ИС

ТОР

ИЯ

НА

УК

И

Тепловой двигатель (паровая машина) сыграл и продолжает играть чрезвычайно важную роль в развитии нашей цивилизации. Его изобретение и внедрение в производство, транспорт и другие сферы деятельности человека послужили причиной промышленной революции XVIII столетия, открыли новые горизонты в нашей жизни. Как же возникла паровая машина? Кто ее сконструировал, и с чего все началось? Об этом наш короткий рассказ.

Работа теплового двигателя базируется на действии водяного пара или других газов. Устройства с использованием упругого действия воздуха и водяного пара были известны еще в античном мире. Известнейшие из них сконструировали древнегреческие изобретатели из города Александрии: Ктезибий, Филон и Герон.

Рассмотрим некоторые из них.

q

a

b

Рис.1. Термоскоп Филона (Древняя Греция, 210 г. до н.э.)

Термоскоп Филона (рис. 1) состоит из двух изолированных от окружающей среды шаров, соединенных между собой труб-кой. Шар q частично заполнен водой. Если нагревать другой, пустой шар (а), то воздух расши-ряется и по трубке b проникает в шар q. В этот момент можно заметить появление пузырьков в воде. Вследствие этого над поверхностью воды создается избыточное давление возду-ха, которое служит причиной перехода части воды в шар а в процессе его охлаждения. По-вторное нагревание приведет к обратному перекачиванию и со-зданию избыточного давления.

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ПАРОВОЙ МАШИНЫБогдан Циж

Наука и техникаНаука и техника

4

Способность воздуха расширяться во время нагревания использовал Герон для „чудотворного” отворения дверей Алек-сандрийского храма (рис. 2). Зажженный на жертвеннике огонь нагревал воздух в резервуаре, частично заполненном водой. Под действием давления нагретого воздуха часть воды перекачивалась в другой резер-вуар и своим весом через систему блоков отворяла двери храма, преодолевая про-тивовес. Гашение жертвенного огня при-водило к противоположному действию - закрытию дверей, и создавало „магический” эффект, так как все элементы, кроме жерт-венника и дверей, были скрыты под землей.

Большое значение для будущей тех-ники имело создание Героном шара Эола или эолипила (рис. 3). В плотно закрытом котле а β вода доводилась до кипения. Пар направлялся через трубки ε и μ в неболь-шой шар, закрепленный так, что он мог оборачиваться вокруг оси η λ. Внутренняя часть шара соединялась с внешней средой коленчатыми трубками. В процессе кипе-ния воды шар оборачивался вследствие реактивного действия пара. Очевидно, в этом случае мы имеем модель паро-вой турбины. Тем не менее, Герон даже не обдумывал возможность использования механического действия пары для хозяй-ства. Вместе с тем, на основании наблюда-емого эффекта он придумывал фокусы и конструировал игрушки.

Рис. 2. Устройство для отворения врат Александрийского храма (Древняя Греция,

ІІ-ІІІ столетие до н. э.)

Рис. 3. Эолипил Герона (Древняя Греция, ІІ-ІІІ столетие до н. э.)

И РАЗВИТИЯ ПАРОВОЙ МАШИНЫКРАТКАЯ ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ПАРОВОЙ МАШИНЫ

Наука и техника

5

Известны описания многих приборов, основанных на действии сжатого и разреженного воздуха, кипении воды, передачи силы через жидкость. Тем не менее, они не нашли в те времена практического использования. Вместе с тем многочисленные эксперименты античных механиков сопровождались теоре-тическими толкованиями. Например, при толковании пустоты Герон считал, что сплошная пустота невозможна, возможна лишь пустота между частичками. Такая пустота объясняет сменную плотность тел, в частности, воздуха: когда происходит процесс расширения, расстояние между частичками увеличивает-ся и, наоборот, расстояние между ними уменьшается при сжатии. В то же вре-мя частички стараются вернуться в исходное положение – этим объясняются упругие свойства тел. Такая концепция объясняла наблюдаемые явления, а со временем в классической физике появилась более совершенная теория.

Таким образом, античные ученые уже владели и техническими зна-ниями, и научным пониманием, достаточным для того, чтобы создавать индустриальные паровые машины XVIII столетия. Но этого не произошло. В определенной степени это можно объяснить низким уровнем технологии, не-достаточной мощностью металлостроительной и топливной промышленности и некоторыми другими причинами. Но самой весомой причиной разрыва между наукой и техникой в древнем мире был социальный аспект.

В условиях производственных отно-шений рабовладельческого порядка не было еще настоятельной потребности за-менять человеческую работу машиной, производственные силы еще не выросли до технической революции. К середине XVIII столетия все промышленные производ-ства были привязаны к естественным ис-точникам энергии, чаще всего – на основе гидравлических устройств, водных колес.

Модель первой паровой машины

Наука и техника

6

Развитие промышленности требовало создания двигателя нового типа, мощного, универсального, независимого от естественных условий. Им стал

Рис. 4. Схема парового котла Д. Папена (Франция, 1680 г.)

