Пароворот: промышленная революция
- Эпитафия на могиле Уатта Не чтобы увековечить имя, которое должно выдержать опробование временем, пока процветают мирные науки, а дабы продемонстрировать, что человечество обучилось почитать тех, кто больше всего заслуживает признательности, Король, его министры, знатные и простые граждане королевства воздвигли данный монумент Джеймсу Уатту, что, направив силу собственного незаурядного ума на усовершенствование парового двигателя, умножил богатства собственной страны, увеличил силу человека и занимает место среди самых выдающихся действительных благодетелей и приверженцев науки человечества.
Так был изобретен конденсатор Джеймс Уатт в собственной лаборатории контролирует на практике идеи, пришедшие ему в голову на протяжении вечерней прогулки
- Паровая турбина Лопасти паровой турбины на фабрике Siemens в германском городе Мюльхайме
Пар в действии В 60 км к северу от известных калифорнийских виноградников 350-градусный пар вращает турбины, снабжая постоянный поток электричества
В соответствии с легенде Джеймс Уатт придумал паровую машину, глядя на пар, выходящий из носика закипающего чайника. Само собой разумеется, это всего лишь миф. В действительности история паровых автомобилей насчитывает большое количество столетий, десятки имен и очень много 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 данный известный шотландец, и что помогло ему внести столь большую лепту в технический прогресс?
Игрушки древних
Первые упоминания об применении силы пара для исполнения механической работы видятся в трудах ученых, трудившихся в известном Александрийском мусейоне еще за 150 лет до нэ. Из дошедшей до нас книги Герона Александрийского мы выясняем об необычных механизмах, придуманных им самим и его предшественниками Ктезибием и Филоном. Эти остроумные устройства напоминали скорее игрушки, сделанные на потеху публике, но в действительности были результатом настоящих физических опытов, из которых делались выводы о особенностях веществ.
Тут мы находим первые описания сифона, отдалённого предка и термоскопа паровой турбины.
Из книги Герона ясно, что греки к началу отечественной эры обладали достаточными техническими знаниями, дабы предвосхитить автомобили, каковые показались только в восемнадцатом веке. Им были известны зубчатые передачи, гидростатика, применения сифонов, сжимаемость движущая сила и воздуха пара. Но дальше игрушек для развлечения публики, «волшебных» эффектов в храмах и оружейных приспособлений наподобие катапульт дело не пошло.
В записях Герона, каковые, к счастью, не потерялись в столетиях, возможно отыскать подробное описание около сотни таких конструкций. Под номером 11 тут фигурирует первое упоминание о применении тепла для приведения в перемещение жидкостей: по окончании того как на алтаре разводили пламя, из сосуда, что держала в руках фигура на пьедестале, начинала литься жидкость, символизируя совершение возлияния.
Значительно чаще приводят в пример самое большое в буквальном смысле слова сооружение, обрисованное Героном под номером 37 — устройство для автоматического открывания дверей храма. Оно было сложнее и эффектнее прошлого. Жрец разводил пламя в расположенном перед храмом алтаре, а в то время, когда пламя достаточно разгорался, двери храма к восхищению верующих зрителей распахивались сами собой.
С началом римской эры наука неспешно начала приходить в упадок, Александрийский мусейон был закрыт, а о особенностях пара забыли ни большое количество ни мало — на 1,5 тысячи лет.
Прекрасно забытое старое
Упоминания о первых попытках европейцев воспроизвести греческие паровые машины видятся уже ближе к XVI веку. (Не смотря на то, что известен один случай в Реймсе, относящийся к 1120 году, в то время, когда доктор наук местной школы Герберт выстроил орган, куда нагнетался воздушное пространство, предварительно «сжатый методом нагревания воды».)
Тогда, более 400 лет назад, только-только показались первые упоминания об атмосферном давлении, а в европейском научном сообществе шли споры о природе теплоты. Это было время температурных шкал и создания термометров, изучения особенностей газов и попыток освоить силу расширения пара. Умелым методом было обнаружено, что при охлаждении пара в закрытой емкости появляется заметное разрежение (понижение давления), которое также возможно применять для совершения механической работы.
В то время, когда наконец удалось более-менее разобраться с атмосферным давлением, температурой, некоторыми особенностями газов и получением «вакуума», пришло время перейти от науки к практике.
