Глава пятая. Техника и физика эпохи капитализма (1830-1871 гг.)

§ 1. Техника эпохи капитализма

В подъеме и развитии машинного производства главная роль принадлежит энергетике и машиностроению.

Рассматриваемый период характеризуется исключительно быстрым привлечением к промышленному производству громадного количества энергии. Эта энергия в подавляющем большинстве производилась при помощи паровой машины, являвшейся, по определению Маркса, "универсальным двигателем крупной промышленности и транспорта" в течение всего почти XIX в.

После того как в процессе промышленного переворота была решена задача об универсальном двигателе и были разработаны методы распределения вырабатываемой им механической энергии на ряд машин-орудий, основными линиями дальнейшего развития паровой энергетики явились две взаимосвязанные линии: увеличение единичной мощности паросиловых установок и повышение их экономичности.

За сорок лет развития парового двигателя его мощность возросла от 20-30 до тысячи лошадиных сил; за это же время удвоился коэффициент полезного действия, особенно после сороковых годов, когда все чаще начали применять повышенное давление и подсушку, а позднее и перегрев пара. Повышение к.п.д. с 5 до 10% имело громадное значение при все возраставшем потреблении горючего. Особое значение имело повышение к. п. д. для судов и локомотивов, поскольку оно снижало вес погружаемого на них горючего. Нужно напомнить, что в силу громадного потребления горючего паровыми машинами первых судов они не могли обеспечить себя топливом для перехода через океан и значительную часть пути проходили под парусами (рис. 5-1).

Рис. 5-1. Колесное морское судно первой половины XIX в. Кроме паровой установки, судно имело парусное вооружение, так как не могло запастись топливом в количестве, достаточном для перехода через океан.

Снижение веса паросиловых установок на единицу мощности, столь существенное для транспортных установок, могло быть осуществлено путем увеличения числа оборотов вала двигателя и путем увеличения давления пара. Этими же путями могло быть выполнено другое требование растущей машинной техники - увеличение единичной мощности паровых установок.

Указанные пути и требования по-разному отражались на развитии основных элементов паросиловой установки: паровых котлов и паровых машин.

В ранний период развития паровых установок, когда в паро-атмосферных машинах использовался пар с котельным давлением в одну атмосферу, вопрос о прочности конструкции не являлся решающим в котлостроении. Что касается ответа на запрос об увеличении мощности машин, а следовательно, и об увеличении паропроизводительности паровых котлов, то он сводился к организации газоходов котла таким образом, чтобы топочные горячие газы омывали при своем движении не только дно, но и боковые стенки котлов. Это показано на рисунке 5-2, изображающем паровой котел установки Уатта так называемого "вагонного" типа (по его внешнему сходству с вагоном). Но в установках Уатта давление пара не превосходило 0,25 ати. В то же время опыт эксплуатации паровых машин показал преимущества повышения давления с точки зрения экономии топлива.

Рис. 5-2. Паровой котел вагонного типа: 1 - топка; 2 - газоходы; 3 - дымовая труба; 4 - предохранительный клапан. Стрелки указывают движение горячих газов

Изобретатель парового молота Нэсмит писал, что отдельные конструкторы "... стали применять высокое давление, ... которое заставило бы инженеров старой школы упасть в обморок со страха. Но так как экономический результат этого повышенного давления пара очень быстро обнаружился в совершенно недвусмысленной форме фунтов, шиллингов и пенсов, паровые котлы высокого давления при конденсационных машинах получили почти всеобщее распространение". Упомянутое Нэсмитом "высокое" давление составляло не более одной избыточной атмосферы над давлением воздуха, но переход к этому давлению в 1 ати от давлений 0,1-0,25 ати уже приносил значительный экономический эффект. Поэтому с 1830 по 1870 г. давление в паросиловых установках возросло не менее чем в три раза, от 1 до 3 ати.

Экономический эффект повышения давления направлял многих изобретателей на освоение пара высокого давления. В США в начале XIX в. Эванс построил паровой котел с громадным по тому времени давлением порядка 8-10 ати. В 1824 г. на Алтае С. В. Литвинов запроектировал оригинальный паровой котел с давлением 10 ати. Над проектами котла высокого давления работали и другие изобретатели.

Однако это были только единичные попытки разрешения основного противоречия, возникающего при решении задачи об одновременном увеличении производительности котла и давления пара в нем. Это противоречие заключалось в том, что обеспечение прочности котла при повышенном давлении требовало шаровой или цилиндрической формы, а эта форма при заданном объеме дает минимум поверхности, тогда как ее нужно было всемерно увеличивать для поднятия производительности котла.

Разрешение этого противоречия состояло в сохранении цилиндра, как прочного элемента котла, а поскольку прочность цилиндра при заданном давлении тем больше, чем меньше его диаметр, цилиндр по мере увеличения давления превращался в трубу. Для обеспечения потребной производительности возрастала суммарная длина трубы или комплекса труб, явившихся и остающихся поныне основным элементом любого парового котла. Исторический процесс превращения котла-сосуда в котел-комплекс труб длился довольно долго, причем основные конструктивные формы паровых котлов сложились в рассматриваемый период (1830-1870).

