«Детская книга науки»

Из других экспериментов следует, что проводимость воздуха по отношению к проводимости торричеллиевой пустоты при описанных обстоятельствах составляет примерно 1000 к 702, поскольку при равных количествах передаваемого тепла интенсивность передачи обратно пропорциональна времени. Согласно другим данным, проводимость воздуха относится к проводимости торричеллиевой пустоты как 1000 к 603.

Поэтому весьма интересно обнаружить, что внимание экспериментаторов было рано направлено на тот факт, что тепло не зависит от воздуха и проходит сквозь пространство либо в виде тепловых волн, либо в виде молекул тепла. Скорость, с которой тепло движется через вакуум, очень велика, и в эксперименте, проведенном М. Пикте, не было замечено никакого ощутимого интервала времени между моментом, когда теплород покинул нагретое тело, и моментом его получения термометром на расстоянии шестидесяти девяти футов. Также, судя по экспериментам того же ученого, тепло выбрасывается или излучается во всех направлениях и не отклоняется (как показано на стр. 369) никаким сильным поперечным потоком воздуха. Сэр Гемфри Дэви зажег угольные электроды, соединенные с батареей в вакууме, позаботившись о том, чтобы поместить их в верхней части сосуда, а вогнутое зеркало с чувствительным термометром в фокусе — в нижней части сосуда, установленного на тарелке воздушного насоса. Эффект излучения был определен сначала, когда приемник был полон воздуха, а затем, когда он был откачан до 1/120 (т. е. 199 частей откачано, оставив в приемнике лишь одну часть воздуха). В последнем случае эффект излучения оказался в три раза сильнее, чем в атмосфере обычной плотности. Более сильный подъем температуры термометра в вакууме по сравнению с воздухом следует приписать проводящей способности последнего; ибо эта проводящая способность, снижая температуру нагретого тела, имеет постоянную тенденцию уменьшать интенсивность излучения, которая всегда пропорциональна превышению температуры нагретого тела над температурой окружающей среды. (Рис. 376.)

Fig. 376.

Воздушный насос и приемник, содержащий в точке a электрический свет в фокусе вогнутого зеркала, а в точке b — чувствительный термометр, также находящийся в фокусе вогнутого зеркала.

Эксперименты графа Румфорда с торричеллиевой пустотой дают соотношение пять к трем для количеств тепла, теряемых в вакууме и в воздухе вследствие излучения, а также теплопроводности или диффузии. Пожалуй, не будет большим отступлением от истины утверждение, что половина тепла, теряемого нагретым телом, уходит путем излучения, а остальное уносится конвективной силой воздушных потоков.

Fig. 377.

Термометр земного излучения Негретти и Замбры. Резервуар этого прибора прозрачен, а деления выгравированы на стеклянном стержне. При использовании его помещают так, чтобы резервуар был полностью открыт небу, он лежит на траве, а стержень поддерживается маленькими деревянными рогатками и защищен от ветра.

Если бы процесс излучения не происходил постоянно, легко представить, что температура нашего земного шара стала бы настолько высокой из-за регулярного притока тепла от солнечных лучей, что растительность была бы выжжена и уничтожена, и, следовательно, все животные и человеческий род должны были бы вымереть. Лучшее время для наблюдения за излучением тепла от земли — ночь после жаркого летнего дня. Если небо ясное, можно заметить (с помощью термометра), что земля на несколько градусов холоднее, чем воздух в нескольких футах над ней. (Рис. 377.) Именно эта пониженная температура вызывает выпадение росы и образование земного облака, которое настолько напоминает водную гладь, что его иногда принимали за наводнение, случившееся накануне ночью. Г-н Люк Говард назвал это облако, являющееся низшей формой этих небесных покровов, «Stratus» (слоистое облако), или вечерний туман; но когда оно становится постоянным и увеличивается в глубину настолько, что поднимается над нашими головами, его называют утренним туманом, столь своеобразно приятным в Лондоне, когда он смешивается с черным дымом, образуя тонкий красновато-желтый охристый туман. Если поместить термометр, показывающий обычную температуру воздуха, в оболочку из хорошего излучающего материала, например, хлопковых волокон, в фокус вогнутого зеркала и повернуть это устройство к ясному вечернему небу, можно заметить, что температура падает на несколько градусов. Хорошими излучателями тепла являются черные и шероховатые поверхности, хлопковые волокна, трава, ветки, сучья и некоторые листья, особенно те, что имеют шероховатую поверхность.

Плохими излучателями тепла являются яркие и полированные металлические поверхности, белая шерстяная ткань или фланель, твердые и плотные вещества, такие как гравийная дорожка и камень, или листья с полированной поверхностью, например, обычный лавр. Именно замерзшая роса и туман создают прекрасный эффект инея и сосулек на деревьях и кустарниках, первопричиной чего является излучение тепла различными объектами на поверхности земли, а также самой землей. Когда дует сильный ветер, роса не выпадает, так как необходимо, чтобы воздух был спокойным, чтобы воспринять охлаждающее воздействие холодной земли и осадить влагу, которую он удерживает в растворенном виде в качестве невидимого пара. Когда дует ветер, он перемешивает все части воздуха и предотвращает ту разницу температур, которая вызывает выпадение росы. Отсюда вечерний туман чаще наблюдается в низинах долин, окруженных холмами и защищенных от ветров, которые могут дуть с любой стороны. Постоянное присутствие влаги в воздухе хорошо демонстрируется конденсацией воды на внешней стороне стакана с холодной родниковой водой или, особенно, на внешней стороне кувшина с ледяной водой. Невидимый пар всегда готов омыть нежные растения росой, которые в противном случае погибли бы и сгорели в течение жаркого лета, если бы не излучали тепло ночью и тем самым не конденсировали воду на себе. Таким образом, наличие водяного пара в воздухе становится делом большой важности, отсюда и создание гигрометров, или измерителей влажности воздуха.

Конденсационный гигрометр Реньо состоит из трубки, изготовленной из серебра, очень тонкой и идеально отполированной; трубка шире с одного конца, чем с другого, причем большая часть имеет глубину 1,8 дюйма и диаметр 8/10 дюйма. Она плотно пригнана к латунному штативу с телескопическим устройством для регулировки при проведении наблюдений. Трубка имеет небольшую боковую трубку, к которой прикреплена каучуковая трубка с мундштуком из слоновой кости; эта трубка входит под прямым углом вблизи верха и проходит до дна самой большой части. Чувствительный термометр вставляется через пробку или каучуковую шайбу в открытый конец трубки, резервуар которого опускается в центр ее самой большой части. Также прилагается термометр для измерения температуры воздуха и бутыль для эфира.

