Парне машине су освојиле свет за само неколико деценија. Век након свог златног доба, као да су сасвим нестале. Како се развијало најдраматичније технолошко достигнуће у историји?
Текст: Слободан Бубњевић
Данас, два и по века откад је млади Џејмс Ват отворио своју радионицу инструмената на Универзитету у Глазгову, сасвим је уобичајено виђење да ток историје не мења свој колосек само при великим ратовима и револуцијама већ и са освајањем нових технологија, управо зато што су у великој мери измениле људску свакодневицу, па тако утицале на друштвене односе и свеопшта збивања.
Међутим, револуције једу своја открића. Мада се нека од њих, попут ножа или пијука, једнако и данас користе, а да се после неколико хиљада година употребе готово ништа није изменило у њиховом дизајну и принципу функционисања, много су бројнији они изуми који су у своје доба покренули свет, али су временом превазиђени и прилично потиснути.
Но, ипак је редак случај, заправо јединствен, да неки изум за неколико деценија потпуно промени физиономију света, а да само један век касније буде потпуно избачен из употребе. Такав пример је парна машина, славни изум проналазача из Глазгова, који је покренуо индустријску револуцију, а данас се може видети само у музејима и специјалним железничким рутама за носталгичне туристе.
ЛОКОМОТИВЕ И ПРУГЕ
Готово је немогуће замислити како је заиста изгледао свет пре парних машина. Данас ипак видимо да су оне донеле, пре свега, револуцију у саобраћају.
Године 1808. је парламент у Шкотској донео решење о изградњи прве комерцијалне железничке пруге са парном локомотивом, која је повезала насеља Килмарнок и Трон.
Био је то само један од корака, железничких траса и типова локомотива које су почетком 19. века остварили инжењери и проналазачи широм Британије како би успоставили железничку мрежу.
Парне локомотове је прославила линија која је отворена 1825. године између Ливерпула и Манчестера. На овој линији је од 1829. године саобраћала чувена Ракета, парна локомотива коју је конструисао познати енглески проналазач Џорџ Стивенсон (1781–1848).
Та међуградска линија је поставила прве железничке стандарде (као што је размак шина на прузи од 1,435 метара, што се данас назива стандардни гејџ). Пратећи успех ове линије, пруге су се рашириле по целој Британији, а потом и по Америци и Европи, да би до краја 19. века парне локомотиве стигле и до најудаљенијих делова света.
ВРШАЛИЦЕ И ТЕНКОВИ
Осим за покретање локомотива, парна машина је коришћена у читавом низу транспортних средстава на копну и мору – за пароброде и чамце, за парне тракторе, парне аутомобиле, вагоне, бусеве и трицикле, парне ракете, затим парне ваљке и копаче, као и парне тенкове са гусеницама и без њих.
Парна машина се изузетно много користила у индустрији, мотори на водену пару су покретали читав низ постројења, а постојали су парни млинови и парне вршалице, као и парни „магарци“, што је један вид стационарног мотора који се запрегом могао преносити са једног на друго радно место. Нарочито широку примену имале су парне пумпе, што је уосталом и био први уређај на пару.
Но, већ до друге половине 20. века, парну машину су сасвим истиснули мотори са унутрашњим сагоревањем и електрични мотори, а ако се изузме парна турбина, парне машине су сасвим испариле – старе парне машине са клипом једва да су за себе данас нашле икакву примену.
Зашто се то догодило? Одговор је у самој историји и дизајну парне машине. Њен почетак, бурни развој и потоње ишчезнуће заправо су најбољи пример природе развоја технологија и веза са научним и друштвеним напретком.
ПАРНЕ ВРТЕШКЕ
Пре свега, парна машина није изум који је изненадно откривен у Енглеској крајем 18. века. Први мотор на пару развио је још Херон из Александрије у првом веку нове ере, о чему он пише у свом спису Пнеуматика. Тај уређај, назван еолопил, окретао се потиском загрејане водене паре, али није имао неке нарочите практичне примене. Херон је у истом делу развио и решење за отварање врата у храмовима и палатама помоћу паре.
У 16. веку јављају се нова теоријска решења где пара потиском окреће кугле и цилиндре – турски астроном, филозоф и изумитељ Таки Ел Дин (1526–1585) описује једно 1551. године, а италијански архитекта Ђовани Бранка (1571–1645) из града Лорета даје 1629. године још један нацрт у свом делу Машине, зборнику са 63 цртежа машина.
У то доба су се појављивала и решења лифтова и чамаца на водену пару, али није познато да је иједно од њих остварено. Како год, извесно је да се само идеја о употреби паре за покретање механичких делова кувала више векова, све док се није дошло до првих остварених уређаја на водену пару – парних пумпи.
РУДАРСКЕ ПУМПЕ
Ни први употребљив прототип парне пумпе није развио само један научник. Мада се уобичајено највећи део заслуга за њихов настанак приписује Џејмсу Вату, ова парна машина је коначни плод сто година дугог развоја у коме је учествовао читав низ проналазача. Такве машине су у пракси биле потребне за избацивање воде из рудника, али читав век није било довољно ефикасног решења.
