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2-20 蒸汽之力 功和能量(1 / 2)

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秦九韶从年初开始一直就在研究函数,半年多来颇有些收获,最开始用到函数的是物理组对运动速度、加速度和位移的研究,后来,在蒸汽机的研究过程中,函数的加入使得大家对各种参数之间的关系,理解起来更容易和直观。

锅炉中产生的蒸汽进入气缸,气缸内就有了压强,压强在活塞上产生了力,这是一个静态的过程,而当活塞运动起来之后,其状态就变了。黄尧发现,同样的气缸压力,不同尺寸的气缸和活塞运动速度不一样,缸体直径越大的,活塞的运动速度越慢,反之,气缸直径越小的,活塞运动速度就越快。

物理组将不同尺寸的气缸上产生的力和运动速度数值做成了表格,秦九韶将两组数字分别作为x、y横纵坐标填入坐标系中发现,这些点形成了一条曲线,这条曲线的函数正好是个反比例关系,也就是说,每一个气缸,力和速度的乘积是大致一样的。

“那……这个乘积的数字是个什么意义呢?”黄尧问。

秦九韶想了想说:“不同的气缸,用的却是同一个锅炉产生的蒸汽,同一个锅炉,同样的火力,产生蒸汽的温度、压力和速率都是一样的,蒸汽的这些特性,就是改变状态的根本原因。水从液体变成蒸汽,然后又变回液体,自身循环没有发生改变,它只是一种媒介,将煤炭的热量转化为了活塞运动的力量,所以,如果把锅炉做大,或者加大火力,使得它产生蒸汽的速度更快,这个数字肯定会变化。”

黄尧点点头:“不错,看来这个参数才是蒸汽机最关键最核心的参数。就像马和牛一样,牛的力气大,但是走得慢,马的力气小,但是跑得快,要运输同样多的货物,马可以来回多跑几趟,牛一趟就拉完,但是两者用的时间有可能是一样的。”

“诶,这个比喻很恰当,力大低速的牛和力小快速马,运输货物的能力可能就是一样的,蒸汽机也一样,它改变物**置的能力与气缸大小没多大关系,取决于总共产生了多少蒸汽,这个概念,应当叫做‘能’,或者称之为‘能量’。”

黄尧点点头表示同意:“能量这个词好,但是我觉得不应该简单地定义为改变物**置的能力,而应该叫做改变物体状态的能力,一个物体运动的速度不同,其含有的能量也该是不一样的,但是呢速度也不是能量的衡量标准……”

“那我们就回到出发点,蒸汽机的活塞,给能量定义一个量化的单位,一单位的能量就是1牛的力带着物体产生1米的位移,而蒸汽机只是传递给物体以能量,传递能量的多少就叫做——功,能是物体本身具备的参数,而功是能量增加或减少的数量。”秦九韶说

“功者,功绩、功劳,做功产生的能量转移和变化,不错。”黄尧接过秦九韶的话说,“不过,不同的锅炉,产生蒸气的速度不一样,做功的快慢也就不一样,这个应当叫做功率,按照功、能的量化标准,1单位的功率就该是1牛的力产生1米每秒的速度,唔,跟活塞的力和速度对上了!”

“对对对,功率是蒸汽机最核心的参数,功率大,就等于运输货物的能力更强。”

两人和物理组的一番讨论、试验,最终完善了功、能和功率这几个最关键的物理概念,而根据能的定义,1单位的能是1公斤二次方米每秒,这个描述太复杂了,一个叫何兀物理组成员提出,以“焦”作为能量的基础单位,大家都觉得很恰当,因为蒸汽机输出的能量根本来源是锅炉中的炭火,焦这个字带有热量大的意思。而后,功率的基础单位用了秦九韶名字的最后一个字——韶,1韶的功率即1N的力产生1m/s的速度。

经过计算,黄尧制作的蒸汽机样机锅炉产生的蒸汽压力在80-120千塞(相对压强),蒸气温度190赵氏度,最大输出功率约为70韶。功率确实很小,没有太大的实用性,1匹成年驮马长时间运动的功率都是700韶。不过,江南工业和天机院现在已经搞清楚了影响蒸汽机的几个参数,提升蒸汽压力和温度、增大锅炉容积、提高煤炭燃烧速度都能够有效提升蒸汽机的输出功率。

过了中秋,江南工业集团的研发部就已经完成了一台5千韶级样机的设计图纸,这一台样机,黄尧计划中是用作招商引资的,杭州钢铁厂已经将集团成立时筹集的资金消耗得差不多了,要成立新的机械厂就要额外融资。

有钢铁厂的产能和利润报表作为典范,这一次,工部尚书李易已经表达出对蒸汽机项目十分看好的意愿,工部今年还能拿出至少50万贯予以支持,如果能够说服朝廷投资,那官方的股份还会更多。除了朝廷之外,黄尧自己经过几个月的产业套现,手里能够周转出来的现钱能达到80万贯。

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