Куда девалась вода из стакана?

Действительно, пока люди имели дело только с энергией воды и ветра, всё казалось простым и понятным: вода течет и увлекает за собой лопатки колеса, ветер надувает паруса или толкает крылья мельницы. Вода — в реке, ветер — в поле…

Но вот человек решил использовать энергию пара. Почему, когда воду нагревают, она закипает и превращается в пар?

Почему этот пар, если его не собрать, быстро рассеется и никакой работы от него не получить? А вот, если его собрать в Геронов шар и оттуда позволить ему вырываться через узкие трубки, — он окажется настолько сильным, что, отталкивая трубки, заставит весь шар вращаться. Или, если пар запереть в небольшом пространстве, как в случае с пушкой Архимеда, и к тому же подогреть, — он станет еще сильнее: дальше, чем любая пружина, пошлет из пушки ядро.

Какими же тайными свойствами обладает этот волшебник-пар? Как можно наилучшим образом овладеть этими свойствами? Изучение свойств пара длилось долгое время, и только к концу прошлого века сложились вполне точные научные представления. Правда, создание парового двигателя шло своим чередом, не ожидая того времени, когда пар будет изучен всесторонне. Как только опытом удавалось найти какое-либо новое свойство, — сразу же оно применялось в новых изобретениях.

Однако совершенный двигатель, работающий паром, стал строиться позднее, уже на основании точных знаний.

Прежде чем продолжить рассказ об интереснейшей истории создания паровой машины, следует напомнить вам основные сведения о паре, которые когда-то никому не были известны и о которых теперь знает каждый школьник седьмого класса.

То, что жидкости, в том числе и вода, испаряются, всякий из вас замечал. Действительно, кто не наблюдал, например, таинственного исчезновения воды из стакана, оставленного летом на окне? Сначала, когда вы были маленькими, вам казалось, что кто-то выпивает эту воду. Но потом, когда вы стали учиться в школе, то поняли, что вода просто улетучивается, то есть испаряется. Почему?

Уже давно люди задумывались над тем, что представляют собой различные вещества, которые окружают нас.

Люди заметили, что каждое вещество можно получить в больших и в малых порциях. Такое вещество, как вода, может наполнять огромные водоемы, но может и в виде маленькой росинки искриться на лепестке цветка. До каких же пределов можно мельчить вещество, не меняя его свойств? Ведь есть же самая мельчайшая частица? Да, такая частица, как выяснили ученые, есть, и назвали они ее молекулой. Молекулы вещества друг к другу притягиваются, друг за друга держатся, но для этого они должны находиться очень близко друг к другу. Однако при очень близком соприкосновении у них возникают и силы отталкивания.

В твердом теле молекулы расположены очень близко друг к другу и, находясь под влиянием сил притяжения и сил отталкивания, совершают небольшие колебательные движения, которые нам, конечно, не заметны.

Но вот давайте твердое тело, например кусок свинца, нагревать — и вы увидите, что в определенный момент он превратится в жидкость, — расплавится. Что же произошло?

Оказывается, когда мы нагревали свинец, мы тем самым заставляли молекулы колебаться всё чаще и чаще и увеличивать размах этих колебаний (вот почему тела при нагревании расширяются). Наконец, при какой-то вполне определенной для каждого вещества температуре молекулы начинают отделяться друг от друга, вновь соединяться в новые группы, опять отделяться, чтобы затем опять соединиться по-новому. Молекулы начинают хаотическое движение внутри массы вещества, и вещество превращается в жидкость. Вода и представляет собой вещество, которое в обычных условиях является жидкостью.

А что, если жидкость — в данном случае воду — тоже нагреть? Ускорится ли движение молекул? Да, ускорится. При этом молекулы начнут так быстро двигаться, что некоторые с размаху вылетят прочь, покидая поверхность и устремляясь в атмосферу. Вот это и есть испарение. Оказывается, если даже не нагревать воду, то испарение всё равно происходит — правда, медленно. Так улетучилась за день вода из стакана, стоявшего на окне. Но если воду нагревать, то, чем выше будет ее температура, тем быстрее пойдет испарение.

Нагревая воду в открытом сосуде и измеряя ее температуру, дойдя до 100 °C, мы заметим, что вода при этом закипела, температура дальше не поднимается, а вверх устремились клубы пара. Началось парообразование: не только от поверхности, но и по всей массе жидкости происходит отрыв молекул, образуются пузыри, которые поднимаются вверх, прорываются через поверхность, и молекулы улетучиваются. Всё тепло, которое мы теперь при нагревании сообщаем воде, пойдет на отрыв молекул, — вот почему температура, как установилась в 100°, так и будет держаться до тех пор, пока не выкипит, то есть не испарится, вся вода. Из жидкого тела вода превратится в газообразное — в пар.

