Эти два условия взаимно исключали друг друга.
Каким же способом достичь и конденсации пара и вместе с тем сохранить цилиндр в нагретом состоянии?
Производя конденсацию пара в отдельном от цилиндра, но сообщающемся с ним, резервуаре.
Отдельный от цилиндра конденсатор — вот в чем состояло изобретение Уатта, решившее проблему.
Путь Уатта к этому изобретению был путь исследования.
Может быть, были и другие пути. Может быть, какой-нибудь гениальный практик, исходя из чисто практических наблюдений и ставя чисто практические цели, перескочил бы через весь этот научно-исследовательский этап работы Уатта. Но в творческой работе Уатта исследование занимало большое место. Проследим же отдельные моменты этой работы.
Не вполне ясно, как мог Уатт притти к выводу, что расход пара в его модели значительно больше, нежели в настоящей большой машине. На это его, вероятно, натолкнул уже самый факт нехватки пара, хотя котел по своим размерам был вполне достаточен. Вероятно, также без каких-либо специальных исследований, можно было притти к выводу, в значительной мере правильному, что этот расход вызван более сильным охлаждением цилиндра в модели вследствие непропорционально большой поверхности маленького цилиндра по отношению к его объему. Это явление было недостатком модели. Другим ее недостатком было то обстоятельство, что «цилиндр модели, сделанный из латуни, проводил тепло гораздо лучше, нежели цилиндр больших машин, отлитый из чугуна (к тому же обычно изнутри покрытый накипью)». Эти наблюдения были сделаны, вероятно, на очень ранней стадии работы.
Характерно, что в начале своей работы Уатт как-будто вовсе не борется с этим непроизводительным расходом пара, он как бы мирится с ним и изыскивает средства, как бы его возместить. Надо придумать способ усилить образование пара. Робисон рассказал нам о попытках Уатта внести изменения в топку котла: «Он значительно улучшил котел, увеличив поверхность, охватываемую огнем. Он провел трубы через котел, он поместил топку в середине, окруженную со всех сторон водой».
Но, повидимому, и эти усовершенствования не дали хороших результатов. Задача оказывалась гораздо более сложной. Починка модели отступает на второй план, начинается работа исследователя.
Если в латунном цилиндре расходуется так много пара от быстрого охлаждения стенок, то нельзя ли сделать его из другого материала, «медленнее принимающего и отдающего тепло».
Уатт строит модель с деревянным цилиндром диаметром в 6 дюймов и ходом поршня в 12 дюймов, и производит с ней ряд опытов. «Но и в этом цилиндре тоже, оказывается, количество пара, конденсирующегося при наполнении его, все же пропорционально превосходило количество пара в больших машинах, если судить по данным Бэйтона».
Чтобы притти к этому выводу, Уатту, очевидно, пришлось до этого проделать ряд опытов и измерений. Вероятно, он начал с повторения исследования Бэйтона, т. е. измерил количество воды, выкипевшей из котла в течение определенного числа ходов поршня, или, может быть, просто точно вымерил объем воды, выпущенной за это время из цилиндра. Вероятно, несоответствие с цифрами Бэйтона, а также и арифметическая ошибка Бэйтона побудили Уатта проверить его цифры и по существу, т. е. постараться каким-либо иным способом, независимо от работы машины, определить объем пара, получаемый на единицу объема воды. Уатту действительно принадлежит заслуга этого первого, более или менее точного определения. Он подробно описывает опыт, при помощи которого ему пришлось разрешить эту задачу. Способ был довольно грубый, но результат, как это было проверено более поздними исследованиями, оказался достаточно точным: один куб. дюйм воды давал около 1800 куб. дюймов пара температуры 121° Фаренгейта (100°Ц) при атмосферном давлении.
Это определение является, пожалуй, одним из основных моментов в работе Уатта. Точный учет парообразования раскрыл гораздо отчетливее многие явления. Только теперь можно было точно учесть расход пара.
Что пар расходуется непроизводительно от несвоевременной и бесполезной конденсации — было очевидно. Но надо было выяснить причины и размеры эти) потерь и, по возможности, устранить их. И Бэйтон, и Дезагилье не могли не предполагать потерь пара от охлаждения внутри цилиндра ньюкомэновской машины. Но, вероятно, они считали их настолько незначительными, что даже, как мы видели, при расчете потребления пара совершенно ими пренебрегали.
Зная количество выкипевшей воды, нетрудно было определить объемное количество пара, израсходованного на один ход поршня. Цифра получилась совершенно ошеломляющая: объем израсходованного пара составлял трех или четырехкратный объем цилиндра, — и это в машине с деревянным цилиндром, где было устранено остывание его стенок от наружного воздуха. Это было совершенно непонятно!
Непонятны были также и другие явления, хорошо известные на практике: высокая температура конденсационной воды и затем тот факт, что если впрыскивать в цилиндр слишком много воды, то машина работает с гораздо большей силой, может быть, несколько медленнее, но зато топлива пожирает массу; если впускать воды поменьше, то падает мощность машины, зато получается экономия на топливе. Практикам хорошо было известно это внутреннее противоречие, и они нашли выход из него. Практика пошла по среднему пути. «Старые инженеры, — говорит Уатт, — поступали разумно, довольствуясь нагрузкой только в 6 или 7 фунтов на кв. дюйм площади поршня», т. е. не производя полного вакуума. Но едва ли кто-нибудь отдавал себе ясный отчет — почему вто так происходит.
Очевидно, при большом количестве воды, впрыскиваемом в цилиндр, получается лучшее разрежение. Но почему? Недаром Уатт был механиком глазгоуского университета. Как-раз учеными этого университета и были произведены исследования, давшие объяснение этому. Ведь профессор Кэллен произвел ряд опытов над температурой кипения воды при различных давлениях, и не кто иной, как Робисон был как-раз занят в это время аналогичными исследованиями над температурой кипения жидкостей в разреженном пространстве. Робисон исследовал кипение воды, спирта, смеси спирта с водой, смеси воды с серной кислотой. Об этих опытах рассказывал Блэк на своих лекциях. Работа Уатта непосредствено примыкала к этим исследованиям, а именно: он старался выяснить зависимость между температурой кипения и давлением как-раз в промежутке от вакуума до атмосферного давления. Уатт говорит, что он пришел к своим выводам в этой области чисто аналитическим путем: построив кривую точек кипения при давлении большем атмосферного; он продолжил ее и для давлений ниже атмосферного и пришел к выводу, что если температура изменяется в арифметической прогрессии, то давление изменяется в геометрической, Отсюда становилось ясным, почему для лучшей работы машины требуется впрыскивание большего количества холодной воды в цилиндр. Чем больше остужался цилиндр, тем большее разрежение там получалось, и температура охлаждения при этом играла значительную роль.