Для использования конденсационного гигрометра в серебряную трубку наливают достаточное количество серного эфира, чтобы покрыть резервуар термометра. Если позволить воздуху проходить пузырек за пузырьком через эфир, вдыхая его в трубку, будет достигнута равномерная температура; если продолжать взбалтывать эфир, энергично вдыхая через трубку, результатом станет быстрое снижение температуры. В тот момент, когда эфир охладится до температуры точки росы, внешняя поверхность той части серебряной трубки, которая содержит эфир, покроется налетом влаги, и показание термометра в этот момент будет температурой точки росы.

Самая простая форма гигрометра была когда-то очень популярным индикатором состояния погоды и обычно состояла из фигурки монаха с капюшоном, прикрепленной к кусочку кошачьей кишки; это бумажное покрытие, раскрашенное под капюшон, опускается на голову при приближении сырой погоды и сильно отклоняется назад в периоды, когда воздух сухой или содержит меньше влаги; и, несмотря на свою простоту, этот гигрометр в сочетании с показаниями барометра может помочь главе семейства решить судьбу любимого чепчика или бархатной мантии, стоит или не стоит их надевать в сомнительный день. (Рис. 378.)

Fig. 378.

Монашеский гигроскоп, в котором капюшон a b закрывает голову до пунктирной линии c в сырую погоду и принимает различные промежуточные положения, будучи полностью откинутым назад на плечи в сухом состоянии воздуха. Обычно прилагается термометр d.

Решение о возможных изменениях погоды требует значительного опыта, и говорят, что один из самых знаменитых маршалов Франции был обязан своим неизменным успехом в военных комбинациях и атаках вниманием к признакам погоды, на которые указывало состояние воздуха во время фаз луны. Неопытные люди (под чем мы подразумеваем молодых людей) могут, однако, занять определенное положение в рядах «предсказателей погоды», проконсультировавшись с флюгером, барометром и гигрометром, прежде чем высказывать свое мнение, если их спросят, какой будет погода.

Гигрометр с сухим и влажным термометром (как показано на следующей гравюре) состоит из двух параллельных термометров, максимально идентичных, установленных на деревянном кронштейне, один из которых помечен как «сухой», другой — «влажный». Резервуар влажного термометра покрыт тонким муслином, вокруг шейки которого обернута проводящая нить из фитиля или обычной хлопчатобумажной нити для штопки; она опускается в сосуд с водой, расположенный на таком расстоянии, чтобы длина проводящей нити составляла около трех дюймов; чашка или стакан помещаются сбоку и немного ниже, чтобы вода внутри не влияла на показания сухого термометра. При наблюдении глаз должен находиться на уровне верха ртути в трубке, и наблюдатель должен воздерживаться от дыхания во время снятия показаний. Температура воздуха и испарения дается показаниями двух термометров, из которых можно рассчитать точку росы, для чего к прибору прилагаются таблицы. (Рис. 379.)

Fig. 379.

Гигрометр с сухим и влажным термометром.

Цвет неба в определенное время дает превосходное руководство сомневающимся участникам пикников или других выездных мероприятий. Не только розовый закат предвещает хорошую погоду, а красный восход — плохую, но есть и другие оттенки, которые говорят с такой же ясностью и точностью. Ярко-желтое небо вечером указывает на ветер; бледно-желтое — на сырость; нейтральный серый цвет является благоприятным знаком вечером и неблагоприятным утром. Облака, опять же, сами по себе полны смысла. Если их формы мягкие, неопределенные и перистые, погода будет хорошей; если их края жесткие, резкие и четкие — плохой. Вообще говоря, любые глубокие, необычные оттенки предвещают ветер или дождь, в то время как более спокойные и нежные тона сулят хорошую погоду.

Принцип излучения тепла используется туземцами в окрестностях Калькутты для получения небольших количеств льда. В этом климате термометр в самые холодные ночи не показывает температуру ниже примерно 40° по Фаренгейту. Однако небо совершенно безоблачно, и поскольку тепло с большой скоростью излучается с поверхности земли, туземцы изобретательно помещают очень мелкие глиняные поддоны на солому, которая является плохим проводником тепла и, следовательно, изолирует поддоны от контакта с выжженной землей. Через несколько часов вода в поддонах покрывается тонким слоем льда, и нет сомнений в том, что он образуется в результате абсолютной потери тепла путем излучения, поскольку этот способ не работает в ветреную ночь и лучше всего удается, даже если поддоны утоплены в траншеи, вырытые в земле. Ветреная ночь предотвращает ту разницу температур между одной частью поверхности земли и другой, которая так важна для устойчивой и равномерной потери тепла, так как очевидно, что постоянное смешивание более теплых порций воздуха с более холодными препятствует достижению желаемой низкой температуры.

То, как наблюдается излучение тепла, подсказало другую теорию пытливому уму философских наблюдателей, и было высказано предположение, что теплопроводность может быть не чем иным, как излучением от одной частицы материи к другой, как, например, через медный стержень, в котором частицы, хотя и упакованы плотно, как предполагается, не находятся в фактическом контакте, так что можно представить, как каждый отдельный атом меди получает и излучает свое тепло соседней частице, и так далее по всей длине и ширине металла. Согласно этой теории, излучение тепла через вакуум приводится в тесную связь с излучением тепла через воздух и другие твердые и жидкие тела.

Некоторые из наиболее интересных явлений тепла были открыты Лесли, который весьма убедительно доказал, что скорость, с которой тело остывает, зависит (подобно отражению света) больше от состояния поверхности, чем от природы материала, из которого эта поверхность состоит. При использовании шарообразного и блестящего оловянного сосуда было замечено, что воде определенной температуры, содержащейся в нем, требовалось 156 минут для остывания; но когда этот сосуд был покрыт тонким слоем сажи и клея, вода остыла до той же степени, что и в первом эксперименте, за восемьдесят одну минуту.

С помощью очень тщательных наблюдений, проведенных с помощью дифференциального воздушного термометра, Лесли определил, что способность излучать тепло у различных веществ была следующей:

Lamp-black100 Writing paper98 Sealing wax95 Crown glass90 Plumbago75 Tarnished lead45 Clean lead19 Iron, polished15 Tin plate, gold, silver, copper12

Как и при отражении света, было замечено, что кусок древесного угля, покрытый сусальным золотом, приобретает свойства драгоценного металла в том, что касается его способности отражать или рассеивать световые лучи, так и кусок стекла, покрытый сусальным золотом, по-видимому, обладает той же способностью излучать тепло, что и любой блестящий металл.

Лучистое тепло, подобно свету, может распространяться через большое разнообразие веществ, но задерживается большинством из них; оно может отражаться, преломляться, поляризоваться, поглощаться или подвергаться вторичному излучению.

