Роль Августина Бетанкура в развитии термодинамики

105

Августин Бетанкур - 250 лет со дня рождения

9. А. А. Бетанкур (1758-1824). Учёный, инженер, архитектор, градостроитель / А. Н. Боголюбов, В. Е. Павлов, Н. Ф. Филатов. - Н. Новгород : ННГУ, 2002. - 219 с.

10. Математика. Поиск истины / М. Клайн; пер. с англ.; ред. В. И. Аршинов, Ю. В. Сачков. - М. : Мир, 1988. - 295 с.

11. Memoria sobre un Nuevo Sistema de Navegacion Interior. Noticias Biograficas de D. Agustin de Bethencout y Molina // Materiales de Historia de la Ciencia. - 2003. -Fundacion Canaria orotava de Historia de la Ciencia. - № 5. - 99 p.

12. Ленинградский ордена Ленина институт инженеров железнодорожного транспорта имени академика Образцова (1809-1959). - М. : Всесоюзн. изд.-полигр. объед. МПС, 1960. - 388 с.

13. Августин Бетанкур - талантливый менеджер своего времени / В. Е. Павлов // КИПСинфо. - 2006. - № 8. - С. 34-35.

14. Проректоры по учебной работе Петербургского государственного университета путей сообщения (1809-1999) / И. В. Прокудин, Б. Ф. Тарасов. - СПб. : ПГУПС, 1999. - 99 с.

В тексте использованы иллюстрации из материалов выставки, посвящённой жизни и творчеству выдающегося учёного, инженера, градостроителя, государственного деятеля, организатора и первого ректора Института Корпуса инженеров путей сообщения Августина Бетанкура, переданной в дар Петербургскому университету путей сообщения от Правительства Королевства Испании наследным принцем Филиппе Астурийским в дни празднования 300-летия Санкт-Петербурга в 2003 г.

И. Г. Киселев

доктор технических наук, профессор кафедры «Теплотехника и теплосиловые установки» ПГУПС

Д. В. Никольский

кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплотехника и теплосиловые установки» ПГУПС

РОЛЬ АВГУСТИНА БЕТАНКУРА В РАЗВИТИИ ТЕРМОДИНАМИКИ

Термодинамика, один из фундаментальных разделов физики, имеет необычную историю становления как наука, действующая в рамках сегодняшних представлений о природе энергии, взаимопреобразовании теплоты и работы.

Человечество издревле училось использовать тепловые явления: от первого костра в пещере до паровой машины оно прошло долгий путь эмпирических исследований и интуитивных открытий. Качественные скачки эволюции общества определило изобретение паруса, двигающего корабль

ISSN 1815-588X. Известия ПГУПС

Январь-февраль 2008

106

Материалы Международной научно-практической конференции

из-за теплового движения масс воздуха - ветра, создание огнестрельного оружия и, наконец, парового двигателя. Последний впервые был построен в Англии в XVIII веке, когда рост производства привел к запрету на вырубку леса для изготовления древесного угля и к необходимости добычи каменного угля, запасы которого находились под водяными пластами.

В 1698 году Томас Севери запатентовал водяной насос, приводимый в движение паром. В 1712 году насос был усовершенствован Томасом Ньюкоменом, в машине которого пар давил не непосредственно на поверхность воды, а на поршень в цилиндре. Значительные потери теплоты и большой расход топлива привели к модернизации машины, предложенной Джеймсом Уаттом, разработавшим в 1763 году конструкцию с отдельным конденсатором, связанным с цилиндром через клапан. Это позволило отказаться от попеременного нагрева и охлаждения цилиндра, который смог оставаться постоянно нагретым и даже изолированным, чтобы теплота не уходила в окружающую среду, что повышает КПД паровой машины.

Практика значительно опережала теоретические исследования, что было нетипично для развития науки и техники в целом.

В науке о тепловых машинах, как и в гидравлике, в этот период происходило примерно следующее. Закладывались основы теоретических построений, устанавливались основополагающие законы, писались базовые уравнения. Исаак Ньютон (в 1779-1785 гг.) вывел закон теплообмена, Жан Батист Жозеф Фурье (в 1807 г.) - теплопроводности. Все исходили из представлений о теплоте как о некоей субстанции, подобной эфиру; что она, как жидкость, перетекает из одного предмета в другой, вызывая тем самым остывание одного и нагрев другого. Называли эту неясную субстанцию теплород, спорили о его свойствах.