Рис. 5-3. Процесс дробления водяного пространства и газового тракта парового, котла: а - цилиндрический котел; б - корнваллийский котел; в - ланкаширский котел; г - пароходный котел; д - судовой шотландский котел; е - локомотивный котел; ж - котел 'двойка'; з - котел 'шестерка'; и - однокамерный котел; к - двухкамерный котел

Этот процесс удобно представить схемой, приведенной на рисунке 5-3. На схеме показано, как единый котел-сосуд в виде цилиндра с полусферическими днищами (рис. 5-3, а) подвергался постепенному дроблению на группы труб, вызванному необходимостью увеличения поверхности нагрева котла одновременно с увеличением внутреннего давления.

Дробление котла на систему труб шло по двум различным направлениям: если внутри труб пропускались топочные газы, то дробился водяной объем котла и возникала конструкция жаротрубного или огнетрубного котла; если внутри труб циркулировала испаряемая вода, то дробился газовый тракт котла и возникала конструкция водотрубного котла.

Первое направление представлено на рисунке 5-3 серией схематических рисунков: б, в, г, д и е. Из цилиндрического котла а возник котел с жаровой трубой, или корнваллийский б; с двумя жаровыми трубами, или ланкаширский в; судовой "пролетный" г; судовой "шотландский" д и, наконец, локомотивный е.

Второе направление представлено на рисунке 5-3 серией рисунков ж, з, и и к, из которых ж и з - "батарейные" котлы, комбинировавшиеся из 2, 3, 6 или 9 элементов, а, и и к - водотрубные котлы. Последний из них - двухкамерный, впервые разработанный немецким инженером Альбаном в 40-х годах XIX в., существовал до конца XIX в. и был впоследствии вытеснен котлами, в которых камеры были разбиты на отдельные секции, секционными котлами конструкции фирмы "Бабкок и Вилькокс" и конструкции В. Г. Шухова.

Рис. 5-4. Схема расположения парового цилиндра и вала: а - тандем-машины; б - компаунд-машины

Что касается паровых машин, то начиная с 1800 г., когда окончился срок патентов фирмы "Уатт и Болтон", они стали развиваться более быстрыми темпами. Уже в 1804 г. Вольф предложил паровой двигатель, в котором он целесообразно совместил достоинства машины Уатта с ее отделенным конденсатором и предложения Горнблауэра (в свое с время отвергнутое из-за патента Уатта) использовать расширение пара высокого давления последовательно в двух цилиндрах так называемой машины двукратного расширения. Отказавшись от балансира, неприемлемого при все возраставшем числе оборотов двигателя, изобретатели пришли к двум основным типам паровых машин: машинам тандем (рис. 5-4, а), у которых два цилиндра были расположены на одной оси, и машинам компаунд (рис. 5-4, б), у которых цилиндры располагались рядом, а поршни были связаны с механизмами, расположенными под углом в 90° один к другому. Были введены и машины тройного расширения с расположением механизмов под углом в 120°.

Кроме повышения давления, постепенно увеличивалось число оборотов вала машин, дававшее возможность повышать единичную мощность двигателя и увеличивавшее коэффициент полезного действия.

Рис. 5-5. Схема 'коловратной' машины: 1 - вход пара; 2 - выход пара; 3 - поршень-крыльчатка; 4 - заслонка

Потребность во вращательном движении со стороны быстро растущего станочного парка вызывала многочисленные попытки построения парового двигателя без возвратно движущихся масс - роторного двигателя. Эти попытки выливались в форму конструирования так называемого "коловратного" двигателя, представляющего собой видоизменение обычного поршневого двигателя, заключающееся в том, что поршень превращался в крыльчатку, движущуюся вокруг неподвижной оси (рис. 5-5).

Если по трубе 1 направлять пар в полость коловратного двигателя, а по трубе 2 отводить его в конденсатор, то в полости двигателя, разделенной на две части подвижным поршнем-крыльчаткой 3, возникает разность давлений, под действием которой крыльчатка будет вращаться в сторону меньшего давления, вращая вместе с собой и вал двигателя. Трудность сооружения подобного двигателя состоит в том, что для создания разности давлений заслонка 4 должна быть опущенной, а для свободного прохождения крыльчатки - поднятой. Поэтому коловратные двигатели не получили заметного распространения и сохранились в современной технике для различного рода паровых или масляных двигателей вспомогательного действия, использующих только качательное движение крыльчатки при постоянно опущенной заслонке 4.

С развитием паросиловых установок начала отчетливо проявляться их специализация. В середине XIX в. можно было различить несколько групп специальных паросиловых установок.

Водоподъемные установки, положившие начало паровым двигателям, получили значительное развитие. Лучшие из установок данного назначения имели к. п. д. до 6,5% и характеризовались следующими величинами: ход поршня 3,45 м, диаметр цилиндра 3,66 м, наибольший вес цилиндра 22 тонны, наибольшая глубина водоподъема 650 м. Отдельные установки такого типа имели к.п.д. до 8%.

Шахтные подъемные паросиловые установки получили реверсивное устройство и устраивались чаще всего одноцилиндровыми с балансирным приводом к барабану, на который наматывался канат шахтного или рудничного подъемника.

