Марк Левин - Машина-двигатель

Первая часть расширения и работы газа по подъему поршня шла при неизменной температуре, равной температуре горячего источника. Такой процесс расширения называется в термодинамике «изотермическим» (при постоянной температуре). После того, как мы отняли горячий источник, расширение продолжалось, но без приема и без отдачи тепла (стенки изолированы). Такой процесс расширения называется адиабатическим.

Так мы совершили ход поршня вверх. Но всякая тепловая машина только тогда сможет стать двигателем, когда рабочее тело будет, совершив работу, возвращаться вновь в исходное состояние. Или, иными словами, тепловой двигатель должен работать по «замкнутому циклу», то есть непрерывно повторять расширение и сжатие рабочего тела.

Как же следует в нашем случае вернуть рабочее тело к исходному состоянию?

Предположим, что к концу расширения газ в цилиндре как раз охладился до температуры охладителя Т 2. Поставим цилиндр на холодную плиту и немного ссыплем на чашу поршня с полочки 10 песку. Поршень станет тяжелее, и газ слегка сожмется. При этом температура газа начнет подниматься. Но охладитель не дает расти температуре, отводя какое-то количество тепла от газа. Затем с полочки 9 мы еще немного ссыплем на поршень песку — поршень спустится до полочки 8, а газ по прежнему останется при температуре Т 2, отдавая излишнее тепло охладителю. Так мы совершим «изотермическое» сжатие, нагружая небольшими порциями песка поршень. Но вот, достигнув полочки 4, мы отведем холодную плиту, закроем донышко и станем насыпать большими порциями песок. Теперь газ начнет сжиматься, повышая свою температуру, так как тепло никуда отводиться не будет. Нам придется с нижних полочек вновь насыпать полную чашу песка, и только тогда мы вернем поршень в начальное положение I, подняв температуру газа до T 1и давление газа до его первоначального значения. Круг замкнется — цикл будет совершен. Начав от положения I, мы заставили поршень подняться до положения II и вновь вернуться в положение I.

Но в чем будет состоять полезная механическая работа, которую в этом случае мы получаем от тепла? Ведь, начав с полной чаши песка, мы вновь пришли к ней же!

Дело в том, что в результате такого цикла газ совершил полезную работу переноса песка снизу вверх: при изотермическом расширении надо немного песка ссыпать, а при изотермическом сжатии надо немного песка насыпать, и в результате на верхних полочках скапливается всё больше и больше песка, а на нижних песок убывает.

Этот цикл, с которым мы только что познакомились, осуществляется как раз так, как рекомендовал Карно: подводить тепло к рабочему телу надо изотермически, и рабочее тело должно при этом расширяться, совершая работу. Заканчивать свое расширение рабочее тело должно адиабатически, не передавая накопленное тепло через стенки цилиндра окружающей среде. Возвращать рабочее тело в исходное состояние надо, тоже вначале сжимая изотермически, отводя при этом тепло в охладитель, а затем заканчивая сжатие адиабатически.

Тогда, указывал Карно, тепло будет наилучшим образом использовано, а коэффициент полезного действия теплового двигателя будет зависеть только от разности температурных уровней.

В реальных тепловых двигателях, как мы дальше увидим, трудно выполнить цикл, похожий на этот, да и сам Карно не ожидал, что удастся точно так заставить работать паровую машину или другой двигатель. Но чем больше будет похож процесс в двигателе на цикл Карно, тем лучше он будет использовать тепло.

Можно ли всё тепло сгорания топлива использовать в тепловом двигателе? Нет. Даже в идеальном цикле Карно часть тепла отдается охладителю.

В большинстве тепловых двигателей совершает работу не один и тот же заряд рабочего тела. Пар, поступивший в цилиндр паровой машины, совершив работу, покидает этот цилиндр, а на его место при новом ходе поступит новый пар. Это обстоятельство также отличает реальные двигатели от идеального, но и тут остаются в силе главные направления, указанные Карно. Следуя этим направлениям, паровая техника к концу XIX века сделала огромные успехи.

Новая наука положила основу совершенствованию не только паровых машин, но и всех тепловых двигателей на многие десятилетия вперед, вплоть до наших дней.

Что же касается паровых машин, то к началу XX века уже стали строить паровые машины мощностью в 6–8 тысяч лошадиных сил, в то время как сто лет тому назад — к началу XIX века, во времена Уатта, машины строились лишь до 50 лошадиных сил. Паровая машина XX века использовала пар высокого давления и высокой температуры, была значительно экономичней первых машин и при большой мощности была сравнительно небольших размеров.

«Была? Почему была, а сейчас разве не строят паровых машин?» — спросите вы.

Чтобы ответить на этот вопрос, нам придется снова вернуться в XIX век и проследить за появлением еще одного теплового двигателя — паровой турбины.

Идея Герона Александрийского, так же как и проект Джиованни Бранка, к началу XIX века вновь привлекла к себе внимание инженеров и изобретателей. Большинство рабочих машин требовало от двигателя вращательного движения.

Казалось заманчивым попытаться использовать энергию пара для получения механической работы не в поршневой машине, где приходится возвратно-поступательное движение поршней превращать во вращательное движение вала с помощью кривошипно-шатунного механизма, а в машине-турбине, где пар должен, выходя из котла, сразу создавать вращательное движение рабочего колеса.

Пытались повторять «Геронов шар», используя реактивное действие струи пара, пытались предлагать двигатели, очень напоминающие колесо Бранка, где имеется в виду использование активного действия струи пара, — множество всяких проектов появлялось.

За первые две трети XIX века насчитывают более двухсот предложений паровых турбин. Но ни один проект не мог быть практически осуществлен, — еще не знали, как правильно рассчитывать такие турбины, какие формы придавать лопаткам и каналам, направляющим пар на лопатки. Слишком большие скорости вращения, большие диаметры колес, повышенные требования к материалам затрудняли применение таких двигателей на практике.

Паровая турбина интересовала и русских изобретателей. Одним из первых — в 1806–1813 годах — Поликарп Залесов сооружал на Алтайском Сузунском заводе модели паровых турбин. Однако эти начинания, как и многие другие, не получили нужной поддержки в царской России.

Первой турбиной, которую можно было практически использовать, была турбина, построенная шведским инженером Лавалем в 1890 году.