Мифология машины. История механизмов, которые нас пугают и очаровывают - Даниэль Штрассберг

Проблема происхождения тепла в теле опасна, поскольку она поднимает вопрос об источнике энергии, необходимой для жизни: или она происходит извне, например от Бога, и подается телу, как считает Декарт, или она имеет химическое и биологическое происхождение и производится самим телом. Согласно Гарвею, который уловил связь между теплом и силой, энергия, необходимая телу, вырабатывается в нем самом; по мнению Декарта, ее дает Бог.

Проблема происхождения тепла обладает огромной взрывной силой, поскольку она прямо касается автономии человека. Для движения, самоуправления и самоорганизации удалось найти объяснение, но вопрос о том, откуда берется энергия жизни, все еще оставался нерешенным. В механистическом мире Декарта Бог производит и поставляет энергию; по Гарвею, каждое тело – это маленькая электростанция. Если Гарвей прав, то человек – это автономная машина и у Бога почти не остается дел в этом мире.

В то время существовали два взгляда на природу тепла: одна теория, восходящая к Античности, утверждала, что оно обусловлено движением молекул; согласно другой, тепловая субстанция выделяется при горении. Химик-виталист Шталь называл эту субстанцию флогистоном и описывал ее как необычайно тонкую, летучую и не воспринимаемую органами чувств. Сверхтонкий флогистон – одна из форм vis viva, жизненной силы, которая пронизывает тело и дает ему жизнь. Это душа человека, не материальная и ненематериальная, но имеющая особенную промежуточную природу и потому недоступная математике.

Химик-механик Антуан Лоран де Лавуазье, живший примерно на поколение позже, также верил в существование огненной субстанции, которую он назвал caloricum, «теплород». В своих последних работах по теплоте, написанных Лавуазье совместно с Пьером-Симоном Лапласом, он воздерживался от замечаний о природе тепла, так как понимал, что не может решить центральную проблему – вопрос о связи между теплом и силой. Он ограничился разработкой физико-математической теории тепла, которая не требовала души.

На самом деле Лавуазье добился значительного прогресса в понимании тепла и, в частности, тепла тела. В ходе изощренных экспериментов ему удалось показать, что дыхание не служит для охлаждения крови, а представляет собой медленный процесс горения, в результате которого выделяется тепло. Он также доказал превращение кислорода (свободного воздуха) в углекислый газ (связанный воздух), ввел термин «теплоемкость», научился измерять и рассчитывать удельную теплоту различных веществ и отличать связанную и свободную теплоту.

Лавуазье был близок к созданию полной физической теории, не хватало лишь последнего, решающего фрагмента пазла: он никак не мог понять связь между силой и теплом. Поэтому он с тяжелым сердцем вернулся к виталистической концепции живой силы:

В общем, можно преобразовать первую гипотезу [тепловая материя] во вторую [движение молекул], если заменить в ней слова «свободное тепло», «связанное тепло», «высвобожденное тепло» словами «жизненная сила», «потеря жизненной силы», «увеличение жизненной силы[364]».

Как из тепла извлекается энергия

Если в кроссворде предлагается назвать изобретателя парового двигателя из четырех букв, то правильным ответом будет «Уатт». Но действительно ли Джеймс Уатт изобрел паровой двигатель? В конце концов, машины с паровым двигателем были известны еще в древности. Герон Александрийский, например, сконструировал танцующий шар, который под действием пара поднимался и удерживался в воздухе. В конструкции, которая позже использовалась в автоматическом токарном станке, пар вращал шар вокруг собственной оси. Другая фигура цапли, стоящей на алтаре, приносила возлияние богам с помощью пара. Архимед, очевидно, будучи более практичным изобретателем, даже построил паровую пушку. Работала она или нет, неизвестно, но говорят, что она по крайней мере производила огромный шум. Мы также не знаем, удалось ли создать водопровод с паровым двигателем Саломону де Коссу.

В конце XVII века Томас Севери даже разработал полезную паровую машину – насос с паровым приводом, на который он получил патент 25 июля 1698 года. В то время затопления стали почти непреодолимой проблемой для все более разрастающихся угольных и рудных шахт. Небольшие шахты осушали вручную или с помощью лошадей, но в глубоких шахтах это было невозможно или требовалось так много рабочих, что привлекать их было нерентабельно. «Друг шахтера»[365] стал бы долгожданным спасением для отчаявшихся владельцев шахт в Южной Англии, если бы он постоянно не ломался. Но даже когда он работал, периодические сбои и неэффективность делали его малопригодным для использования. Схема работы паровой машины Севери очень проста: в котле нагревается вода, затем пар подает шахтную воду из напорного сосуда в трубу; далее пропускной клапан закрывается, сосуд под давлением охлаждается, пар конденсируется, и создается отрицательное давление, которое открывает обратный клапан. Затем вода выводится из шахты, поступает в напорный сосуд, после чего клапан снова открывается и цикл начинается заново.

Помимо ненадежности, насос Севери имел еще один огромный недостаток: большая часть добываемого угля уходила на обогрев котла. Машины ждали, пока содержимое цилиндра остынет под действием более холодного наружного воздуха и пар сконденсируется. Чтобы произвести пар в следующем цикле, сначала необходимо было снова разогреть стенки цилиндра. На это уходило слишком много угля, и для производства пара почти ничего не оставалось.

Томас Ньюкомен смог частично исправить ситуацию с мизерным КПД. Его машина, появившаяся около 1712 года, использовала впрыскивание воды для охлаждения водяного пара в цилиндре и, соответственно, его конденсации. Это создавало вакуум в камере цилиндра, так что давление воздуха, действующее на поршень снаружи, выталкивало его обратно в цилиндр. Впрыскивание позволило значительно увеличить ход поршня и тем самым значительно повысить КПД.

Чтобы понять, почему Джеймс Уатт все же может считаться изобретателем парового двигателя, необходимо сначала рассмотреть физический принцип работы всех паровых двигателей от Герона до Уатта. Газ расширяется при нагревании – его объем увеличивается пропорционально температуре – и сжимается при охлаждении. В машинах Севери и Ньюкомена конденсация водяного пара создает вакуум за счет охлаждения в цилиндре, так что атмосферное давление толкает поршень вниз. Вакуум устраняет сопротивление воздуха. Давление оказывает не пар, а воздух, поэтому правильно говорить об атмосферных двигателях.

Только машина Уатта действительно приводилась в действие под давлением пара. История изобретения такова. Где-то в 1763 или 1764 году профессор Джеймс Андерсон задумал рассказать своим студентам в университете Глазго о паровом двигателе Томаса Ньюкомена, для чего сконструировал его модель. Правда, сделанная им модель оказалась неработающей. Поняв, что она сломана, он попросил университетского механика Джеймса Уатта починить ее. Уатт приступил к работе, но после долгих раздумий и тщетных попыток он обнаружил, что модель вообще не может работать. При конденсации стенка цилиндра охлаждается настолько, что вся мощность нагрева расходуется на то, чтобы снова нагреть ее. Поскольку в больших машинах отношение поверхности к