Воздуходувные паросиловые установки сначала строились балансирными по типу, разработанному еще Ползуновым. Затем с заменой клинчатых воздуходувных мехов цилиндрическими от балансиров отказались и соединяли поршень парового двигателя непосредственно с поршнем воздуходувного цилиндра одним общим штоком. К середине XIX в. подобные установки достигали значительных размеров: диаметр и ход поршня воздушного цилиндра 3,66 м, диаметр парового цилиндра 1,347 м, а ход поршня 3,96 м. Подобная воздуходувка при 20 ходах в минуту развивала мощность 650 л. с. и подавала 124 куб. м воздуха в минуту.

Прокатные паросиловые установки получили значительное распространение начиная с 30-х годов XIX в. в связи с прокаткой рельсов для все возраставшей сети железных дорог. Эти установки характеризовались высокой мощностью, реверсивным устройством и массивным фундаментом.

Паровые молоты как специфическая разновидность паровых машин в качестве легко управляемого и гибкого технологического орудия большой мощности получили значительное распространение. Развиваясь по величине и эффективности, паровые молоты достигли громадных размеров с бойками весом в десятки тонн, позволившими отковывать детали крупных машин.

Локомобили - передвижные паросиловые установки, заключавшие в себе весь необходимый комплекс устройств: котел, машину, насосы, конденсатор, - начали распространяться с середины XIX в. сначала в Англии, а потом и на европейском континенте. Локомобили строились небольшой мощности порядка 4-8 л. с. с давлением пара в 3-4 ат и скоростью вращения вала 125-150 ^об/_мин.

Развитие паровой машины создало предпосылки к возникновению второго вида теплового двигателя - двигателя внутреннего сгорания. Прежде всего паровая машина вызвала необходимость в двигателе нового типа у широких слоев производительной части населения - ремесленников, кустарей, мелких предпринимателей, разоряемых широким наступлением крупного капитала. У разоряемых мелких предпринимателей создалось ошибочное представление о том, что поскольку массовый выпуск товара и низкая его цена обусловлены внедрением паровой машины, постольку мелкий предприниматель мог бы успешно конкурировать с крупным, если бы в его распоряжении был легкий, дешевый, экономичный, всегда готовый к запуску, не нуждающийся в котле и котельном здании двигатель - "спаситель ремесла",- как писали о нем в то время. Даже видные представители буржуазной научно-технической мысли возлагали на легкий и экономичный двигатель надежду, как на средство вернуть мелкому производителю утрачиваемое им место в общественном процессе производства. В действительности возникновение и распространение двигателей внутреннего сгорания не могло предотвратить действие закона концентрации производства и разорения мелких производителей, а, наоборот, способствовало возникновению крупных областей капиталистического промышленного производства - автостроения и, позднее, авиастроения. Тем не менее начиная с 30-х годов XIX в. мысль о легком двигателе - "спасителе ремесла" - вызвала к жизни многочисленные изобретения.

Почва для многочисленных изобретений была уже подготовлена. Исходя из успехов парового универсального двигателя, многочисленные изобретатели не отказывались от конструктивных форм этого двигателя, а, наоборот, целиком заимствовали их. Задача состояла в том, чтобы отказаться от котла, от котельного помещения, от высоких фабричных труб. И решение этой задачи мыслилось в сжигании горючего непосредственно в самом двигателе, откуда он получил свое название: двигатель внутреннего сгорания.

Ко времени возникновения потребности в таком двигателе была осуществлена и вторая возможность его реализации: была освоена технология производства светильного газа, являющегося топливом, которое легко сжигать в полости цилиндра. Даже для зажигания газа, введенного в полость цилиндра вместе с воздухом, заключающим в себе кислород-окислитель, было подготовлено решение в виде индукционной катушки, изобретенной Румкорфом и позволявшей индуктировать ток высокого напряжения, от которого можно было по желанию получать искры в полости цилиндра.

Таким образом, когда в середине XIX в. потребность в двигателе внутреннего сгорания стала исключительно острой, этот двигатель был осуществлен на основе перечисленных достижений техники: паровой машины, светильного газа и электрической искры.

Первым двигателем внутреннего сгорания, получившим некоторое промышленное применение, был двигатель, запатентованный в 1860 г. французом Ленуаром.

Рис. 5-6. Газовый двигатель Ленуара (1860 г.): 1 - цилиндр; 2 - охлаждающая цилиндр водяная рубашка; 3 - впускные золотники; 4 - выпускные золотники; 5 - распределительная тяга впуска; 6 - тяга выпуска; 7 - распределительный диск моментов зажигания; 8 - индукционная катушка; 9 - подача газа; 10 - выхлоп отработавших газов

Двигатель Ленуара по конструктивным формам почти ничем не отличался от паровой машины (рис. 5-6): цилиндр, поршень, шатунно-кривошипный механизм, передающий движение поршня на вал двигателя, коленчатый вал с маховиком и даже золотники, которые в данном случае в отличие от паровой машины распределяли по полостям цилиндра не пар, а смесь светильного газа с воздухом и выпускали в атмосферу продукты сгорания.

Сведения о двигателе Ленуара вызвали громадный отклик в печати. Ряд статей поспешно "хоронил" паровую машину и вместе с нею и крупный капитал, предсказывая наступление эры децентрализации в промышленности.

