Создание первых тепловых двигателей

Силовые установки, использующие силу воды и ветра, с развитием машинного производства перестали удовлетворять зарождающуюся промышленность. Развитие торговли, транспорта, военной промышленности требовало новых источников энергии. Поиск принципиально нового типа двигателя стал "проблемой номер один". Среди пытливых исследователей природы были и те, кто смутно предчувствовал возможности использования энергии пара, но серьезных попыток в этом направлении до середины XVI в. не предпринималось. Главным препятствием на этом пути было то, что природа пара и его свойства были почти неизвестны. Однако уже во второй половине XVI в. исследователи начали интересоваться свойствами пара в надежде научиться использовать скрытую в нем энергию. В 1606 г. итальянский естествоиспытатель Д. Порта изобрел устройство, способное за счет расширения нагреваемого пара поднимать на некоторую высоту воду. В книге, вышедшей в 1615 г. во Франкфурте, Соломон де Ко описал устройство, способное под действием пара выталкивать воду в фонтанах. Были и другие, менее удачные попытки использования энергии пара.

Основной толчок развитию исследований по использованию энергии пара был дан набирающей силы капиталистической системой производства. Без мощных машин не могла обойтись ни горнорудная промышленность, ни металлургическая. Владельцы предприятий имели средства для поисковых работ и могли оплатить свой заказ науке. Ученые, во многих случаях зависящие от покровителей, вынуждены были заниматься исследованиями, имеющими чисто прикладное значение, т. е. именно тем, что интересовало заказчиков. Для серьезных исследований требовались оборудование, лаборатории, приборы. Все это мог оплатить заказчик. Именно на этом этапе развития общества и произошло заметное сближение теории и практики, плодотворное для научного прогресса.

Первая задача, которую должны были решить исследователи, - найти способ откачивания воды из рудников. Изобретателями было предложено немало устройств, предназначенных для этого, но ни одно из них не удовлетворяло предъявляемым требованиям: экономичность, высокая производительность, простота в изготовлении и эксплуатации. Однако новый путь отыскать все-таки удалось.

В конце XVII в. разработкой этой актуальной задачи занялся французский изобретатель и физик Д. Папен (1647 - 1712), который построил пригодный для эксплуатации двигатель. К этому времени Папен уже получил известность в науке своими изобретениями. В Париже под руководством Гюйгенса он принимал участие в опытах с воздушным насосом; исследовал зависимость температуры кипения от давления. В 1680 г. Папен сообщил об изобретении им парового котла с предохранительным клапаном, предложил конструкцию центробежного насоса. В 1690 г. Папен издал книгу, в которой описал результаты своих экспериментов по исследованию свойств пара. Именно в ней было приведено описание первой паровой машины, сконструированной автором.

К идее создания паровой машины Папен пришел, размышляя над свойствами водяного пара. Так как вода способна испаряться под действием притока теплоты, рассуждает Папен, и при этом возникает упругая сила, как и у воздуха, а при охлаждении пар вновь превращается в воду и при этом упругая сила совершенно исчезает, то, по его мнению, легко построить машину, в которой с помощью воды можно получать полный вакуум. Создание и использование этого вакуума и было положено в основу паровой машины, сконструированной Папеном.

Основные части машины (цилиндр и поршень) были заимствованы у Гюйгенса, который пытался заставить работать подобное устройство с использованием пороха. Папен ассистировал Гюйгенсу во время этих экспериментов, которые закончились неудачно. Устройство Папена представляло собой цилиндр, в который наливалась вода. Впрочем, послушаем лучше самого изобретателя: "Наливаю в цилиндр немного воды, опускаю в него поршень до самой поверхности оной, а воздух, заключенный под поршнем, выпускаю через отверстие особого крана, тогда действием огня, разведенного под цилиндром, вода в нем начинает кипеть и превращаться в пар, который производит сильное давление на поршень и поднимает его, преодолевая давление атмосферы, в это мгновение упорка, входящая в выемку, сделанную на стержне, задерживает поршень вверху, после чего убирается огонь и пар, сгустившись через охлаждение, производит в цилиндре пустоту. Теперь машина в состоянии произвести механическое действие, ибо по отнятии упорки поршень опустится с силой, равной давлению атмосферы, и может поднимать данное сопротивление с помощью веревки и блоков".