Интенсивность лучистого тепла подчиняется тому же закону, что и свет, и уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. Тот же закон, который управляет отражением света, преобладает и в отношении тепла; и экспериментально можно обнаружить, что угол падения равен углу отражения, так что тепло распределяется таким же образом, как и свет, когда он падает на яркие полированные плоскости, выпуклые и вогнутые поверхности; отсюда использование блестящих оловянных экранов для мяса и голландских печей, а также всех тех простых кухонных принадлежностей, которые используются на кухне для того, чтобы задерживать холодные потоки воздуха, направленные к горящему веществу, а также для отражения тепла на любые продукты, готовящиеся перед огнем. Блестящий серебряный чайник сохраняет тепло лучше, чем грязный, и этот факт очень легко определяется путем наливания кипятка в два чайника, один из которых сделан из блестящего олова, а другой — из черного лакированного олова. Термометр, вставленный в каждый сосуд, вскоре покажет, что последний излучает, а следовательно, теряет тепло быстрее, чем первый; относительная излучательная способность блестящего и черненого олова составляет 15 к 100. Трубы для подачи горячей воды или пара по возможности должны оставаться блестящими, хотя этого хлопотного дела обычно избегают, упаковывая их в плохие проводники тепла, в то время как полировка цилиндра паровой машины имеет большое значение как средство экономии тепла.

Когда палец приближают на дюйм или около того к раскаленному докрасна шару, тепло, излучаемое последним, настолько интенсивно, что его невозможно удерживать там более нескольких секунд. Если, однако, палец покрыть сусальным золотом, его можно держать рядом с железным шаром довольно долго, потому что лучистое тепло отражается от поверхности золота. Если слово «тепло» написать на листе бумаги, а затем позолотить буквы, вся белая поверхность быстро поджаривается и обугливается, если ее держать перед огнем, в то время как поверхность бумаги под сусальным золотом остается совершенно белой, что можно проверить, перевернув бумагу и осмотрев другую сторону. Лист бумаги, позолоченный изнутри и свернутый в конус, оставленный открытым с обоих концов, можно использовать в качестве отражающей поверхности; и если кусочек фосфора, помещенный на бумагу, держать, скажем, на расстоянии двух футов от раскаленного докрасна шара диаметром около двух дюймов, лучистого тепла от последнего недостаточно, чтобы быстро его поджечь; если же между ними использовать конус из позолоченной бумаги и поместить фосфор в фокус лучей лучистого тепла, он очень быстро загорается. (Рис. 380.)

Fig. 380.

a b. Конус из бумаги, позолоченный изнутри. c. Раскаленный докрасна шар. d. Подставка с деревом, поддерживающая кусочек фосфора, который помещается в фокус лучей тепла, отраженных через конус.

Д-р Баш экспериментально определил, что излучение тепла телом не зависит от цвета, поэтому зимой вся цветная одежда в этом отношении одинакова и излучает тепло без какой-либо заметной разницы. Способность поглощать тепло, однако, сильно зависит от цвета; и, как общее правило, хорошие излучатели тепла (такие как черная ткань или, по сути, любая поверхность, покрытая сажей) также являются отличными поглотителями тепла. Д-р Гук и д-р Франклин поместили куски ткани одинаковой текстуры и размера на снег, позволив солнечным лучам падать на них равномерно. Темный образец всегда поглощал больше тепла, чем светлые, и снег под ними таял сильнее, чем под другими; и оба они отметили, что эффект был почти пропорционален глубине оттенка, в следующем порядке: после черного максимальной поглощающей способностью обладали: во-первых, синий; во-вторых, зеленый; в-третьих, фиолетовый; в-четвертых, красный; в-пятых, желтый. Минимальная поглощающая способность наблюдалась у белого.

Когда лучистому теплу позволяют проходить сквозь стекло, обнаруживается, что последнее вещество не является прозрачным для тепловых лучей так, как для световых, но значительная часть тепла задерживается и останавливается; следовательно, стеклянные каминные экраны можно найти в особняках богатых людей, потому что они задерживают тепло, но не исключают радостный свет и пламя очага.

Исследования Меллони о природе тепловых лучей, а также о средах, которые на них влияют, потребовали бы и заслуживают отдельной главы; нехватка места, однако, вынуждает нас опустить рассмотрение термоэлектричества и утонченных и прекрасных экспериментов Меллони, чьи труды являются образцом для подражания всех оригинальных искателей истины.

ГЛАВА XXVIII.

ПАРАВАЯ МАШИНА.

Fig. 381.

Паровой омнибус Хэнкока, который ходил по обычным дорогам.

Для тех, кто читает популярные работы по науке, должно быть очевидно, что они обладают, во всяком случае, одним полезным свойством — а именно, они указывают на различные предметы, которые можно выбрать в науке для специального, глубокого и исчерпывающего изучения. Тема пара и паровой машины не является той, которую можно было бы полностью осветить в узких рамках, отведенных в этом томе, но можно сказать достаточно, чтобы дать некоторое наставление и передать общие принципы, в то время как детальные подробности лучше изучать и узнавать в работах Борна, Рэнкина и других авторов, которые посвящают себя специально важному коммерческому вопросу пара.

Первая истина, которую нужно понять, заключается в том, что вся материя содержит в своем составе способность создавать тепло — или, выражаясь проще, твердые тела, жидкости и газы содержат то, что называется скрытым или нечувствительным теплом, в отличие от тепла, которое ощутимо, когда мы касаемся сосуда с теплой водой или приближаемся к веселому огню; последнее называется явным теплом и составляло предмет предыдущих глав.

Если холодный гвоздь от подковы приложить к тонкому сухому кусочку фосфора, лежащему на листе бумаги, горения фосфора не происходит, потому что температура железа недостаточно высока, чтобы воздействовать на это горючее вещество; но если гвоздь от подковы энергично ковать на наковальне, частицы металла сближаются, и если его приложить к фосфору, то выделится, будет вытеснено или выжато столько тепла в результате ковки или конденсации железа, что он теперь достаточно теплый, чтобы поджечь его.

Обратное или антитеза этому эксперименту — а именно, получение холода — было бы показано, если бы можно было внезапно расширить массу металла, и это можно осуществить, сначала расплавив вместе

207parts by weight oflead. 118 " "tin. 284 " "bismuth.

Когда эти металлы находятся в жидком состоянии и идеально перемешаны, их выливают с достаточной высоты в ведро с холодной водой с целью грануляции или разделения их на мелкие фрагменты.

