2. Паровая машина и ее роль в промышленной революции

Особенно остро встала проблема энергетики. До конца XVII – начала XVIII вв. общество не создало никаких новых двигателей, кроме конной тяги, водяного и ветряного колес. Вместе с возрастанием потребностей человека встал вопрос о двигателе, который бы не зависел от ветра и воды, а работал за счет нового вида энергии в любом месте и в любое время года. Таким двигателем стал тепловой (паровой), над созданием которого работали изобретатели в разных странах.

В 90-е гг. XVII в. французский физик и изобретатель Дени Папен построил паровой двигатель, который был несовершенным и имел низкий КПД. Однако заслугой изобретателя стало правильное описание термодинамического цикла.

Промышленная революция была сложным процессом, происходившим одновременно в различных отраслях промышленности. В горной промышленности одной из основных производственных проблем была откачка воды из шахт. В 1698 г. англичанин Томас Севери создал машину, использовавшую для этой цели силу пара.

В 1705 г. английский изобретатель, кузнец Томас Ньюкомен вместе с лудильщиком Дж. Коули создали пароатмосферную машину для откачки воды в шахтах, которая использовалась более 90 лет. Ее недостатками были низкий КПД и длительные промежутки рабочего хода поршня. В машине Ньюкомена находившийся в цилиндре пар конденсировался впрыскиванием воды. В нем создавалось разряжение, и поршень втягивался внутрь цилиндра под воздействием атмосферного давления. К 1770 г. в Англии работало уже около 200 машин Ньюкомена, однако они имели неравномерный ход, часто ломались и использовались только на шахтах. В разных странах делались попытки усовершенствовать эти машины.

В 1763 г. российский теплотехник Иван Иванович Ползунов разработал проект универсального теплового двигателя непрерывного действия, но осуществить его не смог. В 1765 г. он построил по другому проекту паротеплосиловую установку для заводских нужд. За неделю до пуска Ползунов умер. Машина проработала 43 дня и сломалась.

В 1763 г. к работе по усовершенствованию машины Ньюкомена приступил английский изобретатель Джеймс Уатт. В то время Уатт был лаборантом университета в Глазго и ему поручили отремонтировать сломавшуюся модель машины Ньюкомена. Разобравшись в недостатках модели, Уатт создал принципиально новую машину. Во-первых, поршень в машине Уатта двигало не атмосферное давление, а пар, впускавшийся из парового котла; во-вторых, после завершения хода поршня отработанный пар выводился в специальный конденсатор. В 1769 г. Уатт получил патент на конструкцию машины «прямого» действия. В 1774 – 1784 гг. Уатт изобрел и получил патент на паровую машину с цилиндром двойного действия, в которой применил центробежный регулятор, автоматически поддерживавший заданное число оборотов, передачу от штока цилиндра к балансиру с параллелограммом и др. Уатту удалось привлечь к делу крупного английского фабриканта Мэтью Болтона, который ради этой идеи поставил на карту все свое состояние. В 1775 г. на заводе Болтона в Бирмингеме было налажено производство паровых машин. Однако только через десять лет это производство стало давать ощутимую прибыль.

Специалисты утверждали, что идея Уатта не может быть практически реализована. При существовавшей в то время технике невозможно было обточить математически правильный паровой цилиндр. Массовое производство паровых машин было невозможно без точных токарных станков. Решающий шаг в этом направлении был сделан английским механиком Генри Модсли, который в 1797 г. создал токарно-винторезный станок с механизированным суппортом. С этого времени стало возможным изготовление деталей с допуском в доли миллиметра – это было начало современного машиностроения.

В первых двигателях Уатта давление в цилиндре лишь немного превышало атмосферное. В 1804 г. английский инженер А. Вулф запатентовал машину, работающую при давлении 3 – 4 атмосферы, повысив КПД более чем в 3 раза. Возникновение машин вызвало потребность в металле. Раньше чугун плавили на древесном угле, а лесов в Англии почти не осталось. В 1784 г. английский металлург Генри Корт изобрел способ производства чугуна на каменном угле. Добыча угля стала одной из основных отраслей промышленности.