Однако действительность оказалась более суровой, чем того ожидал изобретатель. Попеременное нагревание и охлаждение цилиндра было энергоемким и поглощало очень много топлива. Но не это было главным. Основным недостатком была медлительность действия, что исключало возможность применения ее для откачки воды. Каждое поднятие и опускание поршня длилось около минуты. Но все-таки основная мысль Папена была верной.

Вскоре после выхода книги из печати Папен сообщил о своем изобретении на заседании Лондонского Королевского общества, членом которого он состоял с 1680 г. Ученые выслушали текст сообщения, одобрили саму идею, но особого восторга по поводу его несовершенной конструкции не высказали. Наиболее активным оппонентом Папена, выражающим мнение общества, был известный английский ученый Р. Гук. Папен был обескуражен критикой коллег, чувствовал глубину их аргументов.

В 1698 г. английский механик Т. Севери получил патент на паровой нагнетательный насос. Хотя его устройство было и действующим, но производительность была крайне низка: поднять воду на значительную высоту насос Севери не мог.

Заинтересовавшись первыми успехами своего соотечественника в области использования энергии пара, Королевское общество поручило заняться исследованием этого вопроса Т. Ньюкомену (1663 - 1729). В 1705 г. Ньюкомен сконструировал вполне пригодный для работы насос, а в 1712 г. он в сотрудничестве с Севери построил паровую машину, которая приводила в действие водоотливные насосы. Удача пришла к нему после того, как он рабочий цилиндр отделил от котла. Пар, полученный в котле, по трубам подводился в цилиндр. Это усовершенствование значительно снижало расход топлива и позволило увеличить скорость перемещения поршня в десять раз. Действие машины было вполне удовлетворительным, о чем говорит тот факт, что в течение пятидесяти лет после изобретения машина Ньюкомена не претерпела существенных изменений. Изготавливаемые в эти годы машины копировали одна другую, отличаясь в лучшем случае лишь размерами и отделкой.

В России первая паровая машина была построена в 1765 г. И. И. Ползуновым (1728-1776). Специальное образование Ползунов получил в горнозаводской школе г. Екатеринбурга (ныне Свердловск), после окончания которой (1742) работал под началом главного механика уральских заводов. В 1748 г. он переехал в Барнаул и поступил работать на металлургическое предприятие техником по учету выплавляемого металла. Через два года молодой специалист был переведен в должность унтершихтмейстера. Именно в эти годы Ползунов начал интересоваться состоянием дел в горнообогатительной промышленности, регулярно посещал библиотеку завода. Познакомившись с работами М. В. Ломоносова по вопросам теплоты, он самостоятельно осуществил ряд экспериментальных исследований. Им были проведены опыты по определению плотности воды и воздуха, по исследованию механизма парообразования.

Детальное знакомство с описанием существующих паровых машин способствовало тому, что в 1765 г. Ползунов разработал проект первого в мире парового двухцилиндрового двигателя, в котором цилиндры "работали" на один общий вал. Таким образом, конструкция Ползунова была конструкцией универсального двигателя, в котором работа одного цилиндра использовалась для подъема воды: падение воды на колесо рождало движение, передаваемое необходимым устройствам.

Проект машины был послан на рецензию президенту Берг-коллегии И. А. Шлаттеру. Но Шлаттер "не заметил" новизны проекта: он предлагал конструктору включить в общую схему и водяное колесо "по образцу европейских". Однако конструктор понимал, что включение дополнительного звена привело бы к падению мощности и, кроме того, означало бы топтание на месте, если не шаг назад. Но конструктор оказался более настойчивым и через некоторое время спроектировал новую машину мощностью 32 л. с.¹, рекордную для того времени, все-таки отказавшись от водяных колес, вопреки пожеланиям Шлаттера. Двухцилиндровая паровая машина (рис. 3) приводила в движение воздушные меха и работала беспрерывно, что было большим преимуществом в отличие от устройства Ньюкомена.