Первым практическим применением тепло- вого двигателя в промышленности было ис-пользование паровой помпы для поднимания воды из шахт, изобретенной англичанином Т. Севери (патент 1698 года) (рис. 5). Она так и называлась – „Друг рудокопа” и состояла из котла 2 и резервуара 1, соединенных трубой 3 с краном 4. Пар сначала поступал в резервуар 1, после охлаждения конденсировался, создавая разрежение. За счет этого вода под действием атмосферного давления поднималась из шахты в резервуар. В паровой машине Севери, в отличие от машины Папена, паровой котел был отделен от рабочего резервуара. Тем не менее, машина Севери была еще крайне неэкономичной, так как поочередное нагревание и охлаждение одного и того же резервуара требовало большого количества топлива. Она расходовала приблизи-тельно 100 кг угля на 1 кВт•час и поднимала воду с глубины всего 10 м.

Рис. 5. Схема паровой помпы Т. Севери

(Великобритания, 1698 г.)

тепловой двигатель – паровая машина, вклад которой в развитие техники сложно переоценить.

Способность пара выполнять механическую работу, как мы уже показали, была известна людям еще в глубокой древности, но лишь с конца XVII столетия начали создавать первые реальные тепловые двигатели.

Большое значение в этой области имело творчество французского физика Дени Папена, который работал в Великобритании. В 1679 году он изобрел первую тепловую пароатмосферную машину для подъема грузов – паровой котел с предохранительным клапаном (рис. 4). Папен также открыл зависимость точки кипения воды от давления (1680 г.), первым правильно описал замкнутый термодинамический цикл парового двигателя (1690 г.), сделал ряд других изобретений.

Наука и техника

7

Следующий шаг в усовершенствовании парового двигателя сделал ан-глийский кузнец Томас Ньюкомен, который в 1711 году предложил свою кон-струкцию пароатмосферной машины для шахтовых помп (рис. 6). Эта машина объединяла преимущества устройств Папена и Севери. В ней при конденсации пара в цилин-дре поршень двигался вниз, поднимая балансир, соединенный со штангами водоотливной помпы. Мощность такой паровой машины уже превышала 5 кВт, она расходовала приблизительно 35 кг угля на 1 кВт•час и поднимала воду с глубины 80 м.

Подобные устройства испытали много усовершен-ствований и получили широкое применение в XVIII столетии в Европе и Америке. Однако паровые дви-гатели были еще очень несовершенными: громоздки-ми, неэкономичными, с неравномерным ходом.

чее усилие на шкив 6 и дальше – на рабочий вал. Универсальный паровой двигатель изобрел английский теплотехник Джеймс Уатт. Он много рабо-тал над усовершен-ствованием тепловых машин и ввел ряд принципиальных но-вовведений, таких Рис. 7. Схема паровой машины

И. Ползунова (Россия, 1763 г.)

Рис. 8. Схема паровой машины Д. Уатта (Великобритания, 1769 г.)

Рис. 6. Пароатмосферная машина Т. Ньюкомена (Великобритания, 1705 г.)

Первым шагом к созданию универсального теплового двигателя была разработка двухцилиндровой пароатмосферной машины русского тепло-техника Ивана Ползунова 1763 года (рис. 7). В этом двигателе за счет авто-матического устройства, разделяющего воду и пар 5, пар поочередно по-давался то в левый, то в правый цилиндры 2, поднимая и опуская поршни 3. Это обеспечивало непрерывное рабочее

Наука и техника

как: специальный конденсор для конде- нсации пара, двустороннее действие на поршень. Первую паровую машину двойного действия Уатт построил в 1774 году (рис. 8), а уже в 1780 году их изготовили 40 штук.

8

Уатт постоянно совершенствовал свои изобретения. В 1784 году он по-лучил патент на универсальный тепловой двигатель двойного действия, изображенный на рис. 9. Ключевыми моментами усовершенствования были: использование золотника для подачи пара и махового колеса для выравнивания движения, а также несколько устройств для преобразова-ния поступательного движения во вращательное и качательного движения в непрерывное, в частности, параллелограмма Уатта.

Начиная с 80-х годов XVIII столетия, универсальный тепловой двига-тель Уатта нашел широкое применение во всех отраслях хозяйства многих стран. Например, в Великобритании создали свыше 300 таких двигателей для текстильной, горной, металлургической, пищевой отраслей. Паровой двигатель стимулировал развитие новых рабочих машин, транспорта.

Рис. 9. Универсальный тепловой двигатель двойного действия

Так родилась и утвердилась в разных сферах паровая машина. С того времени тепловой двигатель постоянно совершенствовался, яр-кими примерами чего является развитие паровозов, двигателей вну-треннего сгорания. Но это уже совсем другие истории. И, несмотря на то, что с конца XIX столетия во многих случаях паровая машина была заменена электрическим двигателем, она сыграла особую роль в тех-ническом прогрессе человечества, а сотни мастерских конструкций тепловых двигателей XVIII-XX столетий представляют собой образцы высокого взлета научно-технического и инженерного гения человека.

Наука и техника

9