Существует легенда, согласно которой Джеймс Уатт придумал свою паровую машину, глядя на пар, выходящий из носика кипящего чайника. Доля правды в этом мифе меньше, чем КПД первых паровых двигателей. Однако ни на одной из могил Вестминстерского аббатства нет такой уважительной эпитафии, как на могиле Уатта

Эпитафия на могиле Уатта Не для того чтобы увековечить имя, которое должно выдержать испытание временем, пока процветают мирные науки, а чтобы показать, что человечество научилось почитать тех, кто больше всего заслуживает благодарности, Король, его министры, знатные и простые граждане королевства воздвигли этот памятник Джеймсу Уатту, который, направив силу своего незаурядного ума на усовершенствование парового двигателя, умножил богатства своей страны, увеличил силу человека и занимает место среди самых выдающихся приверженцев науки и действительных благодетелей человечества.
Так был изобретен конденсатор Джеймс Уатт в своей лаборатории проверяет на практике идеи, пришедшие ему в голову во время вечерней прогулки
Паровая турбина Лопасти паровой турбины на фабрике Siemens в немецком городе Мюльхайме
Пар в действии В 60 км к северу от знаменитых калифорнийских виноградников 350-градусный пар вращает турбины, обеспечивая постоянный поток электричества

Согласно легенде Джеймс Уатт придумал паровую машину, глядя на пар, выходящий из носика закипающего чайника. Конечно, это всего лишь миф. На самом деле история паровых машин насчитывает много столетий, десятки имен и бесчисленное множество конструкций, часть которых так и осталась на бумаге. И все же ни на одной могиле в Вестминстерском аббатстве не найдется столь уважительной эпитафии, как на могиле Уатта. Его имя носит знакомая всем единица измерения мощности, ватт, равная 1/746 л.с. Что же сделал этот знаменитый шотландец, и что помогло ему внести столь значительную лепту в технический прогресс?

Игрушки древних

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.

Хорошо забытое старое

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.

Тайна «скрытой теплоты»

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.

О пользе прогулок

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.

Современный эолипил

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».

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№5, Май 2005).