या ब्लॉग पोस्टमध्ये स्टीम इंजिन आणि यंत्रसामग्रीच्या विकासाने मानवी श्रमाची जागा कशी घेतली आणि संस्कृतीचा वेग आणि कार्यक्षमता कशी वाढवली याचे ऐतिहासिक महत्त्व तपासले आहे.
आपण कल्पना करण्यापेक्षा जास्त यंत्रांनी वेढलेले राहतो. जेव्हा एखाद्या यंत्राबद्दल विचार करायला सांगितले जाते तेव्हा बहुतेक लोक कार किंवा वॉशिंग मशीनची कल्पना करतात. '३ इडियट्स' चित्रपटात, नायक रॅंचोला त्याच्या प्राध्यापकांनी यंत्राची व्याख्या कशी करावी असे विचारले तेव्हा तो उत्तर देतो की ते असे काहीही आहे जे मानवी प्रयत्न कमी करते - अगदी पेन निब किंवा पॅन्टचा झिपर देखील एक प्रकारचे यंत्र आहे.
दैनंदिन जीवनात आपण सहजपणे दुर्लक्षित केलेली असंख्य साधने आणि उपकरणे देखील मशीन म्हणून वर्गीकृत केली जाऊ शकतात. रॅंचोने नमूद केल्याप्रमाणे, पेन निब्स किंवा झिपर सारख्या दैनंदिन वस्तूच नव्हे तर हँडल, पुली, स्क्रू आणि इलेक्ट्रिकल स्विच सारखी साधी उपकरणे देखील मानवी प्रयत्न कमी करण्यासाठी भौतिक तत्त्वांचा वापर करतात. ही लहान उपकरणे एकत्रितपणे मोठी मशीन्स बनवतात, ज्यामुळे आपण त्यांची शक्ती आणि कार्यक्षमता अधिक प्रभावीपणे वापरू शकतो. मला शंका आहे की सामान्य लोक ज्या मशीन्सना मशीन मानतात त्या मानवी शक्तीने नव्हे तर इंजिन किंवा मोटर्सच्या शक्तीने चालणाऱ्या आणि हलणाऱ्या वस्तू आहेत. इंजिन किंवा मोटर्सद्वारे चालणाऱ्या वॉशिंग मशीन आणि ऑटोमोबाईल्स सारख्या मशीन्स या श्रेणीत येतात कारण ते 'मानवी श्रम' लक्षणीयरीत्या कमी करतात.
१८ व्या शतकापूर्वी, मानवजात मानव आणि प्राण्यांच्या स्नायूंच्या शक्तीवर अवलंबून होती, ज्यामुळे पशुधन वाहतुकीचे साधन आणि उत्पादनाचे साधन म्हणून महत्त्वाचे बनले. नंतर, पाण्याचे चाके आणि पवनचक्क्यांसारख्या नैसर्गिक उर्जा स्त्रोतांचा देखील वापर केला जाऊ लागला. १७९० च्या दशकात कोळशावर चालणाऱ्या स्टीम इंजिनच्या विकासामुळे वेग आणि उत्पादनाच्या प्रमाणात वाढ झाली जी आदिम किंवा नैसर्गिक उर्जा स्त्रोतांच्या वापराशी तुलना करता येत नव्हती. स्टीम इंजिन नंतर वाढत्या प्रमाणात लहान आणि अधिक नियंत्रित करण्यायोग्य उर्जा स्त्रोतांनी बदलले - अंतर्गत ज्वलन इंजिन आणि इलेक्ट्रिक मोटर्स - विशिष्ट अनुप्रयोगांसाठी तयार केलेले. हे आता आपल्या दैनंदिन जीवनात उर्जेचे प्राथमिक स्रोत म्हणून काम करतात.
