp cho các loại máy móc như bơm, tàu hỏa, tàu thủy, máy cày, xe tải và các loại xe cơ giới chạy trên đường bộ khác. Các tuabin hơi nước, mặc dù kỹ thuật có thể xem là một loại động cơ hơi nước, nhưng hiện nay được sử dụng rộng rãi trong sản xuất điện, tuy nhiên, các loại động cơ cũ hơn hầu hết đã bị thay thế bằng động cơ đốt trong và động cơ điện.

Quá trình phóng rộng của hơi nước tạo ra lực đẩy lên piston hoặc cánh quạt và biến động năng lượng thành chuyển động quay để quay bánh xe hoặc truyền động cho các bộ phận cơ khí khác. Một trong những lợi thế của động cơ hơi nước là nó có thể sử dụng bất kỳ nguồn nhiệt nào để đun nồi hơi, tuy nhiên, các nguồn nhiệt thông dụng nhất là đun củi, than đá hoặc dầu và sử dụng hơi nhiệt năng thu được từ lò phản ứng hạt nhân.

Cấu trúc của một động cơ hơi nước bao gồm một nồi hơi súp de để đun nước sôi tạo hơi. Việc giãn nở của hơi tạo lực đẩy lên piston hoặc các cánh tuabin và chuyển động thẳng được chuyển thành chuyển động quay để quay bánh xe hoặc truyền động cho các bộ phận cơ khí khác.

Động cơ hơi nước có thể hoạt động bằng cách sử dụng sức mạnh của hơi nước. Khi đun nước sôi, nước bắt đầu bốc hơi và tạo ra một lực đẩy rất lớn, đủ để đẩy bật nắp ấm. Nếu sử dụng nồi hơi lớn hơn, lực đẩy của hơi nước sẽ càng lớn hơn. Khi hơi nước được dẫn qua một đường ống nhỏ, lực đẩy của nó sẽ tăng cường, đủ để vận hành máy móc.

Động cơ hơi nước được xây dựng dựa trên nguyên lý này, và cho đến ngày nay, các đầu máy hơi nước và máy phát điện vẫn được vận hành bằng hơi nước.

 

2. Vai trò của máy hơi nước

Máy hơi nước đã có một vai trò quan trọng trong lịch sử công nghiệp và đóng góp lớn vào sự phát triển của nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Dưới đây là một số ý nghĩa của máy hơi nước:

- Tạo ra sức mạnh: Máy hơi nước đã mở ra cánh cửa cho việc tạo ra sức mạnh bằng nguồn năng lượng từ hơi nước, giúp cho các ngành công nghiệp và giao thông vận tải phát triển mạnh mẽ hơn.

- Tăng năng suất: Máy hơi nước đã thay thế sức lao động của con người và thúc đẩy sự tự động hóa trong sản xuất, giúp tăng năng suất và giảm chi phí sản xuất.

- Mở rộng thị trường: Nhờ vào sức mạnh của máy hơi nước, sản phẩm có thể được sản xuất với số lượng lớn hơn và giá thành rẻ hơn, từ đó mở rộng thị trường và đưa sản phẩm đến nhiều người tiêu dùng hơn.

- Tiết kiệm năng lượng: Máy hơi nước đã giúp tiết kiệm năng lượng so với các phương pháp sản xuất truyền thống trước đây, giúp giảm tác động của sản xuất đến môi trường.

- Đưa ra nền tảng cho những phát minh công nghệ tiếp theo: Các phát minh công nghệ tiếp theo có thể không được phát triển nếu không có nền tảng từ máy hơi nước.

Vì những lý do trên, máy hơi nước được coi là một phát minh quan trọng trong lịch sử công nghiệp và đã có tác động sâu sắc đến sự phát triển của nhiều ngành công nghiệp khác nhau.

