А что же служит «поршнем», выталкивающим воду из шахты? Давление воздуха. Представьте следующую схему: у вас есть шахта с водой на дне, вакуумный насос на уровне земли и шланг, протянутый от насоса на дно шахты. Когда насос начинает работать, вода поднимается вверх по шлангу. Но дело не в том, что насос каким-то образом толкает воду вверх: это воздушный столб давит на поверхность воды. Вам это кажется странным: воздух давит вниз, а вода поднимается вверх? Но это именно так. Представьте дрожжевое тесто. Положите на него руку и сильно надавите. Что происходит? Под пальцами тесто сжимается, но между пальцами выпячивается наружу. Другими словами, осаждение теста в одном месте приводит к его подъему в другом. То же самое происходит с водой, когда на нее давит столб воздуха. Воздух давит почти на всю поверхность воды, но под действием этой силы в любом месте, где давление ослабевает (например, в шланге, присоединенном к вакуумному насосу), вода поднимается наверх.

Должно быть, все эти рассуждения о вакууме и давлении воздуха показались вам слишком заумными. Пожалуй, это действительно не лучший способ объяснить, почему газированная вода из стакана поднимается по соломинке (прошу вас, не мучьте никого рассказами о том, что напиток поднимается в рот не под действием силы легких, а под давлением воздушного столба, хотя это именно так). Однако когда речь идет о подъеме жидкости на несколько метров, это уже важно. Дело в том, что в таком случае влияние силы тяжести становится весьма заметным.

Чтобы оценить противостояние силы тяжести и давления воздуха, представьте шахтера, пытающегося поднять воду со дна шахты с помощью вакуумного насоса Севери. Я избавлю вас от расчетов, но скажу, что, если Севери закачивал в шланг столб воды высотой 30 см, на этот столб жидкости действовала сила тяжести 0,027 атм. Такой столб жидкости удерживается давлением воздуха 1 атм. Поскольку 1 атм больше 0,027 атм, давление воздуха побеждает. Если в шланг закачивали 60 см воды, сила тяжести возрастала вдвое и достигала 0,05 атм — все еще меньше 1 атм. Но в какой-то момент сила тяжести превышает 1 атм, и столб воды перестает подниматься. Несложный расчет показывает, что это происходит на высоте около 10 м.

Именно до этого предела и дошел Томас Севери. На самом деле на Земле нет такого вакуумного насоса*, даже идеального, который мог бы поднять воду на высоту более десяти метров; у нашей атмосферы просто не хватает для этого мышечной силы. Но насос Севери не был идеальным, и поэтому поднимал жидкость не более чем на 9 м.

И теперь пришло время вспомнить о второй части устройства, которая позволяла дополнительно поднять столб жидкости с помощью пара. Это устройство не имело внутренних ограничений. Постоянно повышая давление пара, теоретически можно поднять столб жидкости даже до Луны. Проблема заключалась в том, что в 1690-х гг. не существовало таких клапанов и соединительных трубок, которые выдержали бы очень высокое давление. Поэтому вторая часть устройства позволяла поднять жидкость еще на 10 м. В целом насос Севери поднимал воду на высоту до 18 м. Лучше, чем лошадь, но хотелось большего.

Наконец, в 1710-х гг. кузнец Томас Ньюкомен разработал более совершенное устройство. Оно тоже состояло из двух частей. Первая часть представляла собой камеру с поршнем, который двигался вверх и вниз под действием пара. Чтобы понять принцип действия этой конструкции, сначала представьте поршень в верхнем положении. Поршень удерживается облаком пара и не движется с места, пока в камере есть пар. Но как только поршень начинает оседать, под ним открывается клапан, и ситуация изменяется. Через клапан в камеру проникает холодная вода, уничтожающая пар. Пар конденсируется, превращаясь в воду, которая вытекает через трубку на дне цилиндра (в этот момент, как рассказывали свидетели, из насоса доносилось сопение). Важно, что в результате конденсации пара поршень уже не удерживается в верхнем положении, а спускается вниз под давлением внешнего воздуха. Однако, прежде чем он ударяется о дно цилиндра, открывается другой клапан. При этом в камеру опять начинает поступать пар, выталкивающий поршень вверх. Кризис преодолен, поршень покоится на облаке пара — пока опять не открывается подлый клапан, впуская холодную воду и возобновляя цикл.