Если гранулированный составной металл теперь смешать с 1617 частями по весу ртути, он внезапно разжижается и расширяется: разжижение — это обратный процесс затвердевания, и поэтому холод производится из естественного тепла составных металлов, которое становится скрытым при переходе из твердого в жидкое состояние; так что небольшое количество воды, помещенное в стеклянную трубку и окруженное металлами во время их разжижения в ртути, быстро превращается в лед, причем падение температуры, как показывает термометр, происходит с 60° по Фаренгейту до 14°, что на 18° ниже точки замерзания воды. В первом случае, при ковке железа, скрытое тепло становится явным; в то время как во втором случае, при разжижении составного металла в ртути, явное тепло становится скрытым. Тепло, становящееся скрытым при плавлении различных веществ, не является постоянной величиной, а варьируется для каждого конкретного тела, и доктора Ирвин доказали этот факт следующими экспериментами:

Heat of fluidity.Ditto, reduced to the specific

heat of water. Sulphur143.68°Fahr.27.14 Spermaceti145 "— Lead163 "5.6 Bees'-wax175 "— Zinc493 "48.3. Tin500 "33. Bismuth550 "23.25

Каждое из этих веществ требует больше тепла для перехода в жидкое состояние, чем лед, для которого достаточно 140° тепла, или которое становится скрытым во время его превращения в воду.

При чеканке на Монетном дворе холодные заготовки из золота, серебра или меди нагреваются сразу же после того, как они подверглись сильному и внезапному давлению чеканочного пресса, и их необходимо снова нагреть или отжечь, чтобы восстановить равновесие тепла, нарушенное сильным ударом, иначе они останутся твердыми и непригодными для завершающего процесса гурчения.

Конденсация воды, когда она принимает меньший объем при соединении с серной кислотой, легко доказывается путем измерения пинты воды и пинты кислоты и их смешивания, когда можно заметить очень большое повышение температуры; и если поместить в смесь холодную медную проволоку, которая ранее не могла воспламенить фосфор, она становится очень горячей, и при извлечении и протирании она заставит фосфор загореться, как только коснется этого вещества. Когда смесь серной кислоты и воды измеряется после того, как она остыла, она больше не имеет объема в две пинты, а обнаруживается, что она потеряла объем, равный одной или нескольким унциям по мере. Тепло, выделяемое смесью четырех частей концентрированной серной кислоты и одной части воды, по термометру составляет 300° по Фаренгейту, и этот способ получения тепла использовался аэронавтами для получения искусственного тепла без опасности воспламенения газа в воздушном шаре.

Fig. 382.

Аэронавты в корзине греют руки о бутыль, содержащую серную кислоту и воду.

При смешивании спирта и воды происходит изменение плотности и выделяется тепло; и если смешать равные объемы спирта с удельным весом 0,825 и воды, каждый при 50° по Фаренгейту, получается температура 70° по Фаренгейту; если смесь производится в стеклянном сосуде, как показано на прилагаемом рисунке, соединение очень заметно. Чтобы правильно выполнить эксперимент, воду наливают в нижнюю трубку и резервуар, а спирт — в верхнюю; когда это сделано, вставляется пробка, и все тщательно встряхивается и перемешивается; тепло, которое таким образом получается, ощущается рукой, в то время как сжатие заметно после того, как смесь остынет, так как она больше не заполняет два резервуара прибора. (Рис. 383.)

Fig. 383.

Стеклянные резервуары и трубка для демонстрации уменьшения объема смеси спирта и воды.

Скрытое тепло газов легко показать, внезапно сжимая воздух в небольшом шприце или насосе, поршень которого содержит крошечный фрагмент трута (вид гриба, Polyporus igniarius; это, согласно Симмондсу, после того, как его отбили молотком и окунули в раствор селитры, образует коммерческий трут или немецкий трут; он также используется как кровоостанавливающее средство и для изготовления ремней для правки бритв), который загорается, и до изобретения вестовых и других спичек курильщики табака имели обыкновение получать огонь для своих трубок и сигар таким образом — а именно, с помощью скрытого тепла, полученного от сжатия воздуха. Затем, опять же, поучительная, хотя и противоположная параллель обеспечивается внезапным расширением или разрежением воздуха в стеклянном приемнике, снабженном чувствительным термометром. При откачивании части воздуха происходит значительное уменьшение температуры, равное нескольким градусам термометра. Каждый ребенок знает, что пар прямо из чайника может обжечь, но если он выходит из котла высокого давления, скажем, при пятнадцати фунтах на квадратный дюйм, руку можно безнаказанно держать в выходящем паре, так как он кажется лишь слегка теплым, а не обжигающим. Это отчасти объясняется потерей тепла, ставшего скрытым из-за расширения пара высокого давления, как только он попадает в воздух, и отчасти потоками воздуха, которые затягиваются в выходящую струю пара. Эта тенденция воздуха устремляться в струю пара была открыта Фарадеем и объясняет те любопытные эксперименты со струей пара, с помощью которых шары, пустые колбы и шарообразные сосуды удерживаются и поддерживаются либо перпендикулярно, либо горизонтально.

Если позволить пару под давлением около шестидесяти фунтов на дюйм выходить из соответствующего сопла и подержать над ним большой зажженный круговой факел, состоящий из пакли, смоченной в скипидаре, направление внешнего воздуха будет показано направлением пламени, которое принудительно втягивается и вдувается в струю пара с ревущим шумом, указывающим на скорость потока воздуха, движущегося к струе пара. (Рис. 384.)

Fig. 384.

a. Сопло, выпускающее пар высокого давления. b b. Зажженный факел, удерживаемый вокруг выходящего пара; пламя от первого устремляется во второе.

Яичная скорлупа, пустые колбы, каучуковые или легкие медные и латунные шары подвешиваются самым удивительным образом внутри выходящей струи пара высокого давления; и до объяснения Фарадея были исписаны горы бумаги в обсуждении возможной теории для объяснения этого эффекта; и что делало объяснение еще более трудным, так это тот факт, что струя пара могла быть наклонена под любым углом между горизонтальным и перпендикулярным, и все равно прочно удерживала шар, яичную скорлупу или другую сферическую фигуру в своем парообразном захвате. (Рис. 385.)

Fig. 385.

a. Шаровое сопло под углом, выпускающее пар. Яичная скорлупа поддерживается огромным потоком воздуха, движущимся в струю в направлении стрелок.

Вследствие сильного притока воздуха к струе выходящего пара высокого давления г-н Голдсмит Герни запатентовал применение этого принципа в своем вентиляционном паровом сопле, которое он уже успешно применил; в одном случае, в частности, когда угольная шахта горела в течение нескольких лет и вся работа угольных пластов в шахте была поставлена под угрозу из-за распространения горения на новые выработки; пожар был сначала потушен углекислым газом, втянутым, так сказать, в угольную шахту струей пара, дующей в нисходящую выработку, но соединенной с печью горящего кокса; и циркуляция углекислого газа, называемого «удушливым газом», через выработки шахты дополнительно поддерживалась струей пара высокого давления, дующей вверх и помещенной над устьем восходящего ствола.

Эксперимент прошел идеально на угольной шахте Саут-Сочи, недалеко от Аллоа, примерно в семи милях от Стерлинга, где пожар бушевал около тридцати лет на площади двадцать шесть акров в выработанном угольном пласте толщиной девять футов. (Рис. 386.)