Самых громадных удач по части применения этих знаний добились британцы. Инженер Сэвери и самоучка Ньюкомен сконструировали тепловую машину для подъема воды из шахт. В их машине пар, приобретаемый в котле, поступал через клапан в цилиндр, поднимая поршень.
После этого клапан закрывали и поливали цилиндр холодной водой, наряду с этим пар конденсировался, появлялось поршень и разрежение опускался под действием давления. Не смотря на то, что эти устройства потребляли огромное количество тепла и имели КПД приблизительно 0,5%, они практически полвека служили на шахтах Корнуэлла и Северной Англии а также продавались на континент.
Тайна «скрытой теплоты»
Уатт трудился в университете в Глазго, где занимался изготовлением механических инструментов, химией, физикой и был помощником доктора наук Джозефа Блэка, что не только преподавал, но и сам проводил опыты и изучал тепловые процессы. Будучи очень продвинутым по тем временам учебным заведением, университет для изучения естественных наук купил наисовременнейшее и дорогостоящее устройство — двигатель Ньюкомена.
Взяв предложение отремонтировать его, Уатт действительно занялся изучениями паровых автомобилей. Для начала он детально изучил работы собственных предшественников, а в то время, когда постарался разобраться в работе двигателя, понял, что тот потребляет слишком большое количество горючего. Из-за чего?
Ответа не было, и Уатт решил сделать собственную экспериментальную установку.
Он выстроил новый котел-бойлер, дабы измерять количество испарившейся воды и сконденсировавшегося пара в каждом цикле двигателя. Первый экспериментальный вывод был таков: для нагрева громадного количества воды достаточно очень мало пара. Обсудив результаты опытов с Блэком, Уатт получил от доктора наук подробные разъяснения по поводу этого явления — оказалось, что испытания Уатта подтвердили предположения самого Блэка
о существовании «скрытой теплоты».
Доктор наук поведал собственному помощнику приблизительно следующее. Разглядим процесс превращения воды в пар. Мы подаем тепло, и вода неспешно нагревается до температуры кипения в 100 °C. Дабы всю ее перевоплотить в пар, необходимо продолжить нагрев. Мы подводим тепло, а температура не возрастает и остается равной 100 °C , пока вся вода не выкипит. Лишь затем температура пара при предстоящем нагреве начинает возрастать.
Это значит, что все тепло, переданное веществу в ходе испарения, оказывается запасено либо «скрыто» в пара. Причем количество данной тепловой энергии очень существенно: пар может нагреть от точки замерзания до кипения в пять раза больше воды, чем сам весит: в случае если мы соединим 5 кг воды при 0 °C и 1 кг пара при 100 °C, то возьмём 6 кг кипящей воды. А вдруг вместо пара забрать воду при тех же 100 °C, окажется 6 кг воды температурой всего чуть больше 16 °C.
О пользе прогулок
За первыми опытами последовали тщательные количественные измерения. Выяснив, что пар в весовом отношении намного больший аккумулятор тепла, чем вода, Уатт осознал, что для сокращения утрат необходимо отыскать метод сохранять цилиндр на протяжении всего цикла работы двигателя таким же горячим, как и поступающий в него пар.
Сперва он постарался сделать более экономичный цилиндр, применив древесные материалы с большей теплоизоляцией и не проводящие тепло трубки, но значительных трансформаций не случилось. Необходимо было какое-то принципиально иное ответ.
в один раз вечером Уатт вышел погулять, как неизменно, постоянно размышляя о паровой машине. Прошел мимо домика пастуха и старой прачечной, как внезапно ему в голову пришла превосходная мысль: в случае если пар владеет свойством упругости, он будет перемещаться в вакуум, и в случае если связать цилиндр с откачанным резервуаром, пар устремится в том направлении и возможно сконденсирован без охлаждения цилиндра. В то время, когда Уатт возвратился к себе, в голове у него уже готовься новая конструкция.
Так был изобретен недостающий элемент паровой машины — отдельная емкость для конденсации пара, которая в современных устройствах именуется конденсатором.
Для проверки собственного изобретения Уатт применял в качестве поршня и парового цилиндра громадной 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, делавшими роль паровых клапанов.