वर उल्लेख केलेले स्टीम इंजिन आणि अंतर्गत ज्वलन इंजिन ही उष्णता इंजिनांची प्रातिनिधिक उदाहरणे आहेत. उष्णता इंजिन हे एक यंत्र आहे जे औष्णिक ऊर्जा - आण्विक स्तरावर सूक्ष्म गती - गतिज उर्जेमध्ये, वस्तूच्या स्थूल गतीमध्ये रूपांतरित करते. सोप्या भाषेत सांगायचे तर, याचा अर्थ असा आहे की अशी यंत्रे जी उष्णता निर्माण करण्यासाठी इंधन जाळून बल आणि गती निर्माण करते. सर्व उष्णता इंजिने उच्च-तापमानाच्या उष्णता स्त्रोताकडून औष्णिक ऊर्जा प्राप्त करतात आणि त्याचा काही भाग इंजिनमधील कार्यरत द्रवपदार्थात हस्तांतरित करतात. औष्णिक उर्जेने गरम केलेले आणि त्यामुळे तापमानात वाढलेले कार्यरत द्रवपदार्थ, त्याचा दाब वाढल्याने विस्तारते. या विस्तारामुळे कार्यरत द्रवपदार्थ इंजिनच्या यांत्रिक घटकांवर दाबण्यास भाग पाडतो, ज्यामुळे शक्ती आणि गती निर्माण होते. इंजिन चालू ठेवण्यासाठी, उर्वरित औष्णिक ऊर्जा थंड वातावरणातील हवेत टाकली जाते.
यंत्रसामग्रीच्या विकासामुळे केवळ मानवी श्रम कमी झाले नाहीत; त्यामुळे संपूर्ण मानवी संस्कृतीत मोठे बदल घडून आले. औद्योगिक क्रांतीदरम्यान, उष्णता इंजिनसारख्या यंत्रांच्या आगमनाने उत्पादकतेत नाट्यमय वाढ झाली, ज्यामुळे अर्थव्यवस्था आणि औद्योगिक रचनेत पूर्णपणे परिवर्तन झाले. यातून जन्मलेल्या आधुनिक उत्पादन प्रक्रियांनी मानवतेचे जलद शहरीकरण आणि मोठ्या प्रमाणात आर्थिक व्यवस्था निर्माण करण्यास हातभार लावला. यांत्रिक विकासाच्या या साखळी प्रतिक्रियेने आजच्या समृद्ध जीवनशैली आणि विविध तांत्रिक नवकल्पनांचा पाया घातला.
आज, बहुतेक वीज निर्मितीसाठी स्टीम इंजिनचा वापर प्रामुख्याने पॉवर प्लांटमध्ये उष्णता इंजिन म्हणून केला जातो. स्टीम इंजिन इंधन जाळून थर्मल एनर्जी निर्माण करून चालते, जे कार्यरत द्रव (पाणी) उकळते आणि उच्च-तापमान, उच्च-दाब वाफ तयार करते. ही वाफ नंतर टर्बाइनमध्ये सोडली जाते. स्टीम टर्बाइन ब्लेडमधून जात असताना, ती त्यांना ढकलते आणि दाब कमी करते, ज्यामुळे टर्बाइन शाफ्ट फिरवण्यासाठी आवश्यक असलेली शक्ती आणि हालचाल निर्माण होते. फिरणारा शाफ्ट कॉइलने गुंडाळलेला असतो आणि त्याच्याभोवती स्थिर चुंबक ठेवलेले असतात. इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक परस्परसंवादाद्वारे वीज तयार केली जाते. इलेक्ट्रिक मोटर ही उष्णता इंजिनचा घटक मानली जाऊ शकते, कारण ती एका बाजूला उष्णता इंजिनद्वारे उत्पादित केलेल्या कामाचे अंशतः दुसऱ्या बाजूला कामात रूपांतर करते.