 

3. Ai là người phát minh ra máy hơi nước? James Watt là ai?

3.1 Ai là người phát minh ra máy hơi nước?

Các động cơ hơi nước đầu tiên được phát triển nhằm giải quyết vấn đề bơm nước ra khỏi các mỏ khoáng sản bị ngập lụt. Khi người châu Âu chuyển từ sử dụng gỗ sang than để làm nhiên liệu chính trong thế kỷ 17, các mỏ than bị đào sâu hơn nên nước ngầm thường tràn vào hoặc ngập úng do nước mưa. Jerónimo de Ayanz, một nhà quản lý khai thác mỏ người Tây Ban Nha, là người đầu tiên giải quyết vấn đề này. Năm 1606, ông đăng ký bằng sáng chế đầu tiên cho một cỗ máy sử dụng năng lượng hơi để hút nước ra khỏi các mỏ. Ông đã thử nghiệm thành công thiết bị của mình tại một mỏ bạc ở Guadalcanal, Seville.

Sau đó, năm 1698, Thomas Savery, một nhà phát minh người Anh, đã sáng chế ra động cơ hơi nước đầu tiên. Ông sử dụng các nguyên lý trước đó được đề xuất bởi Denis Papin, một nhà vật lý người Anh gốc Pháp. Savery nghĩ ra một hệ thống bơm nước gần như liên tục nhờ sử dụng hai nồi hơi. Tuy nhiên, động cơ của ông chỉ có khả năng bơm nước ở các mỏ có độ sâu nông, do đó cần phải khắc phục vấn đề này.

May mắn cho các chủ sở hữu hầm mỏ ở châu Âu, vào năm 1711, nhà khoa học người Anh Thomas Newcomen đã phát triển thành công một thiết bị tốt hơn để bơm nước ra khỏi các mỏ. Thiết bị này sử dụng động cơ hơi nước với xilanh và piston, giúp loại bỏ sự cần thiết của áp suất hơi tích lũy, đồng thời giải quyết được vấn đề về vụ nổ đáng tiếc trong hệ thống của Savery. Thiết bị của Newcomen được gọi là “động cơ khí quyển”, bởi vì áp suất hơi mà nó sử dụng gần bằng áp suất khí quyển. Mặc dù đã có nhiều cải tiến, động cơ khí quyển của Newcomen vẫn còn một số hạn chế, bao gồm việc hoạt động không hiệu quả và đòi hỏi một lượng nước lớn để làm mát xilanh, cũng như nguồn năng lượng để làm nóng lại xilanh. Tuy nhiên, động cơ của Newcomen vẫn được sử dụng rộng rãi trong suốt 50 năm tiếp theo.

Vào năm 1765, kỹ sư người Scotland James Watt đã cải tiến động cơ của Newcomen. Watt nhận thấy rằng động cơ này sử dụng quá nhiều hơi nước. Để giải quyết vấn đề này, Watt đã loại bỏ việc làm mát và hâm nóng liên tục cho xilanh hơi, và phát triển một bình ngưng tụ riêng biệt cho phép xilanh hơi duy trì ở nhiệt độ không đổi. Điều này đã làm tăng gấp đôi công suất của động cơ Newcomen.

Vào năm 1776, Watt đã hợp tác với Matthew Boulton, một doanh nhân người Anh, để sản xuất loạt động cơ mới của mình có tên gọi là “động cơ hơi nước Boulton-Watt”. Đây là loại động cơ đầu tiên cho phép người vận hành máy điều khiển tốc độ của thiết bị bằng bộ điều tốc ly tâm (centrifugal governor).

Những cải tiến của Watt về động cơ hơi nước, kết hợp với tầm nhìn của Boulton đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng máy móc vào các dây chuyền sản xuất trên khắp nước Anh, sau đó là Mỹ và toàn thế giới. Sự ứng dụng của máy hơi nước đã nhanh chóng vượt ra ngoài phạm vi khai thác mỏ, chuyển sang các lĩnh vực công nghiệp khác từ gia công kim loại cho đến dệt may, nơi nó được điều chỉnh để phù hợp với guồng quay tơ phổ biến ở các nhà máy dệt châu Âu. Đây là tiền đề quan trọng cho cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ nhất.

