Элен Черски - Физика и жизнь. Законы природы - от кухни до космоса

Мы выбрались из кабины машиниста и подошли к передней части паровоза. Возвышающийся над нами двигатель, полтонны угля, гигантский паровой котел и бригада обслуживающего персонала – вот что мы там увидели. Ремонтники колдовали над двумя цилиндрами с поршнями, каждый примерно 50 сантиметров в диаметре и длиной около 70 сантиметров. Именно здесь происходит самое главное – преобразование энергии пара в механическую энергию. Горячий пар, находящийся под высоким давлением, подается поочередно то в один, то в другой цилиндр. Атмосферное давление с одной стороны поршня, разумеется, неспособно уравновесить десять атмосфер, выдыхаемых драконом. Молекулы горячего пара, бомбардирующие поршень с другой стороны, толкают его вдоль цилиндра, пока в конце не будут выпущены в атмосферу с характерным звуком «чуф-ф-ф». Именно такие звуки вы слышите, когда к вам приближается паровоз: «чуф-чуф, чуф-чуф, чуф-чуф». Их издает выпускаемая в атмосферу порция водяного пара, после того как выполнит свою часть работы. Поршень приводит в движение колеса, а колеса цепляются за рельсы и тащат вагоны. Нам известно, что паровые двигатели потребляют огромное количество угля, но почти никто не вспоминает о количестве используемой ими воды. Пятьсот килограммов угля, которые нужно сжечь в топке паровоза, чтобы преодолеть 18 километров пути, служат для превращения 4500 литров воды в пар. Этот пар толкает поршень и выбрасывается в атмосферу, по одному «чуфу» за раз [6].

Наконец пришло время расстаться с паровозом и возвратиться в один из вагонов, в котором нам предстояло отправиться домой. Обратная дорога вызвала у нас другие чувства. Клубы пара, проносившиеся мимо окон вагона, вносили свой вклад в путешествие. Паровоз, кативший наш вагон по рельсам, уже казался нам не шумным и назойливым, а довольно тихим и мирным – особенно если принять во внимание происходящее внутри него. Было бы замечательно, если бы кто-нибудь создал действующую стеклянную копию паровоза, чтобы все желающие могли наблюдать его в работе.

Революция пара начала XIX века сводилась к использованию давления молекул газа, которое бы приводило в действие механизмы, необходимые человеку. Все, что для этого нужно, – поверхность, одну сторону которой молекулы газа бомбардируют сильнее, чем другую. Сила давления пара может поднять крышку кастрюли с супом или использоваться для транспортировки продуктов питания, топлива и людей на дальние расстояния. В любом случае базовые принципы остаются теми же. Сейчас паровые двигатели уже не применяются, но базовые принципы, положенные в их основу, по-прежнему имеют сферы приложения. С технической точки зрения, паровой двигатель представляет собой «двигатель внешнего сгорания», поскольку топка отделена от парового котла. В автомобильном двигателе сгорание топлива происходит в цилиндре: бензин сгорает рядом с поршнем, а само сгорание порождает горячий газ, толкающий поршень вдоль цилиндра. Такой двигатель называется двигателем внутреннего сгорания. Каждый раз, усаживаясь в автомобиль или автобус, помните, что вы перемещаетесь за счет давления, создаваемого молекулами газа.

Проводить эксперименты с давлением и объемом довольно легко, особенно если у вас есть бутылка с широким горлышком и сваренное вкрутую очищенное от скорлупы яйцо. Горлышко бутылки должно быть капельку шире яйца, чтобы яйцо, уложенное на него, не проваливалось внутрь. Возьмите кусок бумаги, подожгите его, опустите внутрь бутылки, дайте ему погореть несколько секунд, а затем положите яйцо на горлышко бутылки. Вскоре вы увидите, как яйцо слегка сожмется и провалится внутрь бутылки. Итак, как же его теперь достать? Есть несколько способов это сделать. Один из них – перевернуть бутылку вверх дном так, чтобы яйцо «уселось» в горлышко изнутри бутылки, а затем поднести бутылку под водопроводный кран с горячей водой. Через какое-то время яйцо выскочит из бутылки.

Секрет этого «фокуса» – в наличии фиксированной массы газа (в бутылке) и возможности регулировать разность давлений внутри бутылки и снаружи, где действует атмосферное давление. Если яйцо перекрывает горлышко бутылки снаружи, объем газа внутри бутылки будет фиксированным. При повышении температуры внутри бутылки давление в ней тоже повышается и горячий воздух начинает проникать наружу, просачиваясь вдоль боков яйца (если вы уложили его сверху на горлышко). Когда яйцо снова охладится, давление внутри бутылки снизится (так как объем воздуха остается фиксированным) и яйцо провалится внутрь, поскольку давление снаружи теперь выше, чем внутри бутылки. Вы можете заставить яйцо проваливаться в бутылку и вываливаться из нее, просто нагревая и охлаждая воздух в бутылке с фиксированным объемом.