Fig. 386.

Паровое сопло Герни. a. Печь. b. Бак для воды. c. Нисходящая перемычка. d. Восходящая перемычка. e e e. Паровые сопла. f f. Галереи от ствола к стволу.

Для общей цели вентиляции угольной шахты план г-на Герни был опробован на угольной шахте Эббу-Вейл, причем очень экономично, использовался только отработанный пар. Эксперименты также были удовлетворительно проведены с ним для раздувания вагранки для выплавки железа, и с сухим паром — т. е. паром очень высокого давления — выходящим через теплую трубку, результаты были совершенно успешными.

С этим отступлением от темы скрытого тепла, полученного от сжатия воздуха, мы возвращаемся к теме с другим примером, предоставленным Фонтаном Герона, как его называют, в Шемнице, в Венгрии, описанным профессором Бранде; и можно заметить, что все описанные явления применимы к большому давлению воды из водонапорных башен в Хрустальном дворце, если они оснащены аналогичным воздушным резервуаром.

«Частью оборудования для работы этих шахт является перпендикулярная колонна воды высотой 260 футов (водонапорные башни Хрустального дворца имеют высоту по 284 фута каждая), которая давит на количество воздуха, заключенное в герметичном резервуаре; воздух, следовательно, сжимается до огромной степени этой высотой воды, что равно от восьми до девяти атмосфер; и когда труба, сообщающаяся с этим резервуаром сжатого воздуха, внезапно открывается, он вырывается с чрезвычайной скоростью, мгновенно расширяется и при этом поглощает столько тепла, что осаждает содержащуюся в нем влагу в виде ливня снега, который легко можно собрать на шляпу, удерживаемую в потоке. Сила этого такова, что рабочий, держащий шляпу, вынужден упереться спиной в стену, чтобы удержать ее в нужном положении».

Лучшие примеры скрытого тепла дают лед, вода и пар, и мы обязаны главным образом д-ру Блэку элегантными и убедительными экспериментами, демонстрирующими важные истины, связанные со скрытым теплом этих трех состояний материи. Когда различные твердые тела нагреваются, они часто проходят через определенные промежуточные состояния мягкости, заканчивающиеся полной текучестью; но лед и многие другие тела при приложении достаточного количества тепла сразу переходят в жидкое состояние. Процесс таяния льда очень медленный, потому что каждая часть должна поглотить или сделать скрытым определенное количество тепла, прежде чем она сможет принять жидкое состояние — отсюда трудность таяния глыб льда, когда они окружены непроводящими материалами; и этим фактом автор предложил воспользоваться для поддержания прохлады воды, которая должна поставляться к икре лосося при ее перевозке для зарыбления рек Австралии.

Чтобы доказать, что тепло становится скрытым при разжижении льда, достаточно взвесить фунт мелко измельченного льда и фунт воды при 212° по Фаренгейту (кипящая вода) и смешать их вместе; когда весь лед растает, результирующая температура составит всего 52°, следовательно, кипящая вода потеряла 160° температуры, из которых 20° можно объяснить, поскольку результирующая температура растаявшего льда составляет 52°; но при разжижении фунта льда 140° исчезли или стали скрытыми, или, как назвал это д-р Блэк, стали «связанными».

1 фунт льда при 32° + 20° = 52°, результирующая температура. 1 фунт воды при 212° - 52° = 160° - 20° = 140°, ставших скрытыми.

140° представляют собой результат, полученный из бесчисленных экспериментов, проведенных путем смешивания равных частей льда и кипящей воды, и именно это большое количество скрытого тепла, требуемое льдом и снегом, предотвращает их внезапное разжижение и катастрофические обстоятельства, которые в противном случае всегда вызывались бы наводнениями.

Чтобы поставить этот факт вне всяких сомнений, целесообразно смешать равные веса воды при 32° и кипящей воды при 212°, и результат, как показывает термометр, будет средним между ними, потому что половина суммы крайних значений всегда равна среднему; и если сложить две температуры и разделить на два, результатом будет температура 122°, как показано ниже:

1 фунт ледяной воды при 32° + 1 фунт воды при 212° = 244° ÷ 2 = 122°.

Из подобных экспериментов д-р Блэк вывел важную истину: «что во всех случаях разжижения количество тепла, не указываемое термометром или не ощущаемое им, поглощается или исчезает, и что это тепло изымается из окружающих тел, оставляя их сравнительно холодными». На стр. 79 показано, как внезапное растворение или разжижение определенных солей вызывает холод, и поэтому были разработаны многочисленные охлаждающие смеси. В старые времена, когда официальные лица, облеченные властью, делали что хотели, не будучи обеспокоенными неприятными отчетами, а полковники одевали своих людей и были купцами-портными в грандиозном масштабе, оружейные патроны не ограничивались практикой на враге, но часто выполняли обязанности в отсутствие льда в качестве холодильников для вина офицеров, поскольку порох содержал селитру; так как простой раствор этой соли, мелко измельченной, понизит температуру воды с 50° по Фаренгейту до 35°; в то время как смесь четырех унций карбоната соды и четырех унций нитрата аммония, растворенных в четырех унциях воды при 60°, за три часа заморозит десять унций воды в металлическом сосуде, погруженном в смесь во время разжижения или растворения солей.

Фаренгейт вообразил, что достиг самой низкой возможной температуры, смешав лед и соль, и именно этим способом кондитеры обычно замораживают свои мороженые или ледяные пудинги; ингредиенты сначала соединяются, помещаются в металлические сосуды или формы, окружаются льдом и солью, уложенными чередующимися слоями, а затем хорошо перемешиваются палкой, и вскоре они затвердевают в формы, которые столь приятны и так часто подаются к столам богатых людей. Полученная температура — это ноль Фаренгейта, т. е. тридцать два градуса ниже точки замерзания воды. Согласно очень мудрому полицейскому предписанию, соблюдаемому в Лондоне, все домовладельцы обязаны подметать или убирать снег с тротуара перед своими домами, и это часто делается с помощью соли; если несчастный нищий без обуви пройдет мимо, пока происходит внезапное разжижение, воздействие на подошвы его ног явно очень неприятное, и скорость, с которой он удаляется от нуля, дает термометрическую иллюстрацию самого живого описания.

Тепло — причина пара.