Расчеты тепловых процессов не удавались, пока в термодинамике не была принята модель идеального, или совершенного, газа (само понятие газа было введено голландским учёным Яном Баптистом ван Г ельмонтом в XVII веке). Его молекулы рассматривались как материальные точки, не имеющие объема, но обладающие массой, при этом силами межмолекулярных взаимодействий пренебрегали. В реальности такой газ мог исследоваться при больших разрежениях и низких температурах. Он стал тем объектом, на котором сошлись все вычисления и лабораторные опыты, таким образом были неопровержимо доказаны физические законы.

Французские физики Эдм Мариотт (в 1776 г.), Жак Шарль (в 1787 г.), Жозеф Гей-Люссак (в 1802 г.), англичанин Роберт Бойль (в 1762 г.) и итальянец Амадео Авогадро (в 1811 г.) закладывали основы термодинамики -учения об энергии, вплотную соприкасающегося с извечными философскими вопросами: как создана и устроена вселенная, что заставляет мир двигаться и к чему он идет.

Январь-февраль 2008

Proceedings of Petersburg Transport University

107

Августин Бетанкур - 250 лет со дня рождения

Но стройная теория с математическим аппаратом, основанная на законах для идеального газа, давала большие расхождения с опытами на реальных жидкостях и газах, особенно на водяном паре, которым еще Г ерон Александрийский (между 150 г. до н. э. и 150 г. н. э.) заставил крутить свой эолипил, или «ветряной шар», - прообраз паровой машины.

Механикам ничего не оставалось, как конструировать тепловые двигатели вслепую, основываясь только на практическом опыте. После многих неудачных конструкций в Англии была построена новая модель паровой машины Джеймса Уатта.

Августин Бетанкур, находившийся в тот период во Франции, имел возможность ознакомиться с этим агрегатом. Как инженера-механика его не мог не интересовать тепловой двигатель, и его работа в этом направлении повторила общий ход развития теплотехники - от практики к теоретическому исследованию.

Бетанкур обследовал две паровые машины, полученные от Уатта французами, братьями Жаком-Константином и Огюстом-Шарлем Перье, для водоснабжения Парижа и установленные в местечке Шайо, и решил выехать в Лондон.

Прибыв на частное промышленное предприятие, фабрику «огневых» машин Уатта и Болтона в Бирмингеме, он столкнулся с препятствием в виде коммерческих секретов. Бетанкуру показали только внешний вид последней модели, к тому же разделенной перегородками, и сообщили, что механизм существенно усовершенствован. Но англичанам не помогло то, что машина была показана Бетанкуру не целиком, а частями. Ему достаточно было заметить, что поршни насоса и самого парового цилиндра не прикреплены цепями к балансиру. Бетанкур знал, что у старой машины поршень работает только в одном направлении, в другом его оттягивает балансир за эту самую отсутствующую цепь. А что это может означать? Раз цепи нет, поршень сам идет обратно? Естественно, сам. Значит, он идет назад и тоже совершает работу? Естественно. То есть он работает и туда и обратно? Делает двойное действие? Да, с точки зрения конструкции это возможно.

Так Августин Бетанкур, благодаря накопленному им опыту исследования тепловых процессов, таланту инженера-механика и глубокому пониманию принципа действия машин и механизмов, самостоятельно создает передовую для своего времени конструкцию и заново открывает принцип паровой машины двойного действия.

Вернувшись в Париж, Августин рассказывает о своем изобретении и мгновенно получает от восхищенных французов все возможное содействие для построения агрегата собственной разработки.

«Моя модель огневого насоса, - пишет он в письме брату, - претерпела ужасные мутации с моим путешествием в Лондон. Из уже сделанных деталей едва ли четверть пошла в дело; и господа Перье видели планы, ко-

ISSN 1815-588X. Известия ПГУПС

Январь-февраль 2008

108

Материалы Международной научно-практической конференции

торые я сделал и остались так ими довольны, что будут их исполнять на большой машине, со всеми инновациями, которые я осуществил»1.

Бетанкур пишет работу «Memorie sur une machine a vapeur a double ef-fet» («Записки о паровой машине двойного действия») и 15 декабря 1789 года представляет ее в Академию наук Франции.

Он понимает, что требуется последний, решающий шаг - свести теоретические и реальные результаты в общую доктрину. Он сооружает лабораторную установку для изучения свойств водяного пара. Котел с хитроумной системой увеличения давления, термометр собственной конструкции с особо точной шкалой, ртутный манометр. Добивается, чтобы при нагревании дистиллированной воды столбик термометра поднимался строго на одно деление в минуту. Придумывает систему поправок к показаниям приборов для устранения погрешностей. Пишет методику расчета взаимосвязи температуры и давления пара со степенными уравнениями, используя математический метод интерполирования своего друга Прони2.

