Предпосылки возникновения теплоэнергетики
Для любого двигателя нужно различать степень его зависимости от локальных (местных) условий работы и степень его возможной применимости для разнообразных нужд промышленности. Двигатель, мало зависящий от локальных условий (определяется энергоемкостью источника энергии) и универсальный по своему техническому применению (определяется конструктивными формами двигателя), является универсальным. Очевидно, что водяное колесо, будучи связано с определенным местом, не может быть универсальным двигателем промышленности и транспорта, хотя оно является универсальным по своему техническому применению, поскольку отдает потребителю работу в наиболее удобной форме непрерывного и равномерного вращательного движения [4].
Решение первой части задачи во многом определило поиски источника энергии. Вопрос об универсальности двигателя по техническому применению тогда еще не ставился.
Практика эксплуатации водоподъемных установок показала, что всасыванием поднять воду выше определенной высоты нельзя. Этот вывод, почерпнутый из наблюдений, нанес серьезный удар лженаучному утверждению схоластов, будто бы «природа боится пустоты». Оно было окончательно опровергнуто в 1643 г. итальянским ученым Э. Торричелли, установившим величину атмосферного давления. Эффектные опыты Отто фон Герике, проведенные в Магдебурге в 1672 г. (когда восьмерка лошадей оказалась не в состоянии разъединить медные полушария, образовавшие шар, из которого был откачан воздух), обратили внимание ученых и изобретателей XVII в. на «громадную силу» атмосферного давления. Действительно, по сравнению с граммами или десятками граммов, приходящихся на 1 см2 ветровых или водяных колес, 1 кгс на 1 см являлся «громадной силой». «Сила» эта имелась везде и, следовательно, обещала освобождение энергетики от локальной зависимости. Задача заключалась в создании вакуума или избыточного давления для образования разности энергетических потенциалов, дающей возможность получить работу.
Тепловое расширение твердых тел известно было уже давно. В XVII в. было обнаружено тепловое расширение жидких тел и газов. Изменение объема жидких тел при изменении температуры использовалось при изготовлении первых жидкостных термометров.
Наконец, третьей предпосылкой для создания теплового двигателя явилось изучение свойств водяного пара. Еще до нашей эры люди знали об упругих свойствах водяного пара, получаемого при кипячении воды в закрытом объеме: в начале XVI в. Леонардо да Винчи сделал набросок паровой пушки, указав на то, что она была изобретена Архимедом. В середине XVI в. в работах Кардана отмечается способность пара конденсироваться. Правда, знания о свойствах водяного пара не отличались точностью. Еще в XVIII в. многие ученые считали пар воздухом, выделяющимся из воды при ее нагревании. Но накопленных знаний оказалось достаточно для изобретателей, решавших задачу о водоподъеме. В своих опытах по исследованию удельного объема водяного пара (1601) итальянец Джамбаттиста делла Порта показал возможность подъема воды давлением пара на ее поверхность, причем необходимость кипятить всю поднимаемую воду исключалась применением отдельного сосуда - парогенератора, предшественника парового котла. Позднее (1623) француз Соломон де Ко описывал «страшную силу» пара, который мог разрывать металлический сосуд и выбрасывать воду высоким фонтаном. Таким образом намечались пути, которые вели к использованию тепловой энергии или «движущей силы огня».
Знания в области теории тепла в то время были весьма поверхностными. Термодинамика как наука о взаимопревращениях тепловой и механической энергии начала складываться только с середины XIX в. Таким образом, становление практической теплоэнергетики базировалось на познании ряда явлений и свойств, к которым можно отнести атмосферное давление, расширение газов от нагревания, упругость водяного пара, получаемого кипячением воды, конденсацию пара при охлаждении. Эти сведения тогда еще не были уточнены, систематизированы, но они дали толчок практике, а практика, в свою очередь, создала предпосылки для обобщения проверенных опытом знаний.
Преодоление зависимости от местных условий и возможность концентрации значительных мощностей всецело зависят от свойств источника энергии, удельной энергоемкости самого энергоносителя. Топливо как источник тепловой энергии имело по сравнению с другими известными в то время источниками самую высокую энергоемкость. Поэтому поиски нового двигателя неизбежно приводили к тепловому двигателю.
Таким образом, процесс перехода от гидроэнергетики к теплоэнергетике можно разделить на три этапа:
1) двигатель неотделим от исполнительного механизма (или рабочей машины);
2) двигатель конструктивно обособляется от рабочей машины - потребителя энергии, но еще не становится вполне самостоятельным;
3) двигатель становится универсальным.