Каждая жидкость при одинаковой степени химической чистоты и при равных условиях атмосферного давления имеет одну характерную точку температуры, при которой она неизменно кипит. Так, эфир кипит при 96° по Фаренгейту, и если немного этой легковоспламеняющейся жидкости осторожно поместить в колбу, налив ее через воронку, и поднести пламя на расстояние одного дюйма от отверстия, никакой пар, который мог бы загореться, не выходит; но если поднести пламя спиртовой лампы, эфир вскоре закипает, и если зажженную лучину снова поднести к горлышку колбы, пар загорается и образует пламя длиной около двух футов. Этот огонь продолжается только до тех пор, пока пламя спиртовой лампы удерживается у дна колбы, и при его удалении сосуд быстро остывает. Длина пламени уменьшается, и оно постепенно гаснет из-за нехватки той сущности его жизненной силы, так сказать, — а именно, тепла. (Рис. 387.) Если в колбу ввести термометр, то, как бы быстро ни происходило кипение эфира, обнаруживается, что температура неизменно равна 96°. Тепло, уносимое испарением, наиболее элегантно демонстрируется путем помещения небольшого количества воды в часовое стекло, окруженное древесным углем, пропитанным серной кислотой, в вакууме воздушного насоса. Быстрое испарение и конденсация воды из-за ее сродства к серной кислоте быстро производят лед; и насосы и другие приборы компании Knight and Co., Фостер-лейн, Сити, весьма рекомендуются для этой и других иллюстраций.

Fig. 387.

Тепло — причина пара.

Иллюстрация определения фиксированной и неизменной точки кипения, принадлежащей каждой жидкости, далее осуществляется путем введения некоторого количества воды во вторую колбу, стоящую над зажженной спиртовой лампой, с небольшим термометром, градуированным, конечно, должным образом на градусы выше точки кипения воды; когда вода закипает, обнаруживается, что она остается стабильно при температуре 212°. И как бы быстро ни кипела вода, при условии, что есть достаточно места для выхода пара, тепло, указываемое термометром, подобно закону мидян и персидского народа, который не меняется, и оно остается на отметке 212°. Единственное исключение (если его можно так назвать) из этого закона вызвано формой и природой содержащего сосуда; при среднем давлении точка кипения воды в металлическом сосуде обычно составляет 212°; в стеклянном сосуде она может подняться до 214° или 216°, но если всыпать немного металлических опилок, выход пара увеличивается, и температура может тогда немедленно упасть до 212°.

Когда термометр вставляется в колбу, содержащую воду в состоянии кипения, так, что резервуар не касается жидкости, а полностью окружен паром, обнаруживается, что температура последнего точно такая же, как и у первой; и если жидкость кипит при 96°, пар будет 96°, если при 212°, пар — 212°. Пар, следовательно, имеет точно такую же температуру, как и кипящая вода, которая его производит. (Рис. 388.)

Fig. 388.

Термометр в паре, выходящем из кипящей воды.

При выполнении последнего эксперимента можно заметить, что пар внутри горлышка колбы невидим и что он становится заметным только в том промежуточном состоянии между парообразным и жидким, называемом везикулярным паром — состояние, соответствующее «земному туману» и называемое Говардом «слоистым» (stratus). Когда колбу с кипящей водой помещают под приемник воздушного насоса (как можно скорее после того, как кипение прекратилось) и откачивают воздух, можно заметить, что вода снова начинает кипеть по мере достижения вакуума, показывая, что точка кипения одной и той же жидкости варьируется при различных степенях атмосферного давления и в зависимости от высоты барометра.

Height ofBoiling point barometer.of water. 26204.91° 26.5205.79 27206.67 27.5207.55 28208.43 28.5209.31 29210.19 29.5211.07 30212.00 30.5212.88 31213.76

Спирт и эфир, заключенные под откачанным приемником, бурно кипят при обычной температуре атмосферы, и в целом жидкости кипят при температуре на 124° ниже, чем требуется при среднем давлении воздуха; вода, следовательно, в вакууме должна кипеть при 88°, а спирт — при 49°.

При подъеме на значительные высоты, например, на вершины гор, точка кипения воды постепенно падает по шкале термометра. Так, на вершине Монблана вода, как обнаружил Соссюр, кипит при 187° по Фаренгейту. В восхитительном рассказе г-на Альберта Смита о его восхождении на Монблан он упоминает бурное движение и выход всего шампанского в виде пены, как только бутылка была открыта на вершине этой царь-горы.

Инструмент д-ра Волластона для измерения высоты гор по изменениям точки кипения воды давно известен и используется для этой цели.

Если флорентийскую колбу сначала снабдить хорошей мягкой пробкой, а последнюю удалить, и первую наполовину наполнить водой, которую затем кипятят над газовым или спиртовым пламенем, тот же факт, уже упомянутый и проиллюстрированный в предыдущей таблице, может стать очевидным, когда колбу закупоривают и убирают с огня. Если ее теперь перевернуть и полить холодной водой, немедленно начинается кипение, потому что холодная вода конденсирует пар в пространстве над горячей водой в колбе, и, создавая вакуум, вода кипит так же легко, как она делала бы это под откачанным приемником на тарелке воздушного насоса. (Рис. 389.)

Fig. 389.

Парадоксальный эксперимент кипения воды при применении холодной воды.

Воду можно нагреть значительно выше 212°, если она заключена в прочный котел и изолирована от сообщения с воздухом; таким образом получается пар высокого давления.

Д-р Марсе изобрел очень поучительную форму миниатюрного котла, снабженного термометром и барометрическим манометром, который можно приобрести у любого из изготовителей инструментов, и который изображен и описан почти в каждой работе по химии.

Причина, по которой вода, кипящая в открытом сосуде, не поднимается до температуры выше 212°, заключается в том, что весь избыток тепла уносится паром и, как говорят, становится скрытым в паре. Фиксацию теплорода в воде при ее превращении в пар можно показать следующим экспериментом. Пусть фунт воды при 212° и восемь фунтов железных опилок при 300° будут внезапно смешаны вместе. Мгновенно образуется большое количество пара, но температура воды и выходящего пара все еще составляет только 212°; следовательно, пар должен содержать все градусы тепла между 212° и 300°, или восемь раз по 88. Когда вода нагревается в гидроэлектрической машине или другом котле до 322,7°, она очень быстро падает до 212°, когда пару дают выйти; однако, если последний собрать, он представляет собой лишь очень небольшое количество воды, которая составляла пар, и он унес и сделал скрытым избыток тепла в котле — а именно, разницу между 212° и 322,7°, или 110,7°.

Если пар может уносить тепло, конечно, его можно заставить, так сказать, отдать его снова; и эта важная элементарная истина показывается путем адаптации трубки, согнутой под прямым углом, и пробки к колбе, содержащей несколько унций воды, и когда она закипает, пар, выходящий из конца трубы, теперь может быть направлен в и под поверхность некоторого количества воды, содержащейся в стакане; через очень короткое время вода в последнем будет доведена до точки кипения путем конденсации пара и скрытого тепла, исходящего от него. (Рис. 390.) Количество скрытого тепла огромно, если вспомнить, что вода при превращении в пар имеет чудовищно увеличенный объем — а именно, в 1698 раз, так что кубический дюйм воды, превращенный в пар при температуре 212°, с барометром на тридцати дюймах, занимает пространство в один кубический фут, и его скрытое тепло составляет, согласно Холлу, 950°; Саутерону, 945°; д-ру Юру, 967°. Когда мы перейдем к рассмотрению паровой машины, будет замечено, что вопрос о скрытом тепле пара является одним из величайшей важности.

