А. А. Леонович
Физика без формул
Как заставили работать пар?
Вы поставили на плиту чайник с водой. Прошло 10–15 минут, и чайник закипел. Если какое-то время не выключать плиту, то вода в чайнике окончательно «рассердится» и будет со свистом выталкивать из его носика струю горячего пара. Энергия, с которой вылетает пар, давно навела людей на мысль о создании машины, приводимой им в движение. Это действительно древняя идея, ее использованию около двух тысяч лет. Однако сделать пар реальной движущей силой, вращающей колеса различных машин и станков, удалось лишь в начале XVIII века. Паровая машина, усовершенствованная шотландским изобретателем Джеймсом Уаттом, полностью преобразила промышленность. Уже в 1782 году одна такая машина была способна приводить в движение до 40 ткацких станков.
Джеймс Уатт (1736–1819) – шотландский изобретатель. Исследовал свойства водяного пара. Внеся многие усовершенствования в устройства своих предшественников, создал универсальный паровой двигатель с непрерывным вращением. Сконструировал ряд приборов – ртутный манометр, водомерное стекло, индикатор давления, изобрел копировальные чернила. Ввел первую единицу мощности – лошадиную силу. Современная единица мощности носит его имя – ватт.
В дальнейшем, поставив паровую машину на колеса, человек построил паровоз. Когда паровая машина оказалась на корабле, родился первый пароход. Затем пар стали использовать не только для того, чтобы толкать им поршень в цилиндрах. И передавать это возвратное движение с помощью хитроумных устройств к колесам. Оказалось, что эффективнее направлять горячий пар непосредственно на колеса с лопастями, чем-то напоминающими пропеллеры. Такие агрегаты используют для получения энергии на теплоэлектростанциях.
Джордж Стефенсон (1781—1848) – английский изобретатель. Положил начало паровому железнодорожному транспорту. Создал первые практически пригодные модели паровозов, в том числе знаменитую «Ракету» с усовершенствованным паровым котлом. Построил несколько железных дорог, изменив рельсовый путь при переходе на локомотивную тягу, а также первую дорогу общественного пользования.
Хотя нагревание воды, превращаемой в пар, во всех случаях требует затрат какого-то топлива, ведь при нескольких переходах энергии из одного вида в другой неминуемы потери, паровые турбины до сих пор играют важную роль в энергетике. Но в общем-то низкая эффективность использования пара давно уже заставляет людей искать иные способы превращения тепловой энергии в механическую.
От водяного пара – к газу
Можно ли использовать для работы тепловых машин какой-нибудь другой газ помимо водяного пара? А почему вообще в этом случае мы ведем разговор лишь о газах? Все дело в том, что твердые тела и жидкости, не обладая такой способностью расширяться и сжиматься, как газы, не годились бы для применения в подобных машинах. Поэтому так называемым рабочим телом лучше всего в таких машинах и двигателях было сделать сами газы, образующиеся при сгорании топлива.
Особое внимание в связи с этим обращалось на изучение тепловых свойств различных газов и их смесей. Термодинамика – наука о процессах, происходящих в тепловых машинах, – прежде всего занималась вопросами, связанными с возможностью перехода теплоты в работу. А это и совершалось в тепловых машинах, где ключевую роль играли газы.
Законы, управляющие поведением газов, были достаточно твердо установлены ко времени их массовой «эксплуатации» в тепловых машинах. Но стремление сделать эти машины более мощными, надежными, эффективными словно подталкивало науку к более глубокому изучению их свойств. Выяснилось, что для полного описания газовых процессов нужно как следует разобраться с такими величинами, как их давление, объем и температура. Различные их сочетания словно рисовали картину, которая очень точно могла показать, что будет происходить внутри машины. Тем самым исследователям и практикам словно вручили заветные ключи от почти неисчерпаемых кладовых тепловой энергии. Триумфальное шествие от паровых котлов до реактивных двигателей прошло фактически за последние три сотни лет.
Как превратить тепло в работу?
Чем же помогла наука строителям тепловых машин?
В 1824 году французский физик и инженер Николя Карно опубликовал сочинение, в котором выяснил, какова может быть максимальная эффективность тепловой машины. Молодой, а ему тогда было лишь 28 лет, ученый, показал, что полезную работу можно получить только тогда, когда тепло переходит от нагретого тела к более холодному. Именно на этом пути можно «отнять» часть тепловой энергии и преобразовать ее в механическую – в движение поршня или вращение колеса. Чем больше разность температур между нагретым и холодным телом, тем большую часть тепловой энергии можно перевести в работу.
Николя Карно (1796–1832) – французский физик и инженер. Один из создателей термодинамики, установивший второй ее закон. Считал невозможной постройку «вечного двигателя», указал на пределы перехода тепла в механическую работу. Сформулировал принцип работы газовых тепловых машин. Его чисто математические рассуждения имели огромное практическое и экономическое значение. Работы Карно привели к улучшению паровых машин и тепловых двигателей.
Стало понятно, что надо как можно выше делать температуру сгорания топлива и как можно ниже – окружающей среды, играющей роль холодильника.
Это был решительный шаг на пути повышения коэффициента полезного действия тепловых машин. Причем совершенно не было важно, какова конструкция машины и что применяют в качестве ее рабочего тела.
С другой стороны, эти размышления Карно приводили к неутешительному выводу. Как бы хорошо ни сконструировали изобретатели и инженеры тепловую машину, как бы ее ни чистили и ни смазывали, никогда в ней не удастся все отобранное у нагретого тела тепло превратить в работу.
А как бы этого хотелось! Ведь механическая работа может полностью перейти в тепловую, внутреннюю энергию окружающих тел!