Прво решење је дао енглески изумитељ Томас Савери (1650-1715), који је 1698. године направио не нарочито ефикасну и врло експлозивну пумпу на пару, извесно развијену на основу радова са затвореним парним цилиндром француског физичара Дениса Папена (1647–1712). Но, истински напредак је донео изум из 1712. године енглеског ковача Томаса Њукомена (1663–1729), који је направио такозвану атмосферску пумпу на пару.
Њукоменова пумпа је избацивала воду из рудника тако што се на једној страни клацкалице загрејана пара убацивала у цилиндар испод клипа. Утег на другој страни је подизао клип док се пара хладила водом. Испод клипа се при хлађењу смањивао притисак у цилиндру, тако да је атмосферски притисак враћао клип у првобитни положај и тиме спуштао полугу са утегом којом је вађена вода из рудника.
Овај изум је функционисао у пракси током 18. века, али је за свој рад трошио превише огрева и свеукупно није био много ефикасан. Током наредних деценија је било ситних побољшања конструкције, али не нарочитих (вентиле за убацивање хладне воде и паре су, на пример, у сваком циклусу ручно отварали дечаци који су дежурали крај машине, све док и они нису повезани са клацкалицом).
РАДИОНИЦА НА УНИВЕРЗИТЕТУ
Истински даљи развој је чекао педесет година, све до појаве шкотског изумитеља Џејмса Вата (1736–1819), који је начинио прекретницу и на неки начин, трасирао судбину свих будућих парних машина. Конструкциони модел парне пумпе који је Ват развио није био заснован само на унапређењу постојећег техничког решења, већ је и настао у сарадњи са водећим научницима епохе што је омогућило да директно примени науку о топлоти тог доба.
Сам Џејмс Ват је, иначе, био генијални изумитељ, али без већег формалног образовања. Пореклом из породице бродовласника стекао је доста знања у кући, да би се 1754. године, после мајчине смрти, упутио у Лондон. Само то путовање које је на коњу трајало пуних 12 дана, оставило је утисак на младог Вата.
У Лондону је као шегрт започео школовање за произвођача математичких инструмената, али није успео да га доврши. Већ после годину дана вратио се у Глазгов. Намеравао је да већ тада отвори радионицу за производњу инструмената, али му то није одобрила гилда чекићара, свих мајстора који раде са чекићем, пошто није имао седам година шегртског стажа.
Но, захваљујући подршци коју је добио од одређених професора, Универзитет у Глазгову му је 1758. године одобрио да унутар Универзитета отвори своју радионицу, што је било прилично згодно за једног новог проналазача с обзиром на углед и значај пет векова старог шкотског универзитета.
Како сматра Ендрју Карнеги, који је још 1905. године написао Ватову биогафију, тај догађај је заправо био пресудан за развој парне машине. „Ват није могао бити у бољем положају. Његово окружење је било идеално, ресурси универзитета су му били на располагању и будући одговарајуће позиционирана, његова радионица је постала место окупљања факултета. На тај он се начин нашао у блиском контакту са најугледнијим могућим саветом научника на свету.“
Својим одличним решењем рада једних оргуља, Ват је и сам стекао углед међу професорима, који су га саветовали да се позабави усавршавањем парне машине. У том послу је пре свега добио подршку физичара, истраживача и енциклопедисте Џона Робинсона (1739–1805) и хемичара Џозефа Блека (1728–1799), који се прославио открићем угљен-диоксида, латентне и специфичне топлоте.
ЦИЛИНДАР И КОНДЕНЗАТОР
На Универзитету у Глазгову је постојала једна стара Њукоменова парна пумпа, али је она била однета у Лондон у време кад је Ват започео своја истраживања о примени паре за добијање механичког рада. На његов захтев, Њукоменова пумпа је враћена у Глазгов 1763. године и Ват је унео читав низ побољшања, стварајући тако прву истинску парну машину.
Основно Ватово унапређење било је увођење кондензатора паре. Ват је запазио да се у Њукоменовој пумпи превише енергије троши управо зато што се пара у цилиндру кондензује кад се у њега убаци хладна вода. Уместо тога, Ват је увео одвојен кондензатор у коме се пара претварала у воду, а цилиндар је одржавао на истој температури као и пару, чиме је добио вишеструко ефикаснију пумпу.
По логици конструкције, то је био револуционаран корак у стварању праве топлотне машине, који су његови савременици оценили као сасвим генијалан. Данас се по Вату у SI ситему назива јединица за снагу (W=Ј/с), што је засновано на слави коју је без сумње стекао због ове идеје.
