Пароворот: Промышленная революция

Первые упоминания об использовании силы пара для выполнения механической работы встречаются в трудах ученых, работавших в знаменитом Александрийском мусейоне еще за 150 лет до нашей эры. Из дошедшей до нас книги Герона Александрийского мы узнаём об удивительных механизмах, придуманных им самим и его предшественниками Ктезибием и Филоном. Эти остроумные устройства напоминали скорее игрушки, сделанные на потеху публике, но на самом деле были результатом настоящих физических опытов, из которых делались выводы о свойствах веществ.

Здесь мы находим первые описания сифона, термоскопа и отдаленного предка паровой турбины.

Из книги Герона понятно, что греки к началу нашей эры владели достаточными техническими знаниями, чтобы предвосхитить машины, которые появились лишь в XVIII веке. Им были известны зубчатые передачи, гидростатика, применения сифонов, сжимаемость воздуха и движущая сила пара. Но дальше игрушек для развлечения публики, «магических» эффектов в храмах и оружейных приспособлений вроде катапульт дело не пошло.

В записях Герона, которые, к счастью, не потерялись в веках, можно найти подробное описание около сотни таких конструкций. Под номером 11 здесь фигурирует первое упоминание о применении тепла для приведения в движение жидкостей: после того как на алтаре разводили огонь, из сосуда, который держала в руках фигура на пьедестале, начинала литься жидкость, символизируя совершение возлияния. Чаще всего приводят в пример самое крупное в буквальном смысле слова сооружение, описанное Героном под номером 37 — устройство для автоматического открывания дверей храма. Оно было сложнее и эффектнее предыдущего. Жрец разводил огонь в расположенном перед храмом жертвеннике, а когда огонь достаточно разгорался, двери храма к восторгу верующих зрителей распахивались сами собой.

С началом римской эпохи наука постепенно стала приходить в упадок, Александрийский мусейон был закрыт, а о свойствах водяного пара забыли ни много ни мало — на 1,5 тысячи лет.

Упоминания о первых попытках европейцев воспроизвести греческие паровые машины встречаются уже ближе к XVI веку. (Хотя известен один случай в Реймсе, относящийся к 1120 году, когда профессор местной школы Герберт построил орган, куда нагнетался воздух, предварительно «сжатый путем нагревания воды».)

Тогда, более 400 лет назад, только-только появились первые упоминания об атмосферном давлении, а в европейском научном сообществе шли споры о природе теплоты. Это было время создания термометров и температурных шкал, изучения свойств газов и попыток освоить силу расширения водяного пара. Опытным путем было установлено, что при охлаждении пара в закрытой емкости возникает заметное разрежение (понижение давления), которое тоже можно использовать для совершения механической работы. Когда наконец удалось более-менее разобраться с атмосферным давлением, температурой, некоторыми свойствами газов и получением «вакуума», пришло время перейти от науки к практике.

Самых больших успехов по части применения этих знаний добились англичане. Инженер Сэвери и самоучка Ньюкомен сконструировали тепловую машину для подъема воды из угольных шахт. В их машине пар, получаемый в котле, поступал через клапан в цилиндр, поднимая поршень. Затем клапан закрывали и поливали цилиндр холодной водой, при этом пар конденсировался, возникало разрежение и поршень опускался под действием атмосферного давления. Хотя эти устройства потребляли огромное количество тепла и имели КПД примерно 0,5%, они почти полвека служили на угольных шахтах Корнуэлла и Северной Англии и даже продавались на континент.

Уатт работал в университете в Глазго, где занимался изготовлением механических инструментов, химией, физикой и был ассистентом профессора Джозефа Блэка, который не только преподавал, но и сам проводил эксперименты и изучал тепловые процессы. Будучи весьма продвинутым по тем временам учебным заведением, университет для изучения естественных наук приобрел наисовременнейшее и дорогостоящее устройство — двигатель Ньюкомена. Получив предложение отремонтировать его, Уатт всерьез занялся исследованиями паровых машин. Для начала он подробно изучил труды своих предшественников, а когда попытался разобраться в работе двигателя, обнаружил, что тот потребляет непомерно большое количество топлива. Почему? Ответа не было, и Уатт решил сделать свою экспериментальную установку.

Он построил новый котел-бойлер, чтобы измерять количество испарившейся воды и сконденсировавшегося пара в каждом цикле двигателя. Первый экспериментальный вывод был таков: для нагрева большого количества воды достаточно совсем немного пара. Обсудив результаты опытов с Блэком, Уатт получил от профессора подробные разъяснения по поводу этого явления — оказалось, что опыты Уатта подтвердили догадки самого Блэка

о существовании «скрытой теплоты».