स्टीम इंजिनच्या विपरीत, अंतर्गत ज्वलन इंजिन उष्णता इंजिनमध्येच इंधन जाळतात, ज्यामुळे ते स्टीम इंजिनपेक्षा लहान बनतात, ज्यामध्ये कार्यरत द्रवपदार्थापासून वेगळे ज्वलन कक्ष असते, काही अपवाद वगळता. शिवाय, खोलीच्या तपमानावर उकळत्या बिंदूपर्यंत पाणी आणण्यासाठी स्टीम इंजिनांना प्रीहीटिंगची आवश्यकता असते, परंतु अंतर्गत ज्वलन इंजिन इंधन-मिश्रित कार्यरत द्रवपदार्थ प्रज्वलित झाल्यानंतर लगेचच स्पार्कसह कार्य करू शकतात, ज्यामुळे प्रीहीटिंगची आवश्यकता दूर होते. त्यांच्या कॉम्पॅक्ट आकारामुळे आणि जलद स्टार्टअपमुळे अंतर्गत ज्वलन इंजिनांना वाहतुकीसाठी खूप मागणी होती. जेट इंजिनच्या विकासापूर्वी विमानांमध्ये देखील त्यांचा वापर केला जात असे.
थर्मल इंजिनमुळे मानवजातीला जीवाश्म इंधन, केंद्रित सौर ऊर्जा वापरता आली. सुमारे ४ लिटर पेट्रोल सुमारे ९० टन वनस्पती पदार्थांच्या समतुल्य थर्मल ऊर्जा सोडते - सुमारे १६०,००० चौरस मीटर क्षेत्रफळ असलेल्या गव्हाच्या शेतातून सर्व मुळे, देठ आणि धान्ये तयार होतात तितक्याच प्रमाणात. या प्रचंड ऊर्जा पुरवठ्यामुळे मानवांना जलद आणि अधिक शक्तिशाली शक्तींचा वापर करता आला. स्टीम इंजिनच्या प्रणेत्यांपैकी एक जॉन स्मीटन यांनी अंदाज लावला की जास्त वेळ काम करणारा माणूस सुमारे १०० वॅट ऊर्जा निर्माण करतो. याचा अर्थ असा की दहा लाख गुलामांना एकत्रित करूनही वेस्ट इंडीज किंवा ब्राझीलमध्ये उत्पादित साखर एका जहाजापेक्षा वेगाने युरोपमध्ये पोहोचवता येत नाही. दहा लाख लोकांनी मेणबत्त्या बनवल्या तरी ते कोलोसियममध्ये रात्रीचे खेळ आयोजित करण्यासाठी पुरेसा प्रकाश निर्माण करणार नाहीत. हीट इंजिनने औद्योगिक क्रांती घडवून आणली, लोकसंख्या वाढवली आणि आयुष्य वाढवले आणि आज मानवी संस्कृती चालू ठेवणारा पाया आहे.
१९ व्या शतकात स्टीम इंजिनचे व्यापारीकरण झाल्यापासून, उष्णता इंजिन विकासातील सर्वात महत्त्वाचा विषय 'कार्यक्षमता' आहे. कमीत कमी इंधन वापरताना मोठी गतिज ऊर्जा निर्माण करण्याचा प्रयत्न आजही सुरू आहे. थर्मोडायनामिक्स ही उष्णता इंजिनांच्या विकासादरम्यान मिळालेल्या अनुभवातून स्थापित केलेली एक शाखा आहे आणि ती सर्वात कार्यक्षम, आदर्श उष्णता इंजिनसाठी मानक प्रदान करते.
१८३४ मध्ये, एमिल क्लेपेयरॉन नावाच्या एका अभियंत्याने 'फोर्स मोट्रिस डे ला चालेर' (उष्णतेची प्रेरणा शक्ती) या शीर्षकाखाली सादी कार्नोटच्या युक्तिवादांची पुनर्रचना केली आणि प्रकाशित केली. कार्नोटने हे सिद्ध केले की चार आदर्श प्रक्रियांचे चक्र पुनरावृत्ती करणारे इंजिन - समऔष्णिक विस्तार, अॅडियाबॅटिक विस्तार, समऔष्णिक आकुंचन आणि अॅडियाबॅटिक आकुंचन - सर्वात कार्यक्षम आहे. त्याची कार्यक्षमता याद्वारे दिली जाते: (तापमान एकके निरपेक्ष तापमानात असतात.)