¹ (Внесистемная единица мощности. 1 л. с. =736 Вт)

Рис. 3. Двухцилиндровая паровая машина

Нельзя не отметить и тот факт, что в процессе работы над паровой машиной Ползунов изобрел прибор для автоматического питания парового котла, крановое водо- и парораспределение, балансирный передаточный механизм от цилиндров к потребителю, аккумулятор дутья ("воздушный ларь") и др.

За неделю до пуска машины Ползунов скончался от чахотки. 16 мая 1766 г. машина была запущена. Руководил запуском машины алтайский гидротехник и механик К. Д. Фролов. Эффективность работы паровой машины Ползунова была настолько высокой, что прибыль, полученная за 43 дня работы, вдвое превысила стоимость ее сооружения. Дальнейшая работа машины была прекращена вследствие неполадок в котле. И вместо того чтобы сменить котел, администрация завода навсегда остановила детище русского механика-изобретателя. Трудности, которые стояли на пути Ползунова, вполне объяснимы. Дешевый труд крепостных не вызывал нужды в подобных двигателях. Изобретения Ползунова были надолго забыты. Только через 30 лет после работ Ползунова в России началось производство паровых машин. Сегодня по принципу, созданному Ползуновым, работает свыше 100 млн. тепловых двигателей.

Наиболее значительные улучшения в конструкции паровой машины связаны с именем английского изобретателя Дж. Уатта (1736 - 1819). Занимая должность механика физического кабинета при Глазговском университете, Уатт получил задание починить машину конструкции Ньюкомена. Тщательно изучив эту машину, он придумал очень простое и принципиально важное усовершенствование. Вместо того чтобы осуществлять конденсацию пара в цилиндре, Уатт предложил выбрасывать его в атмосферу. Это существенно увеличило быстроходность машины и ее экономичность. Иными словами, он первым из конструкторов понял необходимость резервуара с более низкой температурой - холодильника. Уатт внес много усовершенствований в двигатель. Он предложил устройство, позволяющее преобразовать поступательное движение во вращательное, изобрел регулятор оборотов, парораспределитель, сконструировал и изготовил пружинный индикатор для исследования процессов, протекающих в цилиндре (метод индикаторных диаграмм), и много других усовершенствований.

Уатт дал паровой машине больше, чем все изобретатели, вместе взятые, работавшие до него в этой области. Благодаря его трудам появилась возможность использовать паровую машину на транспорте - для пароходов и паровозов. Развитию паровых машин способствовала сравнительная простота их изготовления и удобство в обслуживании, а низкий коэффициент полезного действия пока не волновал их владельцев.

Таким образом, почти столетие понадобилось ученым различных стран, чтобы воплотить идею использования энергии пара в металл, приспособить пар для нужд зарождающейся промышленности. Процесс превращения теплоты в работу был, наконец, успешно завершен. "Паровая машина, - писал Ф. Энгельс в "Диалектике природы", - была первым, действительно интернациональным изобретением, и этот факт в свою очередь свидетельствует об огромном историческом прогрессе. Паровую машину изобрел француз Папен... Лейбниц... подсказал ему при этом основную идею: применение цилиндра и поршня. Вскоре после этого англичане Севери и Ньюкомен изобрели подобные же машины; наконец, их земляк Уатт, введя отдельный конденсатор, придал паровой машине в принципе ее современный вид. Круговорот изобретений в этой области был завершен: было осуществлено превращение теплоты в механическое движение. Все дальнейшее было только усовершенствованием деталей"¹.

¹ (Маркс К., Энгельс Ф. Собр. соч., т. 20, с. 431)

Паровая машина явилась первым представителем класса тепловых машин, роль которых даже спустя три столетия со времени изобретения, все еще остается значительной в современном машинном производстве.