Результатом этой работы стали «Memorie sur la force expansive de la vapeur de l ’eau» («Записки о силе расширения водяного пара»), опубликованные в конце 1790 года.

Это была пионерская работа, Бетанкур стоял в шаге от нового направления в науке. По этому пути пойдет развитие термодинамики, эти идеи подхватит впоследствии его последователь и сотрудник Бенуа Клапейрон.

Но Бетанкур еще не обладал тем весом и авторитетом в академических сферах, который позволил бы его работам оказать серьезное влияние на научную общественность.

Революционные идеи в науке далеко не всегда быстро завоевывают признание. Граф Румфорд , торжественно поклявшийся положить жизнь на опровержение ложной теории теплорода, провел свой знаменитый опыт по определению теплоты, выделяющейся при сверлении пушечного ствола (1798 г.). Измерив ее и сопоставив массы ствола и вырезанной стружки, он, казалось бы, неопровержимо доказал, что никакого теплорода в природе нет. Эти результаты были доведены до всеобщего сведения, а солидность их автора тоже не ставилась под сомнение - видный военный теоретик, ученый, министр. Но в это время Пьер Симон Лаплас на основе старой

1 Письмо А. Бетанкура брату Х. Бетанкуру. Париж, 6 марта 1789 г. Семейный архив.

2 Гаспар Франсуа де Прони (1750-1839), выдающийся французский ученый, с 1798 года руководил Ecole des Ponts et Chaussees - Парижской школой мостов и дорог, барон (с 1828 года).

3

Бенджамин Томпсон (1753-1814), уроженец США, занимал должности министра обороны, полиции и главного камергера князя Максимилиана Баварского. Принял титул графа Румфорда (1791). Известный ученый и изобретатель в области науки и военной техники, учредитель румфордовской медали Королевского общества Великобритании.

Январь-февраль 2008

Proceedings of Petersburg Transport University

109

Августин Бетанкур - 250 лет со дня рождения

теории провел необычайно изящные теоретические расчеты по вычислению поправки к выражению Ньютона для скорости звука, очень точно совпадавшие с лабораторными опытами. Академические круги, сводя на нет все результаты Румфорда, заявили, что .. .теплород просто невесом!

Не произвела впечатления и работа ученика Румфорда, Хэмфри Дэви (1798 г.), по трению двух одинаковых кусков льда, которые таяли под воздействием механической работы, причем взаимный переток теплорода не мог учитываться вследствие одинаковых размеров и температуры кусков. Чтобы переубедить научное общество, понадобились долгие годы и экспериментальные работы Джеймса Прескотта Джоуля (1843-1850 гг.), со скрупулезной точностью измерившего превращение механической работы в теплоту.

Работа Бетанкура о свойствах пара, безусловно, входит в золотой фонд термодинамики. Она развита и продолжена в фундаментальных уравнениях Клапейрона. Более того, она получила высокую оценку со стороны французской Академии наук. В рецензии от 4 сентября 1790 на его «Записки о силе расширения водяного пара», подписанной такими авторитетами, как Борда, Монж и Бриссон4, особо подчеркивалось, насколько актуальна эта работа с научной точки зрения. В отзыве французских ученых, опубликованном в качестве послесловия к труду Бетанкура, говорилось: «Нам не хватало по этой теме серии точных и прямых экспериментов, в области которых, задаваясь градусом температуры закипающей воды, можно было бы узнать образующуюся силу расширения пара, и обратной зависимости. Нам не хватало также аналитического закона, который выразил бы пропорцию, существующую между температурой воды в процессе кипения и давлением, уравновешивающим силу пара. Эти предметы Бетанкур предлагает в своем исследовании». Отмечались также два прикладных результата, полученные в работе: возможность определения высоты возвышенности по температуре кипения воды и методика градуировки термометра.

Сама тепловая машина двойного действия, построенная Бетанкуром, была использована в промышленных целях. Та же фирма Перье, ввезшая во Францию первые двигатели Уатта, построила ее увеличенный фабрич-

4 Жан Шарль Борда (1733-1799), академик с 1757 года, автор трудов по гидравлике, чистой и прикладной математике и астрономии. Изобретатель ряда морских инструментов, употребляемых для определения широты и долготы.

Гаспар Монж (1746-1818), математик и общественный деятель, член Парижской академии с 1780 года. Профессор Мезьерской военно-инженерной школы (с 1768), один из основателей и профессор Политехнической школы в Париже (с 1794).