Профессор рассказал своему ассистенту примерно следующее. Рассмотрим процесс превращения воды в пар. Мы подаем тепло, и вода постепенно нагревается до температуры кипения в 100 °C. Чтобы всю ее превратить в пар, нужно продолжить нагрев. Мы продолжаем подводить тепло, а температура не увеличивается и остается равной 100 °C до тех пор, пока вся вода не выкипит. Только после этого температура пара при дальнейшем нагреве начинает возрастать. Это значит, что все тепло, переданное веществу в процессе испарения, оказывается запасено или «скрыто» внутри пара. Причем количество этой тепловой энергии весьма значительно: пар может нагреть от точки замерзания до кипения в пять раз больше воды, чем сам весит: если мы соединим 5 кг воды при 0 °C и 1 кг пара при 100 °C, то получим 6 кг кипящей воды. А если вместо пара взять воду при тех же 100 °C, получится 6 кг воды температурой всего чуть больше 16 °C.

За первыми опытами последовали тщательные количественные измерения. Определив, что пар в весовом отношении гораздо больший аккумулятор тепла, чем вода, Уатт понял, что для сокращения потерь нужно найти способ сохранять цилиндр во время всего цикла работы двигателя таким же горячим, как и поступающий в него пар. Сначала он попытался сделать более экономичный цилиндр, применив деревянные материалы с большей теплоизоляцией и не проводящие тепло трубки, но существенных изменений не произошло. Нужно было какое-то принципиально иное решение.

Однажды вечером Уатт вышел погулять, как всегда, не переставая размышлять о паровой машине. Прошел мимо старой прачечной и домика пастуха, как вдруг ему в голову пришла замечательная идея: если пар обладает свойством упругости, он будет перемещаться в вакуум, и если связать цилиндр с откачанным резервуаром, пар устремится туда и может быть сконденсирован без охлаждения цилиндра. Когда Уатт вернулся домой, в голове у него уже была готова новая конструкция. Так был изобретен недостающий элемент паровой машины — отдельная емкость для конденсации пара, которая в современных устройствах называется конденсатором.

Для проверки своего изобретения Уатт использовал в качестве парового цилиндра и поршня большой латунный хирургический шприц 35 см в диаметре и 25 см длиной. Шприц был перевернут, и шток поршня для удобства свисал вниз, а сверху и снизу были трубки для ввода пара из бойлера, снабженные кранами, выполнявшими роль паровых клапанов. Трубка вела также от цилиндра к конденсатору, сделанному из двух связанных между собой жестяных трубок, а еще одна соединенная с конденсатором трубка, куда Уатт вставил небольшой поршень, служила для откачивания воздуха. Все три трубки были опущены в емкость с холодной водой. Эта небольшая модель оказалась работоспособной, а качество вакуума было таким, что поршень поднимал груз весом 7 кг!

Конденсатор позволил уменьшить расход топлива почти в пять раз по сравнению с машиной Ньюкомена и поднять КПД до 2,5%. Но Уатт на этом не остановился. Он выяснил, что клапан можно закрывать до того, как цилиндр полностью заполнится паром, поскольку пар, расширяясь, все равно поднимет поршень. В результате такой дополнительной экономии КПД вырос до 4,5%. Дальше Уатт присоединил к своей конструкции вращательно-поступательный механизм, сделал двусторонний впуск пара, паровую рубашку вокруг цилиндра — то есть ввел фактически все элементы современных паровых двигателей, которыми люди пользовались почти 200 лет, пока в ХХ веке им на смену не пришли более производительные двигатели внутреннего сгорания.

В наше время паровозы уже стали раритетом, но без использования движущей силы пара современную жизнь представить себе все равно невозможно. Ведь основной элемент всех нынешних электростанций — это паровая турбина, следующая ступень в истории паровых двигателей. Здесь пар не поднимает поршень, а крутит лопасти, что оказалось гораздо выгоднее с точки зрения энергозатрат.

Впрочем, первый действующий прообраз паровой турбины — «эолипил» — описан в книге Герона Александрийского под номером 50. Две тысячи лет назад применение этого реактивного парового двигателя вполне соответствовало потребностям времени — с его помощью создавали движущиеся изображения вокруг алтаря.

С греческим эолипилом современные паровые турбины роднит, пожалуй, только пар да идея использовать его движущую силу. И хотя в них заложены уже сотни технических изобретений и усовершенствований, они имеют эффективность свыше 40% и мощность в сотни мегаватт, самым главным их элементом, помимо колеса с лопатками, остается конденсатор, тот самый, изобретенный Уаттом откачанный резервуар, куда пар устремляется из парового котла, заставляя бешено вращаться лопасти турбины и отдавая нам все гигантские запасы своей «скрытой теплоты».