Паровая машина победно шествовала по материкам и странам, постепенно приобретая все новые и новые профессии. Но также постепенно сказывались и недостатки ее конструкции. Для беспрерывной работы тепловой машины необходимо много воды и топлива. Паровые машины буквально "пожирали" уголь, и широкое использование их имело смысл только там, где залежи топлива находились недалеко от производства. Однако они требовались и там, где не было запасов топлива, но зато имелось сырье для промышленного производства той или иной продукции. Неизвестно было, какой вариант дешевле: возить уголь туда, где располагали сырьем, или везти сырье в места, богатые запасами угля. Коэффициент полезного действия (КПД) паровых машин, несмотря на все усовершенствования, был все еще низок. Потери теплоты были велики. Часть ее выбрасывалась в атмосферу, часть излучалась нагретыми деталями машины, часть уносилась вместе с дымом. Требовалась энергия и на преодоление трения в подвижных деталях машины.

Совершенно неизвестно было, как подступиться к расчетам паровых машин, какое вещество лучше использовать в качестве рабочего тела, какую температуру должен иметь пар. Неизвестно было и то, какие процессы протекают в цилиндрах паровых машин и какие должны осуществляться для того, чтобы получать большие значения КПД. Существующие в то время расчеты мощности были, скорее, интуитивными, чем научно обоснованными.

Следует отметить, что наряду с усовершенствованием паровой машины в начале XIX в. получает развитие идея двигателя внутреннего сгорания, представляющего собой новый тип теплового двигателя, несколько отличный по конструкции от паровой машины. Если не учитывать первые неудачные попытки Гюйгенса, то первыми на пути создания нового типа теплового двигателя были французские изобретатели братья Ньепсы. В 1794 г. в окрестностях Ниццы, в маленькой деревушке, Ньепсы приступили к конструированию нового типа двигателя - пирэолофора, как его назвали изобретатели. Цель у них была та же, что и у конструкторов паровой машины, - превращение внутренней энергии в механическую. Они предполагали, что их способ будет более дешевым.

Ньепсам удалось воплотить свой проект в металл. Первый двигатель их конструкции работал, используя в качестве горючего ликоподий - семена спорового растения. Несколько позже - на порошкообразной смеси каменного угля и смолы. В конце 1816 г. опытный образец пирэолофора приводил в действие судно, бороздившее воды Сены.

Несмотря на то что Ньепсам удалось получить на свой двигатель патент Французской Академии наук и построить работающий по четырехтактному циклу двигатель, работа в этом направлении закончилась неудачей. Первые образцы двигателей Ньепсов были несовершенны. Требовалась дальнейшая работа по улучшению их конструкции, а для этого нужны были время и деньги. Постройка опытных судов, содержание мастерской, консультации со специалистами привели их к полному разорению. Следует добавить, что у изобретателей были не только сочувствующие, но и те, кто противостоял их идее. Новый двигатель подрывал позиции банкиров, предпринимателей и специалистов, связанных с изготовлением и применением паровых машин в промышленности и на транспорте. Это сопротивление сломило волю братьев. Они не получили признания не только у современников, но и у потомков. Вся беда изобретателей состояла в том, что они приступили к созданию нового типа двигателя в то время, когда еще не существовало теории тепловых двигателей. Все делалось чисто интуитивно. Только через полвека, в 1860 г., после того как была создана теоретическая база, соотечественнику Ньепсов - Э. Ленуару (1822 - 1900) удалось изготовить первый двигатель внутреннего сгорания, пригодный для эксплуатации.

Теоретически проблему экономичности удалось решить молодому инженеру французских войск Сади Карно. "У Сади Карно, - пишет А. Пуанкаре, - не было, собственно говоря, предшественников; в его время термические машины были еще мало известны, никто еще не задумывался над их теорией и он, несомненно, первый поставил известные вопросы и первый разрешил их". .

Теоретические исследования Карно в области тепловых машин были продолжены его соотечественником Б. Клапейроном, который далее развил идеи Карно, придав им математическую форму и графически интерпретировав их.

Завершил труд французских коллег немецкий физик Р. Клаузиус, который, используя все самое важное в работе предшественников построил механическую теорию теплоты и тем самым разрешил многовековый спор ученых в пользу механической теории. Он по-иному взглянул на идеи Карно и, выбросив из них теплород, оставил все самое ценное и необходимое для дальнейшего развития этой отрасли знания.

Так закончился этот путь, растянувшийся на тысячелетия. В конце концов человечество сумело не только осуществить процесс превращения теплоты в работу, но и понять физическую сущность процессов, сопровождающих это превращение.