Научные предпосылки возникновения теплоэнергетики

Очевидно, что поиски нового источника энергии требо­вали известных познаний закономерностей природы, без которых нельзя привлекать ее на службу обществу. В этом отношении особое значение имели открытие и изучение атмосферного давления.

Практика эксплуатации водоподъемных установок, вы­яснившая невозможность всасывания воды свыше некото­рой определенной высоты, нанесла серьезный удар лже­научному утверждению схоластов, что «природа боится пустоты». Это утверждение было окончательно опровергну­то в 1643 г. в результате опытов итальянского учено­го Э. Торричелли, установившего величину атмосферного давления.

Эффектные опыты Отто фон Герике, проведенные в Магдебурге в 1672 г, когда восьмерка лошадей была не в состоянии разъединить медные полушария шара, 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 усилий, приходящихся на 1 см² ветровых или водяных колес, 1 кг на 1 см² являлся «громадной силой». «Сила» эта имеется везде и, следова­тельно, обещала освобождение энергетики от локальной зависимости. Величина усилия удовлетворяла любой по­требности человека, который, увеличивая рабочую поверх­ность атмосферного двигателя, мог получать усилия, не_: достижимые в то время другими способами. Задача со­стояла только в создании вакуума или избыточного дав­ления для образования разности энергетических потенциа­лов давления, дающей возможность получать работу. Для создания разности энергетических потенциалов требовалась затрата энергии. Можно получать вакуум так, как это делалось в опытах Герике, т. е. приводить в движение отсасывающий насос. Для производственных целей это неприемлемо, так как потребление энергии воздушным на­сосом равно энергии, получаемой от двигателя. Нужен был другой источник энергии, позволявший получить ва­куум без затраты механической работы.

Тепловое расширение твердых тел было уже давно из­вестно людям. В XVII в. было обнаружено тепловое рас­ширение жидких тел и газов. Изменение объема жидких тел при изменении температуры было использовано для изготовления первых жидкостных термометров, хотя строители этих термометров еще не отдавали себе отчета в том, что измеряют построенные ими приборы. Тепловое расширение газов демонстрировалось при помощи бычьего пузыря с воздухом, который нагревали у камина и охлаждали на холодном полу комнаты.

Наконец, третьей предпосылкой возможности осущест­вления теплового двигателя, предпосылкой громадной важ­ности являлось изучение свойств водяного пара.

Практическая деятельность людей еще до нашей эры указала на упругость водяного пара, получаемого путем кипячения воды в закрытом объеме. Еще Архимеда занимала идея построения паровой пушки. В середине ХVI в. в работах Кардана отмечается способность пара конденсироваться. Правда, знания о свойствах водяного пара не отличались точностью. Многие ученые еще в XVIII в. считали пар воздухом, выделяющимся из воды при ее нагревании.

Поиски новой энергии, способной преодолеть ограниченность гидроэнергетики водяного колеса, могли быть, следовательно, направлены по пути использования силы атмо­сферы, «упругой силы воздуха» или «упругой силы водяного пара». Оче­видно, что все эти пути, казавшиеся различными, могли быть успешно реализованы только при обращении к использованию тепловой энергии или, как в то время стали говорить, «движущей силы огня».

Знания в области теории тепла в то время были весьма поверхностными. Термодинамика как наука о взаимопревращениях тепловой и механической энергий начала складываться только с середины XIX в. Становление тепло- энергетики базировалось на познании ряда закономерностей, объективно существующих в при­роде: атмосферное давление; расширение газов от нагре­вания; упругость водяного пара, получаемого путем кипя­чения воды; конденсация пара при его охлаждении. Эти сведения тогда еще не были уточнены, не были системати­зированы и не сложились в целостную теорию.

но накопленных к тому времени зна­ний было достаточно для изобретательской деятельности, направленной на разрешение задачи о водоподъеме.