Fig. 390.

a. Колба для получения пара. b. Стеклянная трубка, изогнутая под прямым углом для подачи пара в сосуд с холодной водой.

Temperature of Steam.Elasticity in inches of Mercury.Latent Heat. 229°40"942° 270 80 942 295 120 950

Одинаковый вес пара, независимо от его плотности, содержит одинаковое количество теплорода, причем его скрытая теплота увеличивается по мере уменьшения явной теплоты, и наоборот. Благодаря огромному количеству скрытой теплоты, содержащейся в паре, его с успехом используют для обогрева помещений или сушки товаров в некоторых производственных процессах. Влажная бумажная масса, спрессованная и распределенная на проволочной сетке или декль, постепенно проходит к цилиндрам, содержащим пар, и полностью высушивается перед тем, как гильотинный нож в конце бумагоделательной машины опускается и разрезает ее на части. При аппретировании и лощении ситца, а также при печати на ситце, цилиндры с паровым обогревом представляют большую ценность, поскольку они передают тепло без риска возгорания ткани. Элементарные принципы, уже описанные применительно к теплу, подготовят юного читателя к пониманию использования расширения воды в пар как самой ценной движущей силы, когда-либо применявшейся для облегчения человеческого труда.

ГЛАВА XXIX.

ПАРАОВАЯ МАШИНА — продолжение.

Fig, 391.

Первый пароход «Комета», построенный Генри Беллом в 1811 году, который внедрил паровое судоходство в Европе.

"So shalt thou instant reach the realm assign'd

In wondrous ships, self-mov'd, instinct with mind.

Though clouds and darkness veil the encumbered sky.

Fearless, through darkness and through clouds they fly,

Tho' tempests rage,—tho' rolls the swelling main,

The seas may roll, the tempests swell in vain;

E'en the stern god that o'er the waves presides,

Safe as they pass, and safe repass the tides,

With fury burns; while careless they convey,

Promiscuous, ev'ry guest to ev'ry bay."

Эти строки из перевода «Одиссеи» Поупа были очень удачно процитированы двадцать пять лет назад г-ном М. А. Алдерсоном в его трактате о паровой машине, за который он получил от д-ра Биркбека, основателя институтов механики, премию в 20 фунтов стерлингов, предоставленную Лондонским институтом механики. Эти строки, по-видимому, указывают на некое грубое предвосхищение древними того свободного плавания по океану с помощью пара, которое сделало корабли почти независимыми от ветра и погоды.

Приведенное выше описание Гомером финикийского флота царя Алкиноя в восьмой книге «Одиссеи», безусловно, является древним свидетельством идеи, но не более того. В труде, написанном Героном Александрийским около ста лет до н. э. и озаглавленном «Spiritalia seu Pneumatica», упоминается ряд приспособлений для подъема жидкостей и создания движения с помощью воздуха и пара, поэтому первая паровая машина обычно приписывается Герону; на прилагаемом рисунке показан этот прибор. (Рис. 392.)

Fig. 392.

Паровая машина Герона. a. Котел, в котором образуется пар, затем проходящий через полую опору b, из которой нет выхода, кроме как через два отверстия c c. Реакция воздуха на выходящий пар создает вращательное движение в соплах c c, прикрепленных к центральной, но полой оси.

Примечательно, что сэр Исаак Ньютон применил тот же принцип в маленьком шаре, установленном на колесах, содержащем кипящую воду и снабженном небольшим отверстием; в своем описании он говорит: «И если шар открыть, пары будут с силой вырываться в одну сторону, а колеса и шар в то же время будут двигаться в противоположную сторону». Со времен Герона, по-видимому, не сохранилось никаких записей или упоминаний о паровых приборах до 1002 года, когда в труде под названием «История Малмсбери» упоминается орган, в котором звуки извлекались за счет выхода воздуха (возможно, пара) с помощью нагретой воды. Странно, что в наши дни применения пара каллиопа, или паровой орган, является важной особенностью в настоящий момент в Хрустальном дворце; это лишь показывает, как одни и те же идеи воспроизводятся как новинки в вечно повторяющихся циклах лет.

С возрождением классического образования в готической Европе труд Герона начал привлекать внимание; он был переведен и напечатан готическим шрифтом, вероятнее всего, впервые с арабского оригинала, так как в 1543 году первые плоды появились в Испании, где Бласко де Гарай, морской капитан, привел в движение корабль водоизмещением 200 тонн со скоростью три мили в час перед комиссарами, назначенными императором Карлом V. Увы, инквизиторская Испания! Если бы она глубже вникла в суть дела и проводила свои аутодафе над котлами паровых машин, а не над телами бедных людей, какой вечной славой она была бы вознаграждена. Изобретение дебютировало в Испании, комиссары отчитались, достойный изобретатель был вознагражден, но могучий гигант, которого призвали, был снова усыплен по меньшей мере на 150 лет. Парового гиганта тревожили сны: некий Матиас в 1563 году наслал на него кошмар; Соломон де Ко в 1624 году почти разбудил его; Джованни Бранка в 1629 году сделал больше; а маркиз Вустерский в середине XVII века, как злой гений Испании, увез гиганта целиком и сделал его рабом Англии; по крайней мере, он экспериментировал и писал такие чудесные рассказы о своей новой движущей силе, что в 1653 году мы читаем о том, как пар был довольно успешно приставлен к делу и начал качать воду из Темзы в Воксхолле; а Козимо Медичи, иностранец, осматривавший аппарат в 1653 году, говорит: «Он поднимает воду более чем на сорок геометрических футов силой одного человека, и за очень короткое время выкачивает полные сосуды воды через трубку или канал шириной не более пяди, из-за чего он считается более полезным для публики, чем другая машина возле Сомерсет-хауса, которая приводилась в действие двумя лошадьми».

Что подумали бы маркиз Вустерский и Козимо Медичи о Бласко де Гарае в океане и управлении 12 000 паровых лошадей? Впишите имя храброго и благоразумного капитана Харрисона на добром корабле «Грейт Истерн», дата 1859 год, вместо имени отважного испанца, и наша краткая история закончена.

Первая действительно полезная паровая машина была создана не просто мистером, а снова капитаном — а именно капитаном Севери, который, по-видимому, был первым изобретателем, полностью понявшим и применившим принцип вакуума. (Рис. 393.)

Fig. 393.