Описујући у својим сећањима како је шетајући улицама Глазгова дошао до овог решења, сам Ват је записао: „Кад се анализира, ово откриће није толико велико као што се чини. У стању у ком сам затекао парну машину, није био потребан баш претерани труд да се примети како ће количина горива неопходна за стварање рада увек спречавати његову ширу примену. Следећи мој корак је био да установим шта је узрок толике потрошње горива, што је унапред сугерисано.“
Наравно, Ват је свој изум даље развио, додајући бојлер са бољом изолацијом, индкатор напона паре, и разна друга механичка решења. Због мањка средстава, у том подухвату се удруживао са више партнера, све док се 1775. године није удружио са Метјуом Болтоном, са којим је започео сарадњу дугу 25 година. Они су код Бирмингема направили прву фабрику парних машина на свету, која је до 1824. године произвела готово 1200 парних машина.
ЈЕДНА ОПКЛАДА
Но, Ват и Болтон су још 1781. године помоћу „сунце и планете“ зупчаника омогућили пренос снаге машине са полуге на точак, што је унапређење које је развио један од њихових запослених, Вилијам Мардок (1754–1839), који се бројним изумима такође прославио као проналазач.
Пренос снаге на точкове је отворио пут ка стварању првих локомотива. Током прелаза два века настало је на десетине разних решења, али је проблем била њихова премала снага. Међу осталима, Ват и Бултон су инсистирали на машинама које су радиле на ниским притисцима, сматрајући високе притиске опасним. Но, било је и других виђења.
Енглески проналазач Ричард Тревитик (1771–1833) приказао је на јавној демонстрацији 1801. године возило које је покретала парна машина са великим притиском паре. Две године касније дошло до удеса у коме је погинуло четворо људи, тако да је Тревитик био жестоко нападан од конкуренције. Но, он није одустао од високог притиска и само је повећао сигурносне мере.
Због једне опкладе, Тревитик је 1804. направио прву икада констрисану парну локомотиву која је пред великом публиком пренела терет од десет тона, пет вагона и 70 људи на растојање од 16 километара од насеља Пенидарен до Аберсинон у Јужном Велсу. Усавршавање овог изума уследило је после Наполеонових ратова, чима је започела највећа инжењерска утакмица у 19. веку.
Током тог такмичења, свет је постао сасвим другачији. Убрзано су развијане машине са више снаге, већим бројем цилиндара и тактова, да би на прелазу следећа два века, парни клипни мотори достигли свој врхунац. И потом, били избачени из употребе.
ТОПЛОТНА ЕВОЛУЦИЈА
Разлози за тако брзо напуштање клипних парних мотора су управо у њиховом брзом развоју. Као што смо видели, парна машина и њено златно доба у 19. веку су део једног знатно дужег процеса. Може се рећи да се она толико проширила светом пре свега зато што је била прва која је могла да са подношљивим губицима претвори било коју топлотну енергију у механички рад. И да је управо зато и нестала.
Парна машина је сво време развијана због потребе за већом ефикасношћу постојећих решења и на крају, и сама сасвим одбачена из те исте потребе. Она је увек била замишљена као топлотни мотор са спољним сагоревањем, где се топлота која улази у њен циклус може добити при сагоревањем угља или дрвета, али и из било ког другог извора, од соларних до нуклеарних. Но, са развојем далеко ефикаснијих мотора са унутрашњим сагоревањем, њена примена је изгубила смисао.
Са друге стране, парна машина је део једне породице која уопште није изумрла. Она је само једна угашена еволутивна грана међу топлотним машинама. Оно што је Џејмс Ват развио са додавањем кондензатора била је само прва широко прихваћена топлотна машина. Данас су разне такве машине свуда око нас, од фрижидера и бензинских мотора, до на крају карјева, парних турбина.
Ако се вратимо у епоху која је претходила Њукоменовој пумпи, можемо да је посматрамо као раскршће у коме се одвојила једна еволутивна грана парних цилиндара са клипом. Она се изузетно убрзано развијала и потом изумрла. Но, у међувремену су преживеле гране које су се паралелно развијале и тако довеле до настанка парних турбина.
Битно различите од Ватовог мотора, парне турбине се данас итекако користе, пре свега у производњи електричне струје. Топлотна енергија која се у термоелектранама добија из угља, а у нуклеарним електрана у процесу фисије, предаје се пари која затим покреће парну турбину и електрични генератор који производи струју. Сматра се да на овај начин парне турбине производе чак 80 одсто електричне енергије на свету. У њима је изумрла парна машина заправо добила задовољавајућег наследника.
ТОПЛОТНИ ЦИКЛУС
Парна машина, са клиповима или турбином, спада у топлотне машине са спољним сагоревањем. Свака топлотна машина увек прима топлоту од топлотног резеорвара на вишој температури и предаје је хладњаку (кондензатору) на нижој. По Првом принципу термодинамике, односно Закону одржања енергије, машина током сваког топлотног циклуса у механички рад претвара разлику ових топлота, унете и испуштене. Термодинамички циклус по коме ради парна машина је познат као Ранкинов. Као радно тело у цилиндру, машина користи водену пару под притиском по којој је добила име и која се шири и скупља, померајући клип цилиндра и мењајући притисак и температуру у зависности од дела кружног циклуса. Степен корисног дејства код машина са клипом није нарочит. Само неколико процената уложене топлоте претвара се на крају у користан рад.