Испытания машины Ленуара показали, что ее экономичность была исключительно низкой. К.п.д. двигателя достигал величины 3,3%, тогда как современные ему паровые машины уже работали с к.п.д., достигавшим величины 8-10%. Тем не менее свыше 5000 двигателей Ленуара получили свое применение в мелких мастерских, хотя и не предотвратили неизбежного разорения их хозяев крупным капиталом.

Рис. 5-7. Газоатмосферный двигатель Отто и Лангена (1865-1866 гг.)

На Парижской выставке в 1867 г. немецкий купец Отто и инженер Ланген представили новый двигатель внутреннего сгорания (рис. 5-7). Это был шаг назад, к "атмосферическим" машинам, предлагавшимся еще Папеном в начале XVII в. Однако они сумели получить максимум того, что можно было получить от машин такого типа, и к.п.д. их двигателя достиг 14%, превзойдя к.п.д. лучших паровых машин. Однако это был предельный к.п.д. подобных двигателей, и, распространив около 9000 таких машин, Отто и Ланген не оставили работу над усовершенствованием двигателя внутреннего сгорания.

Рис. 5-8. Первый четырехтактный двигатель Отто (1877-1878 гг.)

Единственным средством к повышению к.п.д. двигателя являлось предварительное сжатие поданного в полость цилиндра двигателя газообразного горючего, смешанного с воздухом, так называемой горючей смеси. Осуществив сжатие в своем двигателе, выпущенном в 1878 г., Отто и Ланген получили к.п.д. 22% (рис. 5-8).

Историческая справедливость требует указать, что Отто и Ланген не были первооткрывателями пользы предварительного сжатия рабочей смеси. За шестнадцать лет до выпуска их двигателя со сжатием, в 1862 г., французский инженер Бо де Роша выпустил в свет небольшую брошюру "Новейшие исследования относительно практических условий применения теплоты", в которой отчетливо изложил впервые так называемый четырехтактный цикл работы двигателя со следующими последовательными тактами:

1. Засасывание в полость горючей смеси - первый ход поршня.
2. Сжатие горючей смеси - второй ход поршня.
3. Зажигание смеси, горение - третий ход поршня.
4. Выбрасывание продуктов сгорания - четвертый ход поршня.

В настоящее время четырехтактные двигатели являются самыми распространенными двигателями в мире. С их возникновением началась специализация двигателей внутреннего сгорания. Был разработан двухтактный цикл. Началось применение жидкого горючего, вводимого в полость цилиндра в мелко распыленном состоянии в смеси с воздухом, осуществляемой в карбюраторах. Для нефтяных двигателей получил распространение калоризатор - раскаленный запальный шар для воспламенения вбрызнутого в полость цилиндра горючего. В целях использования газа доменных печей стали строить громадные газовые двигатели для привода воздуходувок.

Интересен ряд попыток использования в качестве рабочего тела тепловых двигателей воздуха в так называвшихся "калорических" машинах.

Эти попытки возникали в связи со стремлением освободить теплосиловые установки от дорогих и взрывоопасных паровых котлов. Благодаря низкой технологии котлостроения взрывы были нередки, особенно там, где не было организовано действительного контроля за правилами эксплуатации паровых котлов.

Так, например, в своей книге по паровым машинам, изданной в 1853 г., М. Хотинский писал: "В Америке, где это условие (т. е. контроль за действием предохранительных клапанов.- И. К.) отнюдь не соблюдается, взрывы паровиков вещь самая обыкновенная и стоят ежегодно жизни многим сотням, если не тысячам людей".

Рис. 5-9. Схема 'калорической' машины Эриксона: 1 - рабочий цилиндр; 2 - поршень; 3 - компрессор; 4 - всасывающий клапан; 5 - нагнетательный клапан; 6 - промежуточный резервуар; 7 - теплообменник; 8 - перепускной золотник; 9 - выхлопная труба

В 1852 г. в английском журнале было опубликовано устройство "калорического" двигателя, изобретенного шведским инженером Эриксоном для привода в движение морского судна. В этом двигателе (рис. 5-9) воздух в рабочем цилиндре 1 получает теплоту от расположенной под цилиндром топки, расширяется и поднимает вверх тяжелый поршень 2, выполняющий функцию механического аккумулятора энергии. Энергия расширения нагретого воздуха расходовалась в трех направлениях: на внешнего потребителя (через балансир, не показанный на схеме, движение передавалось гребному винту судна), на подъем тяжелого поршня 2 и на сжатие воздуха в полости компрессора 3. Сжатый в компрессоре воздух нагнетался через клапан 5 в камеру 6 и далее через теплообменник 7 поступал в рабочий цилиндр. Теплообменник 7 заполнялся медной сеткой, через ячейки которой проходил воздух, нагреваясь от металла сетки, нагретого в свою очередь горячим воздухом во время предыдущего хода двигателя (опускание поршня 2). Поршень 2% опускаясь под действием своего веса, отдавал аккумулированную в нем энергию на вытеснение горячего воздуха из полости цилиндра через теплообменник 7 (где горячий воздух нагревал сетку) и направлял его под золотник 8 (как показано на схеме пунктиром) в выхлопную трубу 9. Одновременно через всасывающую трубу 10 и клапан 4 движущийся вниз поршень компрессора засасывал атмосферный воздух в полость компрессора 3. В описании двигателя указывалось на возможность соединения труб 9 и 10 (как показано на схеме пунктиром) для превращения схемы в замкнутую, с циркуляцией одного и того же количества воздуха.