Машина Севери.

a a. Печи, в которых находится котел. b1 и b2. Две топки. c. Дымоход, общий для обеих печей. В этих двух печах помещены два медных сосуда, которые я (Севери) называю котлами — один большой, как l, другой маленький, как d. d. Маленький котел, находящийся в печи, нагреваемой огнем в b2. e. Трубка и кран для подачи холодной воды в маленький котел для его наполнения. f. Винт, который закрывает и закрепляет кран e на верхней части маленького котла. g. Небольшой пробный кран в верхней части трубки, опускающейся на восемь дюймов до дна маленького котла. h. Большая трубка, которая опускается на ту же глубину в маленький котел. i. Клапан или заслонка в верхней части трубки h (открывающаяся вверх). k. Трубка, идущая от коробки над упомянутым клапаном в большой котел и входящая в него примерно на один дюйм. l l. Большой котел, находящийся в другой печи, нагреваемой огнем в b1. m. Винт с регулятором, который приводится в движение рукояткой z и открывает или закрывает отверстия, через которые пар выходит из большого котла в паровые трубки o o. n. Небольшой пробный кран в верхней части трубки, которая опускается наполовину в большой котел. o1, o2. Паровые трубки, один конец каждой привинчен к регулятору, другие концы — к приемникам p p, для подачи пара из большого котла в эти приемники. p1, p2. Медные сосуды, называемые приемниками, которые должны принимать воду, подлежащую подъему. q. Винтовые соединения, которыми ветви водяных труб соединены с нижними частями приемников. r 1, 2, 3 и 4. Латунные клапаны или заслонки в водяных трубах, два над ветвями q и два под ними; они позволяют воде проходить вверх по трубам, но предотвращают ее спуск; имеются винтовые пробки, которые можно вынимать при необходимости, чтобы добраться до клапанов r. s. Нагнетательный насос, который подает воду вверх к месту доставки, когда она вытесняется из приемников под действием пара. t. Всасывающая трубка, которая подает воду со дна шахты для наполнения приемников путем всасывания. v. Квадратная деревянная рама или ящик с отверстиями по дну в воде, чтобы окружить нижний конец всасывающей трубки для защиты от грязи и препятствий. x — цистерна с пробковым краном, идущим от нагнетательной трубы, так что она всегда должна быть наполнена холодной водой. y y. Кран и трубка, идущие со дна упомянутой цистерны, с носиком, чтобы холодная вода стекала по внешней стороне любого из приемников p p. z. Рукоятка регулятора для его перемещения, открывающая или закрывающая его, чтобы выпустить пар из большого котла в любой из приемников.

Это собственное описание Севери (взятое из «Друга шахтера», напечатанного в 1702 году) его водяной машины, которая отличается от предложенной маркизом Вустерским тем, что он использовал давление воздуха для подъема воды на первой ступени. Патент Севери был выдан «на подъем воды и приведение в движение всех видов мельничных механизмов с помощью движущей силы огня»; патент был выдан в царствование короля Вильгельма III славной памяти.

Таким образом, Севери преодолел, как он отмечает, «самые странные и почти непреодолимые трудности» и представил паровой аппарат или машину, многие из которых были построены и использовались для подъема воды. Механическое мастерство, необходимое для создания котла, самого сердца (так сказать) железной машины, не было достигнуто во времена капитана Севери, отсюда слабость котлов и опасность работы с ними. Поскольку требовалось значительное давление для преодоления сопротивления высокого столба воды, от этих машин постепенно отказались в пользу машин другого искусного механика — а именно Томаса Ньюкомена, скобянщика из Дартмута, который около 1705 года сконструировал и внедрил цилиндр, от которого постепенно перешли к способу конденсации струей холодной воды, использованию автоматических клапанов и созданию автоматических машин Смитоном, Хорнблауэром и, наконец, прославленным Уаттом, чей портрет открывает первую главу о тепле в этой книге.

Ньюкомену в его работе помогал некий Коули, стекольщик; их упорные труды увенчались успешным результатом, имеющим самое памятное значение в истории паровой машины.

В машине Севери действие пара было двояким — а именно, за счет прямого давления от его упругости и за счет косвенного следствия его конденсации, что обеспечивает вакуум. Последнее можно назвать единственным принципом, использованным Ньюкоменом, который применял котел для генерации пара и подавал его по трубке в нижнюю часть полого цилиндра, открытого сверху, но снабженного сплошным поршнем, который двигался вверх и вниз и был уплотнен набивкой из пеньки, подобно поршню обычного детского шприца. Легко понять, что если бы носик последнего был соединен с плотным маленьким котлом и в него подавался пар, то поршень шприца поднялся бы к вершине цилиндра, в котором он работает, будучи вытолкнутым давлением или силой пара; но если бы пар не был перекрыт и внутрь цилиндра не была подана холодная вода, поршень не смог бы опуститься снова. Поэтому, как только Ньюкомен выталкивал поршень действием пара, он вводил струю холодной воды, подаваемую из поднятой цистерны под поршень, при этом пар конденсировался в воду, и получался вакуум или пустое пространство. Поршень, будучи свободным двигаться вверх или вниз, теперь принудительно перемещался в последнем направлении давлением воздуха, которое является постоянной силой, равной пятнадцати фунтам на квадратный дюйм; таким образом, поршень в машине Ньюкомена поднимался теплом — т. е. паром, и опускался холодом — т. е. конденсацией пара, создающей вакуум. Пустота, полученная таким образом, была весьма значительной, поскольку один кубический фут пара при 212° конденсируется в один кубический дюйм воды. Создание вакуума с помощью пара быстро осуществляется путем кипячения воды в чистой банке из-под камфина, и когда пар свободно выходит из горлышка последней, ее закупоривают и обливают снаружи холодной водой. Как только температура понижается, пар внутри жестяного сосуда внезапно конденсируется в воду, и при внезапном получении пустого пространства все давление столба воздуха шириной, равной площади сосуда, и высотой сорок миль внезапно обрушивается, как кузнечный молот, на стенки жестяного сосуда, и, поскольку они недостаточно прочны, чтобы оказать надлежащее сопротивление, они сминаются, как яичная скорлупа, под гигантским весом, который падает на них.

Барометр, или измеритель веса воздуха, состоит из стеклянной трубки длиной около тридцати трех дюймов, герметично запаянной с одного конца и содержащей ртуть, которая была тщательно прокипячена внутри нее; будучи полностью заполненной, трубка вставляется в чашку с чистой ртутью, при этом она опускается до высоты, равной давлению воздуха, оставляя вверху пространство, называемое торричеллиевой пустотой. Поскольку атмосферный воздух уменьшается в плотности при смешивании с невидимым паром, любой заданный объем становится удельно легче: следовательно, столбик ртути падает до высоты около двадцати восьми дюймов; в то время как если водяной пар уменьшается, вес воздуха становится больше, и барометр может подняться до высоты около тридцати одного дюйма.