На протяжении полутора столетий пар приводил в действие поезда, морские суда и даже автомобили. Как работают паровые двигатели?

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №4(32). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Чтобы понять, как работает паровой двигатель, достаточно посмотреть на кастрюлю с закипающей водой: вырывающийся наружу пар подбрасывает крышку. Это «умение» преобразовывать тепловую энергию в механическую как раз и используется в паровом двигателе. Несмотря на простоту принципа, создать его было достаточно сложно. Во-первых, трудно было регулировать давление пара, во-вторых, подогрев воды требовал большого расхода топлива.

Считается, что паровой двигатель изобрёл шотландский инженер Джеймс Уатт (1736–1819). Но это не совсем так. Первые, примитивные паровые двигатели появились ещё в I веке. Герон Александрийский описал шарообразное устройство с соплами, из которых по касательной выходит водяной пар и вращает двигатель.

Однако прототипы настоящих паровых машин появились значительно позже. В XVI веке арабский инженер Таги-аль-Диноме изобрёл паровую турбину, которая представляла собой вертел с лопастями, вращающимися под действием водяного пара. В 1629 году похожее решение предложил итальянец Джованни Бранка. Главный недостаток этих устройств заключался в больших потерях энергии: подаваемый на сопла поток пара был рассеивающимся.

Инженерная мысль того времени крутилась вокруг необходимости выкачивать воду из шахт, в основном угольных. В конце XVII века англичанин Томас Севери изобрёл машину «для подъёма воды с помощью двигательной силы огня». Герметичный резервуар заполнялся горячим паром. После его охлаждали водой — пар конденсировался, и создавался вакуум. Затем через трубу вода из шахты засасывалась в резервуар, и новая порция горячего пара выталкивала её на поверхность. Такой механизм не мог поднимать воду с глубины более 15 метров и потреблял очень много топлива.

В 1698 году французский физик Дени Папен усовершенствовал машину Севери, оборудовав резервуар двигающимся поршнем. Принцип действия был такой же, но вода нагревалась внутри резервуара. Аппарат Папена не нашёл широкого применения.

По-настоящему успешной моделью была паровая машина английского инженера Томаса Ньюкомена, который учёл недостатки предыдущих устройств и соединил вертикальный цилиндрический поршневой резервуар с отдельным паровым котлом. Герметичность цилиндра обеспечивала кожаная прокладка вокруг поршня. Несмотря на низкую эффективность (КПД составлял не более 1%), аппарат широко применялся в шахтах почти полстолетия, пока Джеймс Уатт не изобрёл компактную, но мощную паровую машину.

Уатт считал, что для повышения эффективности резервуар нужно постоянно держать нагретым, а пар конденсировать в отдельном отсеке. Рабочий цилиндр был уже не пароатмосферным, как в предыдущих машинах. Поршень поднимался и опускался за счёт подачи горячего пара с помощью поочерёдно открывающихся и закрывающихся трубок между цилиндром и отсеком для конденсации воды. Благодаря дополнительному уплотнению поршня Уатт снизил потери пара. В 1769 году он получил патент на изобретение, которое дало мощный толчок развитию не только паровых двигателей, но и сопутствующих промышленных станков.

Простой паровой двигатель можно собрать и дома. На нём, конечно, никуда не уедешь, но увидеть, как тепловая энергия пара преобразуется в движение, можно.

Нам понадобится:

• Круглая пластиковая чашка диаметром 12–15 см
• Маленькая круглая свеча-таблетка
• Круглые листовые пробки диаметром 6–7 см: 2 штуки
• Полая металлическая проволока (внутренний диаметр 1,5 мм)

Ход работы:

1. Делаем петлю из проволоки. Для этого можно использовать любой цилиндрический сосуд. Оборачиваем вокруг него проволоку и вытягиваем её концы параллельно друг другу. Затем крепим вертикально на двухслойный лист пробки так, чтобы между петлёй и листом можно было поместить горящую свечу. При этом пламя должно касаться нижней части петли. Лишнюю проволоку отрезаем.

2. Закрепив проволоку, проверяем, не попало ли внутрь что-нибудь, что помешает движению воды. Концы проволоки загибаем в противоположные стороны. Установка готова.

3. Наливаем в чашку воду. Помещаем лист пробки с закреплённой проволокой и свечой на поверхность воды, предварительно заполнив ею проволоку. Поджигаем свечу — двигатель заработал!