Рис. 5-10. Схема газотурбинной установки: 1 - котел-нагреватель; 2 - газовая турбина; 3 - теплообменник; 4 - осевой компрессор

Двигатель Эриксона являлся предшественником одного из типов современных газотурбинных установок (ГТУ): турбины с замкнутым циклом, схема которой представлена на рисунке 5-10. Воздушный котел 1 и газовая турбина 2 современной схемы соответствуют цилиндру 1 двигателя Эриксона с находящейся под ним топкой. Теплообменник 3 полностью соответствует теплообменнику 7, а осевой роторный компрессор 4 - поршневому компрессору Эриксона 3. Схема современного двигателя также может быть либо замкнутой, либо разомкнутой (см. пунктир на рис. 5-10).

Тем не менее двигатель Эриксона и ему подобные не получили распространения. Двигатели такого типа были неэкономичны и исключительно громоздки. Так, судовой двигатель Эриксона при мощности в 170 л. с. имел четыре цилиндра диаметром 4,2 м и ходом 1,8 м. Понадобилось почти столетие для упорной работы над тепловыми двигателями, пока цикл "калорического" двигателя не был покорен в современных газотурбинных установках с к.п.д. выше 40%.

К 70-м годам XIX в., когда новая энергетика, основанная на преобразовании теплоты в механическую работу, развилась и укрепилась, полезно подвести некоторые итоги возрастания взаимосвязей между этой новой областью техники и наукой.

В самом начале XIX в., когда растущие расходы по эксплуатации паросиловых установок стали совершенно недвусмысленно отражаться на коммерческом балансе заводов и фабрик, началось все более и более глубокое исследование сущности работы паровых двигателей. В начальный период эти исследования, не имевшие под собой теоретической базы для возможных обобщений, завершались установлением чисто эмпирических правил и формул, как, например: "Расход угля на 1800 ходов машины равен произведению объема цилиндра в кубических футах на давление на поршень в фунтах на квадратный дюйм". В этом правиле отражена практика работы пароатмосферных установок с единым для всех давлением порядка 1 ата и числом ходов поршня около 15 в минуту. С повышением давления пара и числа оборотов избыточное давление пара и скорость движения поршня входят в состав эмпирической формулы для определения развиваемой мощности уже в установленных единицах - лошадиных силах: "Умножить разность 0,6 избыточного давления в котле и 0,4 атмосферного давления на квадрат диаметра цилиндра и на скорость поршня, затем разделить на 45 000, в результате будет мощность в лошадиных силах". В течение длительного времени применялась рекомендованная для судовых двигателей английским адмиралтейством формула для определения так называемой "номинальной" мощности:

выраженной в зависимости только от диаметра цилиндра и скорости поршня. Для локомобилей с относительно одинаковым числом оборотов формула "номинальной" мощности была еще проще:

С развитием паровых двигателей и расширением диапазона применявшихся давлений и скоростей поршня, с введением машин многократного расширения и первыми опытами применения перегретого пара расхождение между расчетной номинальной мощностью и мощностью действительной (индикаторной) стало совершенно неприемлемым. Все острее начала ощущаться потребность в знаниях свойств рабочего тела - водяного пара.

Исследования водяного пара, выполнявшиеся вне связи с потребностями практики (Д. Папен, определивший еще в 1691 г. зависимость температуры парообразования от давления; Циглер, в 1759 г. уточнивший данные Папена), перестали быть единичными, когда возник практический интерес к свойствам водяного пара. Этот интерес побудил Уатта совместно с Блэком провести работу, в результате которой было найдено отношение объема насыщенного пара к объему воды при давлении 1 ата и построены достаточно точные кривые зависимости между давлением и температурой водяного пара от 0° С и 1 ата до 100° С в соответствии с потребностями технической практики того времени.

Пар как рабочее тело двигателей начал все сильнее привлекать к себе внимание ученых. Бетанкур (1792), Прони (1796), Робисон (1822), Тредгольд (1838) и другие ученые исследуют и уточняют свойства водяного пара с определенной целью - лучше понять процессы, протекающие в паросиловых установках.

Первая четверть XIX в. характеризуется значительным расширением познаний о свойствах рабочих тел, и главным образом водяного пара. Ряд физиков - Дальтон, Гей-Люссак, Дюлонг, Пти, Араго - проводят достаточно точные измерения, делеко выходя за пределы параметров, применявшихся на практике (от ¹/₅₆₁ до 24 ата). Исследования свойств водяного пара были дополнены исследованиями газов: Гей-Люссак определил коэффициент расширения газов, Дальтон открыл закон газовых смесей, Авогадро в 1811 г. разработал гипотезу о равном числе молекул в равных объемах газа при равных температурах. Гипотеза Авогадро, снова выдвинутая в работах Жерара в 1842 г., закладывала основы атомной химии и подготавливала данные последующего утверждения молекулярно-кинетической теории тепла.