А теперь, вспомнив, что такое пар, вспомним и его основные свойства. Для этого представим себе, что вода, которую мы нагреваем, находится уже не в открытом, а в закрытом со всех сторон сосуде, куда вставлены два измерительных прибора: термометр — для измерения температуры и манометр — для измерения давления пара.

Сосуд металлический, закрытый; сбоку поставлена стеклянная трубка, прочно вделанная сверху и снизу в патрубки, которые сообщаются с внутренним пространством сосуда. Такой сосуд назовем «котлом», а стеклянную трубку — водоуказателем. И действительно, так как водомерная трубка сверху и снизу может сообщаться с пространством котла, нам будет видно, на каком уровне находится вода.

В котле насыщенный пар (слева). В котле перегретый пар (справа).

Допустим, что сначала вода заполняла половину котла, — вторую половину заполнял, следовательно, пар.

Посмотрим, что покажут при этом приборы.

Манометр, оказывается, стоит на нуле, — это значит, что давление внутри котла равно наружному, атмосферному, давлению. Термометр показывает примерно ту же температуру, которую имеет и окружающий воздух.

Открыв верхний кран, начнем нагревать котел. Пока кран открыт, вода будет нагреваться так же, как в обычном открытом сосуде, а пар при этом постепенно вытеснит из котла весь воздух. Теперь закроем кран и, продолжая нагревать, будем следить за приборами. По мере нагрева мы заметим, что уровень воды понижается, а пространство, занимаемое паром, — возрастает. При этом температура будет всё время расти, а вместе с ней и стрелка манометра будет показывать всё большее и большее давление пара.

Мы уже давно прошли температуру кипения 100 °C, но температура воды всё растет и растет… В чем же дело? В открытом сосуде воду никак нельзя было нагреть выше 100 °C, а здесь она нагревается и выше. Почему?

Оказывается, что вода имеет температуру кипения 100 °C только в том случае, когда над ее поверхностью давление равно атмосферному. В открытом сосуде пар улетучивается и давление всё время остается постоянным и равным давлению окружающего воздуха, то есть атмосферному.

Совсем другое дело в закрытом сосуде. Здесь пару деваться некуда, он скапливается над поверхностью воды и оказывает на нее всё большее и большее давление. Если бы это давление было повышенным, но дальше не росло, то при некоторой температуре, более высокой, чем 100 °C, всё равно началось бы кипение. Но стоит воде нагреться на один градус, как и давление в закрытом сосуде тут же возрастает на какую-то долю атмосферы… Так мы и будем отмечать по манометру для каждой новой температуры новое давление, пока вся вода не превратится в пар. Такой пар, который находится в котле в то время, как имеется еще вода, называется насыщенный пар. Это значит, что в этом объеме парового пространства котла, при этой температуре воды, большего количества пара получить нельзя. Пространство насыщено паром. Если из воды при этом продолжает вылетать какое-то количество молекул, то точно такое же количество их возвращается обратно из парового пространства в воду. При новой температуре воды меняется количество могущих вылететь без возвращения частиц и давление насыщенного пара также меняется.

Когда же вся вода испарится, можно продолжать нагревать один пар, но тогда это будет уже не насыщенный пар, а перегретый, и его давление, повышаясь и дальше, уже будет зависеть не только от температуры, но и от объема котла, в то время как давление насыщенного пара в любом объеме зависит только от температуры.

Теперь, вместо нагревания, попробуем начать охлаждение котла. Мы заметим, что перегретый пар превратится в насыщенный, а тот по мере охлаждения будет понижать свое давление. Этот обратный процесс превращения пара в воду называется конденсацией. Посмотрите на узоры, которые расписал мороз на вашем окне. Вы задумывались над тем, отчего эти узоры получаются? А ведь тут тоже происходит явление конденсации паров, находящихся в воздухе. Эти пары, соприкасаясь с холодным стеклом, конденсируются, превращаются в мелкие капли воды, которые тут же замерзают.

Вот теперь мы, пожалуй, закончим нашу беглую экскурсию в область науки о паре. Заметим, что наука эта достаточно сложная, но углубляться в нее мы сейчас не можем, — это уже дело инженеров-теплотехников.