Вспомните, как вы трете, согреваясь, ладони и уши, как древний человек трением добывал огонь, как нагревает себя и асфальт тормозящий автомобиль, теряя движение. Почему же невозможен обратный полный переход?
Увы, и здесь природа опустила шлагбаум запрета, который ни объехать, ни обойти. Правда, и в разрешенных ею пределах человек умудрился наизобретать еще много диковинного.
Паровоз – хорошо, а тепловоз – лучше
Чем пароход отличается от теплохода, а паровоз – от тепловоза? В одних, ясно уже по названию, используют пар, а в других – газы, получающиеся при сгорании топлива. И то, и другое – тепловые машины, однако второй их тип оказался намного выгоднее.
Действительно, чтобы работал паровой двигатель, нужно везти на себе прочный котел с водой для создания пара. И еще вместе с ним топку, где должно сгорать топливо для подогрева воды.
Тяжелая, громоздкая и малоэффективная конструкция! Теплоходы же и тепловозы имеют двигатели, внутри которых сразу происходит сгорание топлива, а выделившиеся при этом горячие газы толкают поршни, передающие движение рычагам, колесам, гребным винтам.
Рудольф Дизель (1858–1913) – немецкий инженер и изобретатель. Создал поршневой двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, названный его именем. Экономичность и надежность обеспечили двигателю применение на автомобилях и теплоходах, тепловозах и тракторах, подводных лодках и электростанциях.
Попытки создать устройство, движущееся по суше без рельсов, имеют давнюю историю. Более 200 лет назад во Франции был построен трехколесный экипаж с паровым двигателем и котлом огромных размеров. Понятно, что толку от такой машины было мало – ее легко обгонял пешеход. Наконец, в восьмидесятых годах прошлого века были сделаны два изобретения, приведшие к созданию того, что можно назвать автомобилем. Это – двигатель внутреннего сгорания и пневматическая шина. Оснащенные новыми устройствами, автомобили стали завоевывать страну за страной. Более 100 лет совершенствования привели к тому, что теперь их в мире десятки миллионов. Двигатели, непосредственно внутри которых сгорает топливо, на сегодня вытеснили везде паровые и стали основными среди тепловых машин.
Как холодильник «холодит»?
Хорошо, пусть холодные тела только и «мечтают», чтобы нагреться, а горячие – охладиться. Но как же тогда работает холодильник? И правда, отключив его от сети и открыв дверцу, мы сперва почувствуем недолгую прохладу, но в скором времени весь лед растает, а продукты из охлажденных или замороженных превратятся в обыкновенные – с комнатной температурой. Что же позволяет этим процессам идти не естественным порядком, а наоборот?
Вспомним об испарении, скажем, спирта, когда ваткой, смоченной им, вам протирают кожу перед уколом. Что мы ощущаем? Правильно, холодок. Так вот, в холодильнике испаряющаяся жидкость отнимает тепло от всего, что внутри него находится. Но чтобы охлаждение шло постоянно, ее надо заставить это делать многократно.
Вот почему мы слышим, как урчит двигатель холодильника, приводя в движение поршни, отсасывающие пары этой жидкости. Затем их прогоняют через конденсатор, укрепленный на задней стенке холодильника. Пощупав его во время работы двигателя, вы ощутите… тепло. Откуда оно взялось? А это конденсируются пары жидкости и, как и положено им в этом случае, выделяют наружу тепло. Сгустившись из паров, жидкость вновь поступает внутрь холодильника, чтобы, снова испарившись, отнять там порцию тепла.
Получается, что холодильник – это тепловой двигатель наоборот. К тепловой энергии, отобранной у продуктов, мотор добавляет энергию, полученную из электросети. И все это вместе «выбрасывает» в комнату. Выходит, включенный холодильник служит нам еще и дополнительным нагревателем воздуха в квартире.
Что берет в полет ракета?
То, что реактивный двигатель космической ракеты работает на принципе отдачи, вам хорошо известно. В одну сторону вылетают, оттолкнувшись от ракеты, раскаленные газы. В другую, оттолкнувшись от газов, летит ракета. А что же происходит внутри такого двигателя?
Это – тоже тепловая машина. В ней, правда, нет ни поршней, ни рычагов, ни колес. Тем не менее, ее устройство отнюдь не так просто. В отличие от двигателей внутреннего сгорания и паровых машин, где топливо горит в воздухе, здесь в камеру сгорания подаются одновременно горючее, скажем, керосин, и окислитель. Ведь в безвоздушном пространстве «зачерпнуть» воздух неоткуда. И его роль в полете должен взять на себя кто-то другой, к примеру, жидкий кислород. Вот его и приходится возить с собой в ракете вместе с горючим.
Сергей Павлович Королев (1907–1966) – российский ученый и конструктор. Основоположник практической космонавтики. Под его руководством были созданы первый искусственный спутник Земли и космические корабли, на которых человек впервые облетел Землю и вышел в открытый космос. Занимался конструированием и постройкой межпланетных станций.
Температура горения достигает в камере нескольких тысяч градусов. Давление так велико, что газы с огромной скоростью вырываются из камеры в расширяющееся отверстие на конце ракеты, называемое соплом.
Мы рассказали о жидкостном ракетном двигателе. Есть еще и твердотопливные, их вы могли бы увидеть при старте космического корабля «Шаттл». Они пристыкованы к корпусу основной ракеты и позволяют увеличивать тягу на первом отрезке взлета. Но во всех случаях, чтобы работали такие двигатели, потребовалось создать особые жаропрочные материалы. Они должны выдерживать, не плавясь, те гигантские температуры, которые возникают внутри таких двигателей.
Вновь, как это бывает чаще и чаще, создание одной машины заставило сотрудничать самые разные отрасли науки и техники.