В 40-х годах XIX в. паровые машины начали играть столь существенную роль в производстве и экономике, что французское правительство решило провести опыты по определению величин, используемых при тепловых расчетах, поручив это физику А. В. Реньо.

Исследования Реньо были дополнены опытами Г. А. Гирна, исследовавшего ряд свойств насыщенного водяного пара. Гирн впервые ввел понятие о паросодержании, или степени сухости пара. Теплота парообразования рассматривалась им состоящей из двух частей: внутренней, связанной с работой разъединения молекул в процессе образования пара, и внешней, идущей на совершение работы расширения в процессе парообразования.

Исходя из такого рассмотрения полного процесса парообразования, Р. Клаузиус вывел уравнение, связывающее изменение удельного объема при парообразовании с величиной скрытой теплоты. Это уравнение, над которым работал и Б. Клапейрон, получило название уравнения Клапейрона-Клаузиуса.

Основываясь на исследованиях Реньо и Гирна, немецкий ученый Г. А. Цейнер разработал полную и систематическую теорию насыщенного водяного пара с выводом всех необходимых формул и соотношений, а позднее - и теорию перегретого пара. Он же составил таблицы свойств водяного пара, которые были общепринятыми до начала XX в. Во втором издании "Основ механической теории тепла" Цейнер, исследуя работу тяговых конусов паровозов и парового инжектора, разработал теорию истечения пара.

Параллельно с изучением термодинамических свойств рабочих тел - преимущественно водяного пара - все шире проводились исследования по определению величины механической работы, получаемой в цилиндрах паровых двигателей. Развивавшееся ранее в этой области эмпирическое направление с повышением параметров пара оказывалось все более и более несостоятельным. Первые труды по разработке теории тепловых двигателей принадлежат немецкому физику Р. Клаузиусу и английскому физику В. Ренкину, которые разработали теоретический "идеальный" цикл парового двигателя, используемый и сейчас как удобный эталон совершенства паровых двигателей. Несколько позднее в своей теории паровой машины Цейнер развил труды Ренкина, исследовал характер потерь, вызываемых неполным расширением пара и наличием вредного пространства.

Сложность процессов, происходящих в цилиндрах паровых двигателей, приводила к значительному разрыву между выводами теории и результатами опытов. В связи с этим начало развиваться экспериментальное направление в исследовании принципов работы паровых двигателей. Начало этому направлению положил Г. А. Гирн во Франции, Ю. Кларк в Англии, Ишервуд в США. Их работы прежде всего показали, что нельзя игнорировать, как это делали авторы теоретических работ, теплообмен между паром и стенками цилиндра. Поэтому изучение теплообмена и его зависимости от ряда факторов стало основой экспериментальных исследований, позволивших сблизить научную теорию с технической практикой и установивших влияние на эффективность работы паровых двигателей ряда существенных факторов. Оценка этих факторов на основе данных многочисленных опытов дала возможность рассчитывать тепловые двигатели с достаточной для практики степенью точности и благодаря этому значительно увеличить к.п.д., приблизить реальный цикл к теоретическому, эффективность работы, отдаваемой в цилиндрах паровых машин, к эффективности работы "идеального" цикла.

Развитие практической теплоэнергетики нашло свое отражение и в работах ряда отечественных ученых. С 60-х годов XIX в. в России начинает складываться школа ученых-теплотехников, в технических учебных заведениях стал читаться специальный курс механической теории тепла, были выпущены книги по теории тепловых двигателей: А. В. Гадолина,И. А. Вышнеградского, Ф. Ф. Петрушевского. Несколько статей опубликовал преподаватель Морского корпуса И. П. Алымов, который одним из первых в отечественной научной литературе дал обстоятельный анализ экономичности работы тепловых двигателей на основе механической теории тепла. Профессор. Петербургского университета М. Ф. Окатов разработал вывод аналитического выражения второго закона термодинамики. Профессор Киевского университета Н. Н. Шиллер исследовал второй закон термодинамики, предложив оригинальную математическую трактовку этого закона. Впервые метод определения экономии при комбинированном получении механической работы и тепла (теоретические основы эффективности теплофикации) разработал профессор И. А. Тиме.

Приведенные примеры подтверждают слова В. И. Ленина о том, что возникновение крупной индустрии приводит к систематическому применению данных науки в производстве.

В рассматриваемый период (1830-1870) значительное развитие получили гидравлические двигатели. В конце XVIII в. паровой универсальный двигатель вытеснил водяное колесо с позиций монопольного энергетического агрегата и дал возможность многократно увеличить потребление мощности на технологические процессы и транспорт. Однако эта победа парового двигателя не исключала целесообразности использования водяного двигателя там, где для этого представлялись удобные природные условия тем более, что водяной двигатель не вызывает расхода на топливо.

Но в своей старой форме водяного колеса гидравлический двигатель постепенно отставал от запросов потребителей механической энергии - разнообразных технологических машин, которые, следуя объективной исторической тенденции к интенсификации техники и технологических процессов, все время наращивали число оборотов. Водяное же колесо по своей природе - двигатель тихоходный, вращающийся со скоростью 2-4 ^об/_мин.