В данном устройстве поршень не качает воду — он только обеспечивает необходимую для этого энергию. Перекачивание воды происходит в другом отсеке. Над поршнем располагается гигантская деревянная балка, раскачивающаяся вверх и вниз, как нефтяная вышка (шахтеры импортировали эти 12-метровые громадины из девственных лесов Британской Колумбии или с берегов Балтийского моря). Одним концом балка привязана к поршню и поэтому опускается и поднимается вместе с ним. Это движение приводит в действие насос, связанный с дальним концом балки. Честно говоря, такое устройство нельзя назвать полноценным насосом. По большому счету, это просто бадья, которая в каждом цикле поднимает воду на несколько десятков сантиметров. Однако, в отличие от хитроумного вакуумного насоса, устройство не имеет ограничений, связанных с атмосферным давлением. И каким бы примитивным ни казался этот аппарат, рабочая часть насоса Ньюкомена — паровой поршень — обеспечивала такую мощность, что шахтерам удавалось поднять воду на высоту до 45 м — невероятное достижение для начала XVIII в.

К сожалению, воспользоваться насосом могли немногие. Стоимость устройства достигала фантастической суммы в 1000 фунтов. Кроме того, насос ежедневно потреблял невероятное количество угля. Крупные шахты не могли без него обойтись, но одни только расходы на топливо грозили разорением. Насос больше походил на вымогателя, чем на друга, но заменить его было нечем.

И тут на сцену вышел Джеймс Уатт. Занимаясь починкой сломанной игрушки для университета, он заметил некоторые недостатки конструкции Ньюкомена, особенно избыточное потребление топлива. Сегодня мы говорим об этом в терминах тепловой энергии, однако в то время ученые еще не сформулировали основных понятий термодинамики, и поэтому Уатт говорил о «потерях пара». Теперь это выражение звучит старомодно, однако оно было совершенно справедливо. В то время пар действительно был ценным продуктом.

У Уатта не было научного образования, так что он занялся проблемой потерь пара по-своему. По утрам он собирал пар от чайника и что-то плавил. По вечерам засиживался над книгами о флогистоне или проводил химические опыты. И он все же приобрел некоторые знания благодаря беседам с шотландским профессором химии Джозефом Блэком, открывшим диоксид углерода. Блэк занимался изучением фазовых переходов — переходов веществ из твердого состояния в жидкое, из жидкого в газообразное и т. д. И именно эти исследования позволили Уатту найти то, что он искал.

Представьте кувшин с холодной водой. Начнем греть воду от 0 до 1 °C, потом до 2 °C и т. д., пока не достигнем температуры кипения воды. Каждый раз для повышения температуры на один градус расходуется примерно одинаковое количество энергии, около 1 ккал/кг воды. Однако если вы захотите согреть воду выше 100 °C, произойдет нечто странное. Вода кипит при температуре 100 °C, а при 101 °C она превращается в пар. На основе сказанного выше можно предположить, что нагревание пара от 100 до 101 °C требует таких же энергетических затрат, как нагревание воды от 99 до 100 °C. Ничего подобного. Между жидкой водой и паром пролегает глубочайшая пропасть. Для нагревания воды от 0 до 100 °C требуется намного меньше энергии (в пять раз), чем для превращения того же количества воды в пар от 100 °C. Это как марафон, который заканчивается высоко в горах: первые 40 км преодолеваются намного легче заключительных сотен метров. Дело в том, что пар поглощает гораздо больше энергии, чем вода.

Блэк называл эту избыточную энергию пара «скрытой теплотой», и Уатт использовал данную идею для объяснения низкой эффективности насоса Ньюкомена. Вспомним, что в начале цикла Ньюкомена поршень находился в верхнем положении. Затем поршень опускался в результате конденсации пара при проникновении в цилиндр холодной воды. Очевидно, что холодная вода охлаждала пар до температуры ниже 100 °C. Не так очевидно, что вода, кроме того, охлаждала еще и поршень и цилиндр. В противном случае на горячей поверхности металла только что образовавшиеся капельки конденсата тут же вновь превращались бы в пар. По этой причине в цилиндр нужно было заливать гораздо больше холодной воды, чем кажется на первый взгляд, что приводило к дополнительным потерям времени и энергии. Однако самые большие потери происходили в обратном процессе. Для подъема поршня из нижнего положения нужна была следующая порция пара. Но, к сожалению, теперь металлические поверхности были холодными, так что поначалу весь пребывающий пар конденсировался на холодных стенках и поршне. Другими словами, холодная поверхность, как вампир, высасывала энергию пара, превращая его в непригодные для работы капельки воды. Чтобы преодолеть эту проблему, приходилось добавлять больше пара, а значит, кипятить больше воды, сжигать больше угля и тратить больше денег. В общем, эффективность данного процесса была невелика. Уатт рассчитал, что насос Ньюкомена понапрасну растрачивал 80 % пара. Иными словами, четыре из пяти долларов выбрасывались на ветер. Вот почему Уатт жаловался на «потерянный пар»: пар содержит так много «скрытой энергии», что все, что снижает эффективность действия пара, снижает эффективность всего процесса.