कार्यक्षमता = १ – (कमी उष्णता स्रोताचे तापमान / जास्त उष्णता स्रोताचे तापमान)
अशाप्रकारे, त्यांनी हे दाखवून दिले की जोपर्यंत उष्णता इंजिन -२७३ अंश सेल्सिअसवर, म्हणजेच निरपेक्ष शून्यावर चालत नाही, तोपर्यंत त्याची कार्यक्षमता नेहमीच १ पेक्षा कमी असते, हे सिद्ध करून की शाश्वत गती अशक्य आहे. कार्नोटची व्युत्पत्ती प्रक्रिया नंतर एन्ट्रॉपी आणि थर्मोडायनामिक्सचा दुसरा नियम स्थापित करण्याचा पाया बनली.
अशाप्रकारे, उष्मागतिकी आणि एन्ट्रॉपीची तत्त्वे केवळ शैक्षणिक शोध नव्हती; मानवांसाठी उपलब्ध असलेल्या उष्मा इंजिनांच्या मर्यादा लक्षात आणून देण्यासाठी ते एक महत्त्वपूर्ण वळण ठरले. या जाणीवेमुळे उष्मा इंजिनांची कार्यक्षमता वाढवण्याचे विविध प्रयत्न झाले, ज्याचा विस्तार आधुनिक अंतर्गत ज्वलन इंजिन, इलेक्ट्रिक मोटर्स आणि हायब्रिड तंत्रज्ञानात झाला, ज्यामुळे आजपर्यंत विविध संशोधन आणि तांत्रिक विकासाचा आधार बनला आहे.
प्रत्यक्ष उष्णता इंजिने समान प्रमाणात गती निर्माण करण्यासाठी आदर्श इंजिनांपेक्षा जास्त इंधन का वापरतात हे अनेक कारणे स्पष्ट करतात. प्रमुख घटकांमध्ये इंजिनच्या कंटेनरमधून उष्णता बाहेर पडणे, कार्यरत द्रव किंवा हलत्या भागांमध्ये घर्षणामुळे होणारे नुकसान आणि आदर्श वायूमध्ये नसलेल्या वास्तविक वायू रेणूंमधील परस्परसंवाद यांचा समावेश आहे. अनेक अभियंते ही गमावलेली ऊर्जा कमी करण्याचा प्रयत्न करत आहेत.
गेल्या २०० वर्षांत, मानवजातीने आपल्या प्रगतीला चालना देण्यासाठी औष्णिक ऊर्जेचा वापर केला आहे, मागील युगांच्या तुलनेत विकासाची पातळी अतुलनीय आहे. असा अंदाज आहे की आपण जीवाश्म इंधन जाळणाऱ्या उष्णता इंजिनांचा वापर करून मानवी संस्कृती दीर्घकाळ टिकवून ठेवू आणि पुढे नेऊ. पर्यायी ऊर्जा विकास सक्रिय असला तरी, जीवाश्म इंधनांचा वापर कायम राहण्याची अपेक्षा आहे. आंतरराष्ट्रीय ऊर्जा संस्थेच्या (IEA) मते, २००६ मध्ये एकूण ऊर्जा वापराच्या अंदाजे ८१% तेल, कोळसा आणि नैसर्गिक वायूचा वापर होता. २०३० पर्यंत वापराचे प्रमाण वाढत असताना हे प्रमाण स्थिर राहण्याचा अंदाज आहे. जीवाश्म इंधन - मर्यादित मानले जाणारे केंद्रित सौर ऊर्जा - भविष्यातील पिढ्यांसाठी जतन करण्यासाठी, मानवी संस्कृतीचा पाया असलेल्या थर्मल इंजिनमधील संशोधन आणि प्रगती आवश्यक आहे.