Возникало совершенно конкретное требование, сводящееся к всемерному увеличению числа оборотов водяного двигателя, так как по другим показателям, таким, как к.п.д. и дешевизна эксплуатации, водяной двигатель был выгоднее парового во много раз.

Методом увеличения числа оборотов водяного двигателя является переход от использования энергии положения или давления воды (потенциальная составляющая общего количества энергии) к использованию энергии скорости водяного потока (кинетическая составляющая). Этот метод интуитивно использовался задолго до того, как Д. Бернулли открыл и математически описал упомянутые составляющие энергии водного потока в так называемых "мутовчатых" мельницах, постройка которых вызывалась стремлением посадить на один вертикальный вал и двигатель, и мукомольный жернов. Мутовчатые мельницы являлись прототипом активных водяных турбин, использующих скоростную энергию струи воды. В 1745 г. Баркер в Англии, а в 1750 г. Сегнер в Венгрии предложили прототип реактивной турбины в качестве гидравлических двигателей с повышенным числом оборотов.

В 1751-1755 гг. Леонард Эйлер дал анализ работы колеса Сегнера и предложил видоизмененную конструкцию реактивной турбины, имеющей направляющий аппарат. Введение направляющего аппарата, устраняющего удар воды о лопатки турбины, позволило резко повысить к.п.д. гидравлического двигателя.

Рис. 5-11. Турбина Фурнейрона (1834 г.): 1 - направляющий аппарат; 2 - лопатки рабочего колеса турбины; 3 - вал турбины

В первой четверти XIX в. разрыв в числах оборотов между водяным колесом и технологическими машинами-орудиями достиг такой величины, что применение водяных колес становилось нецелесообразным. С целью ликвидации разрыва и возможности наилучшей эксплуатации водных ресурсов в 1832 г. по инициативе проф. Бюрдена во Франции был объявлен конкурс на лучший водяной двигатель. Бюрден, которому техника обязана введением в техническую терминологию слова "турбина" (от латинского turbis, turbinis - волчок), представил на конкурс свой двигатель, однако он не получил распространения, как неудачный. В 1834 г. ученик Бюрдена французский инженер Фурнейрон сконструировал турбину, повторявшую основные конструктивные черты турбины своего учителя, и достиг к.п.д. около 70% при значительной быстроходности турбины (рис. 5-11). По принципу работы турбина Фурнейрона - реактивная, поскольку на рабочих лопатках происходит изменение давления воды. По конструкции его турбина - радиальная, с внутренним подводом воды, движущейся радиально от центра турбины к периферии. Турбина Фурнейрона получила значительное распространение.

Рис. 5-12. Турбина И. Е. Сафонова (1837 г.): 1 - подвод воды; 2 - отвод воды; 3 - лопатки направляющего аппарата; 4 - рабочие лопатки; 5 - подпятник вала; 6 - кольцевая заслонка, регулирующая количество поступающей в турбину воды; 7 - коническая шестерня для передачи энергии машинам-орудиям

В России турбину, аналогичную турбине Фурнейрона, впервые соорудил плотинный мастер Алапаевского чугуноплавильного и железоделательного завода на Урале И. Е. Сафонов (рис. 5-12).

Успех первых турбин, разработка теоретических основ их работы, опубликованная Понселе в 1838 г., и все возраставшая скорость вращения машин-орудий вызвали к жизни много новых типов гидравлических турбин.

Рис. 5-13. Схема турбины Геншеля и Жонваля. Направляющий аппарат расположен над рабочим колесом. Движение воды параллельно оси турбины - турбина осевая

Рис. 6-14. Турбина Швамкруга. Турбина радиальная. Вода движется от центра к периферии. Турбина активная: весь напор преобразован в скорость струи на выходе из сопла

В 1837 г. Геншель в Германии, а в 1843 г. Жонваль во Франции предложили первые реактивные осевые турбины (рис. 5-13), в которых вода движется параллельно оси двигателя. В 1850 г. Швамкруг в Германии предложил активную радиальную, а Жирар во Франции - активную осевую турбину (фиг. 5-14 и 5-15).

Рис. 5-15. Турбина Жирара. Турбина осевая. Вода движется параллельно оси турбины. Турбина активная: весь напор преобразован в скорость струи в направляющем аппарате

В 1838 г. в США Ховд построил чисто радиальную турбину, отличавшуюся от радиальной реактивной турбины Фурнейрона и Сафонова тем, что подвод воды в данном случае был не внутренний, а наружный (рис. 5-16.) Такой ток воды предоставлял возможность устройства у турбины всасывающей трубы, одного из существенных элементов турбины, позволявшей располагать рабочее колесо над нижним уровнем воды без потери напора и повышавшей к. п.д. Прототип такой трубы уже имелся в турбинах Геншеля и Жонваля, но Ховд не применил этого значительного усовершенствования.

