Джеймс Уатт. Его жизнь и научно-практическая деятельность - Андрей Каменский

Машина Савари была усовершенствована кузнецом Ньюкоменом.

Позднее в машине Ньюкомена были сделаны разные улучшения, такие, как вспрыскивание холодной воды под поршень и автоматическое открывание и закрывание клапанов при движении коромысла.

Но несмотря на все эти изменения и улучшения, машина Ньюкомена все-таки оставалась, строго говоря, не паровою, а воздушною и работала крайне неравномерно с ужасным свистом и шумом, делая не больше 8 ходов в минуту: то она вдруг без всякой причины ускоряла ход, свистела, хрипела и сотрясала мастерскую, то совсем останавливалась, утихала и, как лошадь с норовом, ни за что не хотела двигаться, между тем поглощала страшное количество угля. В угольных копях на это не обращали внимания, но в рудниках и других местах это делало машину совсем неприменимой.

При всем этом она, вероятно, продолжала бы употребляться еще лет тридцать, и улучшения Уатта остались бы гласом вопиющего в пустыне, если бы обстоятельства не изменились в самом рудокопном деле.

Как раз в то время поверхностные рудники начали истощаться, и приходилось идти глубже в землю. Это значило, что вода будет заполнять их с удвоенною силою, и если не найдется усиленных же средств откачивать ее, то большей части промышленников грозила опасность разориться, а тысячам рабочих – остаться без дела.

Вот в каком состоянии находилась паровая машина ко времени Уатта.

ГЛАВА V. ИЗОБРЕТЕНИЕ ПАРОВОЙ МАШИНЫ

По словам самого Уатта, с того времени, когда университет Глазго поручил ему исправлять модель паровой машины, что случилось зимою 1763 года, ему почти не приходилось иметь дела с применением пара. Правда, в 1759 году Робисон, тогда еще студент, обратил его внимание на мысль применить пар к движению экипажей, но из этого ничего не вышло – мысль эта тогда еще “не созрела”. В 1762 году он сам делал некоторые опыты с Папиновым котлом и насосом, из которых устроил что-то вроде модели паровой машины Савари; эта модель могла поднимать груз до 15 фунтов при диаметре носка всего в одну треть дюйма. Но скоро он оставил эти опыты, видя, что машина, построенная на подобном принципе, обладала бы теми же самыми, и даже большими, недостатками, как и машина Савари, то есть разрывала бы котлы и портила трубы. Этим ограничивались все его познания (кроме книжных конечно, которых тогда, впрочем, было тоже очень немного), весь его опыт. И если он, принявшись за знаменитую модель, достиг таких блестящих результатов, то это только благодаря своей привычке и способности – как выражался его друг Робисон – из всякого вопроса делать серьезные научные выводы, все, чего он коснулся, превращать в науку.

Вот как сам изобретатель описывает починку этой небольшой модели.

“Вначале я принялся чинить ее просто как механизм, и когда это было сделано, заставил работать. Но тут меня поразило, что паровик модели не мог доставлять ей достаточно пара, хотя по размерам своим он, очевидно, был больше, чем требовалось. Раздувая огонь, можно было заставить модель сделать несколько ходов, но зато при этом требовалось впрыскивать огромное количество воды, хотя груз поднимаемой машинкою воды был невелик. Все же скоро было найдено, что при уменьшении груза котел модели мог снабжать цилиндр паром, и она могла работать довольно правильно, даже при умеренном количестве впрыскиваемой воды”.

Иначе говоря, стало ясно, что большая часть пара пропадала без всякого действия, и работа машины совершенно не соответствовала размерам котла.

Нужно было найти, где причина этой потери пара, а значит и тепла.

“Задумавшись над этим явлением, я пришел к заключению, что причину его нужно искать в незадолго перед тем открытом законе, что в пустоте вода кипит не при 80° Реомюра, а при гораздо низшей температуре, даже при 30°, и что, следовательно, при температурах выше 30° вода, находящаяся в горячем цилиндре, должна сама собой превращаться в пар и мешать образованию полной пустоты, а значит противодействовать и давлению атмосферы на поршень снаружи”.

Для того чтобы окончательно убедиться в верности своего заключения, Уатт сделал ряд опытов над кипением воды и упругостью водяных паров при различных температурах и нашел, что первая увеличивается гораздо быстрее последних.[3] Выразив полученные числа в виде математической кривой линии и приложив ее к случаю абсолютной пустоты в своей машине, он увидел, что для получения сколько-нибудь совершенной пустоты нужно впрыскивать в цилиндр огромное количество воды, которое почти совсем охладило бы его, и что для нагревания его при следующем ходе поршня потребовалось бы столько пара, сколько котел не в состоянии обеспечить. Отсюда для него стало ясно, что старые инженеры были вполне правы, довольствуясь при своих “огневых машинах” грузом не больше 6–7 фунтов на каждый квадратный дюйм поршня. Иначе говоря, эти машины по самому устройству своему и не могли выдерживать большего груза.

Таким образом, Уаттом была разгадана загадка ньюкоменовской модели. Теперь оставалось найти способ избежать недостатков старого принципа, то есть устранить огромную потерю пара, тепла, а следовательно, и топлива. Но Уатт был не только способный механик, а также и ученый: он не мог искать нового практического принципа, не понимая, каким требованиям этот принцип должен был отвечать и где его можно найти. Значит, прежде всего нужно было изучить законы парообразования, нужно было найти, сколько всего требуется тепла для образования такого-то количества пара и сколько необходимо пара для произведения такой-то работы. Из предыдущих соображений для него было ясно, что числа, приведенные в книге Дезанглиера, были ошибочны, нужно было их поправить, и Уатт предпринял два ряда опытов, которые он сам не считал научно точными, но которые вполне его удовлетворяли, тем более, что он ясно видел величину возможной ошибки.

Целью первого опыта было определить, во сколько раз одно и то же по весу количество воды занимает в виде пара больший объем, чем в виде жидкости. Вывод получился такой, что в виде пара вода занимает по крайней мере в 1800 раз больше места, чем в виде жидкости.

Эти цифры давали ему возможность решить, как велик должен быть паровой котел и сколько воды должен он испарять, чтобы наполнить паром цилиндр определенного размера.

И действительно, он тотчас же устроил котел, позволявший ему видеть, сколько в нем испарялось воды при всяком ходе поршня. Практика в этом случае значительно расходилась с теорией: котлу приходилось вырабатывать в несколько раз больше пара, чем требовалось для его наполнения по теории.

Иную цель имел другой ряд опытов: впрыскивая воду в цилиндр, наполненный паром, он с удивлением заметил, что сравнительно небольшое количество воды, послужившее для образования этого пара, может нагревать до кипения очень большое количество впрыскиваемой воды.