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

Машиной восхищаются философы и инженеры, но можно ли ее продать? Уатт и Болтон хотели заработать как можно больше на своих паровых машинах. В целом рынок был открыт для тепловых двигателей, но после неудачного опыта с ранними моделями инвесторы относились к ним скептически: огромные затраты на разработку в любом случае не будут компенсированы, при этом неясно, какой рост производства даст новая технология. Поэтому установить цену едва ли возможно. Тогда Болтон разработал новую бизнес-модель. Своеобразный лизинговый контракт обязывал клиента выплачивать Boulton & Watt одну треть от экономии угля каждый год в дополнение к расходам на транспортировку и установку машины. Владельцам шахт нужно было не покупать машину, а всего лишь платить треть прибыли в качестве арендной платы в течение всего срока ее службы. Однако точно вычислить экономию от использования паровой машины оказалось совсем не просто. Недостаточно было рассчитать разницу между старым и новым количеством угля, потому что машина Уатта использовала гораздо меньше угля и при этом была примерно в три раза эффективнее машины Ньюкомена. Соответственно, нужно рассчитать экономию на единицу продукции. Со времен Севери существовала только одна, очень неточная мера мощности – мощность лошади при осушении ям, измеряемая в лошадиных силах. Но о каких лошадях шла речь? Об усталых или полных сил, о французских или ирландских? Эта мера уже не годилась, срочно требовался точный метод измерения.

Решение нашел Джон Саузерн, инженер компании Boulton & Watt: карандаш, соединенный с поршнем, рисовал диаграмму «давление – объем» на вращающемся барабане, а интеграл кривой давал мощность паровой машины. Теперь прибыль можно было исчислять в пфеннингах и геллерах.

Через несколько лет диаграмма попала в руки молодого парижского физика по имени Николя Леонард Сади Карно (1796–1832), который вывел из нее совершенно новую область физики – термодинамику. Возможно, за обеденным столом своих родителей маленький Николя впервые услышал о революционной машине, изобретенной по ту сторону Ла-Манша, а также о трудностях ее экономически эффективного использования. Его отец, Лазар Николя Маргерит Карно, уважаемый политик, офицер и ученый, потерпел неудачу в решении проблемы повышения эффективности паровой машины Уатта. Завершение работы отца стало делом жизни сына. Результаты своих стараний он представил в 1824 году в работе «Размышления о движущей силе и машинах, способных развивать эту силу». Вывод Карно оказался одновременно отрезвляющим и новаторским: он доказал, что эффективность невозможно увеличить[370]. Еще раз подчеркнув важность парового двигателя для экономического и социального прогресса, он замечает:

Явление получения движения из тепла не было рассмотрено с достаточно общей точки зрения. Его исследовали только в машинах, природа и образ действия которых не позволяли ему принять того полного развития, на которое оно способно. У подобных машин это явление сказывается в искаженном и неполном виде; поэтому трудно узнать его основы и изучить его законы. Чтобы рассмотреть принцип получения движения из тепла во всей его полноте, надо его изучить независимо от какого-либо механизма, какого-либо определенного агента; надо провести рассуждения, приложимые не только к паровым машинам, но и ко всем мыслимым тепловым машинам, каково бы ни было вещество, пущенное в дело, и каким бы образом на него ни производилось воздействие[371].

Исходная точка Карно та же самая, что привела Уатта к изобретению конденсатора, – низкий КПД паровой машины. Но Карно хочет решить проблему не путем технических усовершенствований, а с помощью общей теории. В то время как Уатт в течение многих лет день за днем улучшал свою машину, Карно оторвался от конкретного образца, чтобы теоретически изучить его возможности.

Его вопрос заключается в том, можно ли преобразовать всю теплоту в движение и обратимо ли это превращение без потерь. Индикаторные диаграммы Саузерна навели Карно на мысль: производство энергии в паровой машине – это круговой процесс. После серии операций, производящих движение, машина возвращается в исходное состояние, чтобы начать новый цикл. Если преобразование полностью обратимо, то в конце цикла пар должен иметь ту же температуру, что и в начале, без добавления новой энергии, и машина может производить то же движение снова и снова. Но это возможно только в вечном двигателе. На самом деле машина использует часть своей энергии, чтобы вернуться в исходное состояние. Другими словами, чтобы генерировать энергию, тепло (Карно все еще предполагает наличие тепловой субстанции) должно перетекать из более теплого отсека в более холодный, точно так же как вода должна опускаться с более высокого уровня на более низкий. Если та же самая вода снова будет вырабатывать энергию, как на современных гидроаккумулирующих электростанциях, то сначала ее нужно откачать до прежнего уровня, а для этого, конечно, потребуется энергия. Таким образом, тепловой двигатель также тратит часть энергии на поддержание градиента.

Исходя из простых соображений и без единого эксперимента Карно открыл второй закон термодинамики, или энтропию. Несмотря на неправильное предположение о тепловой субстанции, он подтолкнул один из величайших переворотов в истории науки. Его ключевой тезис гласит: в замкнутой системе – а паровая машина является (почти) замкнутой системой – тепло генерирует движение, и наоборот. Отныне отношение между силой и теплом можно точно рассчитать. То, что всего несколькими годами ранее Кант признал принципиально невозможным, а именно найти математическую формулу жизни, стало реальным благодаря совместным усилиям Уатта и Карно. Они объединили два противоположных взгляда на жизнь – жизнь есть движение (механисты) и жизнь есть тепло (виталисты) – в супертеорию: жизнь суть преобразование тепла в движение. В связи с тем, что в процессах преобразования неизбежны невосполнимые потери, в физике появилась стрела времени. Карно математически доказал то, что было известно всегда: существуют необратимые процессы, жизнь никогда не течет от смерти к рождению.

Жизненная сила становится энергией

Это имело далеко идущие последствия. Отныне живое тело определялось как тепловой двигатель, а весь космос представлялся как замкнутая система, состоящая из бесконечного числа маленьких тепловых двигателей, которые находятся в постоянном обмене. Тепло, производимое движением одной машины, необходимо для движения другой машины. Люди и машины являются частью универсальной системы обмена с единой мерой мощности (работы в единицу времени), измеряемой в лошадиных силах или ваттах. Производительность паровых двигателей, ветра, воды, лошадей или рабочих теперь можно не только точно рассчитать, но и сравнить друг с другом. Благодаря появлению ватта физическая сила переводилась в денежную стоимость, поэтому появилась возможность сравнивать стоимость людей и стоимость машин. Один паровой двигатель эквивалентен примерно 20 рабочим. Раньше денежную стоимость имели