Рис. 5-16. Радиальная реактивная турбина Ховда с наружным подводом воды

В 1847-1848 гг. Френсис радикально усовершенствовал турбину Ховда, дав струе воды изменение направления движения с радиального на осевое на специально изогнутых лопатках рабочего колеса и направив воду по выходе из него во всасывающую трубу (рис. 5-17). Так возникла первая конструкция радиально-осевых реактивных турбин, получивших в дальнейшем широкое применение и развитие. Современные радиально-осевые турбины достигают единичной мощности свыше 100 тысяч киловатт. Радиально-осевые турбины работают на многих гидроэлектростанциях СССР, в частности на Днепрогэсе имени В. И. Ленина.

Рис. 5-17. Радиально-осевая турбина Френсиса: 1 - вал турбины; 2 - рабочее колесо турбины с лопатками; 3, 4 - крышка; 5 - уплотнение; 6 - лопатки направляющего аппарата; 7 - выход воды во всасывающую трубу

Таким образом, в период победы и утверждения капитализма сложилась крупная и эффективная энергетика сил неорганической природы, позволявшая достаточно рационально и в значительных масштабах использовать топливные и гидравлические ресурсы. Однако основным двигателем крупной промышленности и транспорта в течение всего рассматриваемого, периода оставалась паровая машина - универсальный двигатель эпохи утверждавшегося капитализма.

Одновременно в недрах производительных сил эпохи утверждавшегося капитализма уже возникала новая высокоэффективная область энергетики - электроэнергетика.

В процессе развития производительных сил общества характер взаимосвязей между научной теорией и производственной практикой также изменяется, он зависит прежде всего от глубины познания явлений и процессов природы. С более глубоким проникновением в более сложные явления природы усложняется и техника использования этих явлений для производства. Вспомним слова Ползунова о том, как "просто и очевидно" действуют водяные колеса и как сложно действие "огненных машин", которые "тонким невидимо изнутри возбуждаются духом". В связи с этим человек начал на основе практического опыта применять водяные колеса за тысячелетия до того, как Бернулли проник в энергетическую сущность "простого и очевидного" действия водяных колес. Отсюда может сложиться представление о неправильности утверждения о том, что техника создается человеком на основе познания законов природы. Вопрос заключается в глубине познания. Строители первых водяных колес знали из опыта, что движущаяся вода несет в себе "силу". Это познание было грубым, приближенным, но верным, что и оправдывалось основным критерием правильности познания - опытом практической работы водяных колес.

Для построения первых тепловых двигателей, использующих незримое глазу молекулярное движение, понадобились научные открытия в области атмосферного давления, упругости пара и его конденсации, упругости газов, меняющейся с их температурой. Сведения эти были неточны, но достаточны для построения грубых и неэкономичных машин. Затем экономика производства поставила задачи, направившие ученых на уточнение и углубление сведений о теплоте и рабочем теле, приведших в конечном счете к становлению термодинамики и теории тепла.

Еще сложнее, еще недоступнее непосредственному восприятию явления электрические. И в этой области, естественно, практическому применению электричества предшествовал более длительный и долгий путь научных исследований, начиная с Гильберта, издавшего в 1600 г. книгу "О магнитах, магнитных явлениях и о большом магните Земле", до открытия в 1822 г. Ампером электродинамики и в 1831 г. Фарадеем законов электромагнитной индукции. Потребовалось более двухсот лет исследований (см. стр. 271), прежде чем техническая практика получила из рук физиков данные, достаточные для их использования в практических целях.

Если недостаточность экспериментальных данных привела Гильберта к неверному выводу о том, что между магнитными и электрическими явлениями нет связи, то работы Ампера и Фарадея не только установили наличие этой связи, но создали теоретические предпосылки для получения как механической работы за счет электрической энергии (электродвигатель), так и для получения электрической энергии за счет механической работы (электрогенератор). Подобно тому, как тепловые машины возникли до становления термодинамики, электрические машины появились до разработанной Максвеллом теории поля, являющейся краеугольным камнем современного учения об электромагнетизме.

Таким образом, из рассмотренных трех примеров (гидродинамика, термодинамика, электродинамика) вырисовывается закономерность взаимосвязей физики и техники: как только сведений о законах природы достаточно для их использования с целью производства материальных благ,- это использование незамедлительно начинается, стимулируемое постоянно возрастающей потребностью общества в этих благах. С развитием техники первые познания уже недостаточны и начинают стимулировать развитие науки, задавая ей вопросы. Отвечая на эти вопросы, наука помогает совершенствованию техники использования той или иной группы явлений природы.

Для рассматриваемого периода характерно начало проникновения в производство методов научного эксперимента. Объектом экспериментального исследования становится машина, сооружение, любой технический объект. Необходимость такого исследования была понята уже Д. Уаттом, соорудившим первый индикатор для регистрации процесса расширения пара в полости цилиндра паровой машины. Паровая машина была одним из первых технических объектов, вызвавших к жизни новый вид взаимосвязи между наукой и техникой.

Строить и эксплуатировать первые электрические машины было нельзя без измерения физических величин: силы тока, напряжения, сопротивления. Так начинала свое развитие еще одна форма взаимосвязи между наукой и техникой. Самый первый механический генератор тока "диск Фарадея" уже был снабжен гальванометром - показателем эффективности работы машины. Так с самого начала развитие электрических машин подтверждает общие формы связи науки с техникой и одновременно вводит новые, частные формы этой связи.