Трубка вела кроме этого от цилиндра к конденсатору, сделанному из двух связанных между собой жестяных трубок, и вдобавок одна соединенная с конденсатором трубка, куда Уатт засунул маленькой поршень, служила для откачивания воздуха. Все три трубки были опущены в емкость с холодной водой. Эта маленькая модель была работоспособной, а уровень качества вакуума было таким, что поршень поднимал груз весом 7 кг!
Конденсатор разрешил уменьшить расход горючего практически в пять раз если сравнивать с машиной Ньюкомена и поднять КПД до 2,5%. Но Уатт на этом не остановился. Он узнал, что клапан возможно закрывать перед тем, как цилиндр всецело заполнится паром, потому, что пар, расширяясь, все равно поднимет поршень. В следствии таковой дополнительной экономии КПД вырос до 4,5%.
Дальше Уатт присоединил к собственной конструкции вращательно-поступательный механизм, сделал двусторонний впуск пара, паровую рубаху около цилиндра — другими словами ввел практически все элементы современных паровых двигателей, которыми люди пользовались практически 200 лет, пока в ХХ веке им на смену не пришли более производительные двигатели внутреннего сгорания.
Современный эолипил
В наши дни паровозы уже стали раритетом, но без применения движущей силы пара современную судьбу представить себе все равно нереально. Так как главный элемент всех нынешних электростанций — это паровая турбина, следующая ступень в истории паровых двигателей. Тут пар не поднимает поршень, а крутит лопасти, что выяснилось значительно удачнее с позиций энергозатрат.
Но, первый действующий прообраз паровой турбины — «эолипил» — обрисован в книге Герона Александрийского под номером 50. Две тысячи лет назад использование этого реактивного парового двигателя в полной мере соответствовало потребностям времени — с его помощью создавали движущиеся изображения около алтаря.
С греческим эолипилом современные паровые турбины роднит, пожалуй, лишь пар да мысль применять его движущую силу. И не смотря на то, что в них заложены уже много технических усовершенствований и изобретений, они имеют эффективность более чем 40% и мощность в много милионов ватт, самым главным их элементом, кроме 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 огромные запасы собственной «скрытой теплоты».
Устройство № 11 из книги Герона
Подножие алтаря заполняют водой и помещают в том направлении один финиш трубки, опуская его ниже уровня жидкости. Дальше трубка поднимается в фигуры, стоящей на алтаре, и второй ее финиш входит в перевернутый вниз горлышком сосуд. В то время, когда разжигают пламя, разогретый воздушное пространство расширяется, вытесняет жидкость по трубке и она начинает литься из сосуда.
Замечательные лошади Уатта
Мощность в метрической совокупности СИ измеряется в ваттах. Но время от времени (к примеру, в автопрома) по традиции используются и другие единицы мощности — лошадиные силы. Соотношение между ваттами и лошадиными силами выглядит на первый взгляд достаточно необычным: 1 английская л.с. равна 746 Вт.
В это же время, все поднимется на собственные места, в случае если мы определим историю появления данной единицы.
Термин «лошадиная сила» был придуман самим Уаттом. Одной из главных задач применения паровых двигателей в то время был подъем угля из шахты. Для этого в большинстве случаев употреблялись лошади, тянувшие груз через совокупность блоков. Но хозяева шахт не спешили брать машину Уатта, считая, что лошади более надежны и производительны.
Тогда Уатт решил в цифрах оценить среднюю лошадиную производительность. По его наблюдениям выходило, что одна лошадь способна поднять из шахты глубиной 30,5 м груз в 99,8 кг угля за одну 60 секунд. Но, дабы паровые машины смотрелись в глазах хозяев шахт более замечательными, чем живые лошади, Уатт схитрил: он ввел понятие лошадиной силы, умножив настоящую цифру на 1,5. Благодаря такому коэффициенту паровая машина мощностью в 1 л.с. легко обходила «среднюю лошадь» по производительности.
Эта уловка помогла Уатту убедить многих обладателей шахт перейти на паровую тягу. Со временем показались и другие определения лошадиной силы. На данный момент их насчитывается пять: английская (которую и выяснил Уатт), метрическая, электрическая, водяная и котловая.
Значения первых четырех лошадиных сил близки, а последняя — котловая — приблизительно в 13 раза больше всех остальных.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№31, май 2005).
<
h4>