Trước khi có động cơ hơi nước, các nhà máy dựa vào năng lượng gió hoặc dòng chảy của nước để vận hành đã bị giới hạn tại một số khu vực địa lý nhất định. Động cơ hơi nước ra đời giúp các nhà máy sản xuất có thể được xây dựng ở bất kỳ đâu, không chỉ dọc theo các dòng sông chảy xiết.

Ngoài việc sử dụng làm nguồn cung cấp năng lượng cho các công xưởng, máy hơi nước còn được áp dụng trong lĩnh vực giao thông vận tải. Vào đầu những năm 1800, động cơ hơi nước đã trở nên nhỏ gọn đủ để lắp ráp vào đầu máy xe lửa và tàu thuyền.

Vào ngày 19/8/1807, nhà phát minh người Mỹ Fulton đã thiết kế một chiếc tàu chở khách chạy bằng máy hơi nước và thử nghiệm thành công trên sông Hudson, mở ra những chuyến đi bằng tàu định kỳ từ New York đến Albany.

Năm 1814, kỹ sư người Anh George Stephenson đã thành công trong việc chế tạo xe lửa chạy bằng máy hơi nước. Đây là lần đầu tiên trong lịch sử, hàng hóa được vận chuyển trên đất liền bằng một phương tiện khác, không phải là cơ bắp của con người hay động vật.

Có thể kết luận rằng, vào khoảng đầu thế kỷ 18 (năm 1698), một kỹ sư người Anh tên là Thomas Savery đã phát minh ra máy hơi nước. Máy của Savery là một thiết bị đơn giản, sử dụng hơi nước để tạo ra áp suất và bơm nước lên độ cao. Sau đó, James Watt đã tiến hành cải tiến máy hơi nước và đưa nó vào sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và giao thông vận tải.

 

3.2 James Watt là ai? 

James Watt sinh ngày 19 tháng 1 năm 1736 tại thị trấn Greenock, Scotland. Ngay từ khi còn là một thiếu niên, James đã bắt đầu quan tâm đến các thí nghiệm trong lĩnh vực thiên văn học và hóa học. Cha của James đã gửi con trai đi học ở London để anh được đào tạo về hệ thống ống nước. James Watt đã hoàn thành chương trình bảy năm chỉ trong một năm và trở về quê nhà để tìm kiếm công việc làm thợ cơ khí sản xuất dụng cụ chính xác tại Đại học Glasgow.

Năm 1769, ông đã nhận được bằng sáng chế quan trọng về "cách giảm tiêu thụ hơi trong động cơ hơi nước". James nghiên cứu sâu sắc và cố gắng cải tiến các loại động cơ hơi nước khác nhau. Ông đã tạo ra động cơ hơi nước đầu tiên của mình vào năm 1774. Năm 1782, ông đã phát minh thành công một loại động cơ hơi nước xoay liên tục, được đặt tên theo tên ông. Động cơ này đã đóng góp quan trọng trong việc chuyển đổi sản xuất máy trong công nghiệp.

Ngoài ra, Watt còn phát minh ra nhiều công cụ khác như kính đo cho nồi hơi, áp kế thủy ngân, mực sao chép và chỉ báo áp suất. Ông cũng đã đưa ra đơn vị đo công suất được sử dụng phổ biến ngày nay, đó là mã lực.

Trên đây là toàn bộ nội dung bài viết của Luật Minh Khuê liên quan đến vấn đề: Ai là người phát minh ra máy hơi nước? James Watt là ai? Mọi thắc mắc chưa rõ hay có nhu cầu hỗ trợ vấn đề pháp lý khác, quý khách hàng vui lòng liên hệ với bộ phận tư vấn pháp luật trực tuyến qua số hotline: 1900.6162 hoặc gửi yêu cầu tư vấn qua email: lienhe@luatminhkhue.vn để được hỗ trợ và giải đáp kịp thời. Xin trân trọng cảm ơn quý khách hàng đã quan tâm theo dõi bài viết của Luật Minh Khuê.