Матюрен Жак Бриссон (1723-1806), естествоиспытатель, ученик Реомюра. Профессор физики в Наваррской коллегии в Париже, потом в Центральной школе и в Бо-напартовском лицее; известен также как орнитолог.

ISSN 1815-588X. Известия ПГУПС

Январь-февраль 2008

110

Материалы Международной научно-практической конференции

ный вариант для привода механического оборудования в соответствии с идеями автора. Наконец, она даже попала в фундаментальный труд барона Прони «Гидравлическая архитектура» 5.

В 1820 году Августин Августинович Бетанкур, уже бывший руководителем Института Корпуса инженеров путей сообщения в Петербурге, пригласил из Парижа двух выпускников Политехнической школы - Ламе и Клапейрона.

Габриель Ламе, ставший членом-корреспондентом Академии наук в Петербурге, впоследствии вернулся во Францию и был избран членом Парижской академии.

Бенуа Клапейрон первоначально читал в Петербурге лекции по химии и прикладной механике. Имея возможность ознакомиться с работами и методикой преподавания Бетанкура по теплотехнике и начертательной геометрии, он тоже вернулся в 1830 году в Париж, где заинтересовался вышедшим в 1824 году трактатом Никола Леонара Сади Карно «Reflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres a developper cette puissance» («Рассуждение о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу»), повторил ход его мысли и, впервые применив графический метод в термодинамике, придал его результатам геометрическую форму.

Этот случай, уникальный в истории науки, удивителен. Единственный опубликованный при жизни труд Карно (1796-1832) был закончен им в 28летнем возрасте, когда господствовала ошибочная вещественная теория теплоты. Он сравнивал тепловую машину с водяной и предположил, что работа получается только вследствие перехода теплоты из горячего источника в холодный, еще не понимая принципа перехода теплоты в работу. И все же эта неверная посылка привела его к настолько глубоким выводам, что он смог сформулировать основополагающие ныне принципы термодинамического цикла и идеального теплового двигателя, побудив профессиональных ученых следовать своим идеям. Исследуя цикл Карно, Клапейрон вывел уравнение состояния идеального газа и открыл зависимость точек плавления и кипения от давления.

Эти идеи, в свою очередь, нашли развитие в трудах Рудольфа Клаузиуса (1822-1888)6, одновременно с Джоулем, Гельмгольцем и Рен-кином придавшим термодинамике, этому фундаментальнейшему разделу физики, современную научную форму. Так можно проследить влияние ра-

5 Gaspard Clair Francis Riche, baron de Prony. Nouvelle architecture hidraulique. -Paris, 1790. - P. 556-575.

6 Уравнение Клапейрона-Клаузиуса описывает процессы фазового перехода вещества (испарение, плавление, сублимацию, полиморфное превращение и др.). Кроме вклада в термодинамику, Клаузиус известен работами по упругости тел, оптике и динамическому электричеству.

Январь-февраль 2008

Proceedings of Petersburg Transport University

111

Августин Бетанкур - 250 лет со дня рождения

бот Бетанкура в течение XIX столетия от Петербурга по всей Европе. Это яркий пример неразрывности эволюционного процесса развития науки и главное доказательство плодотворности международной интеграции, взаимного обогащения культур народов.

А. О. Балунов

директор Санкт-Петербургской бумажной фабрики - филиала ФГУП «Г ознак»

О. В. Воробьёва

заведующая справочно-информационным фондом Санкт-Петербургской бумажной фабрики - филиала ФГУП «Г ознак»

А. А. БЕТАНКУР - ОРГАНИЗАТОР СТРОИТЕЛЬСТВА ЭКСПЕДИЦИИ ЗАГОТОВЛЕНИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫХ БУМАГ

250 лет назад, когда родился Агустин Хосе Педро дель Кармен Доминго де Канделярия де Бетанкур-и-Молина (в России его звали Августин Августинович Бетанкур), в России бумажные деньги еще не появились. В обращении были металлические, в основном медные монеты. Доставка и хранение их создавали определенные трудности.

Только в 1768 году, в период царствования Екатерины II, вышел «Манифест об учреждении в Санкт-Петербурге и в Москве Государственных ассигнационных банков для вымена ассигнаций». В нем указывалось:

«Во-первых, удостоверились Мы, что тягость медной монеты, одобряющая ее собственную цену, отягощает ее же и обращение. Во-вторых, что дальний перевоз всякой монеты многим неудобствам подвержен, и наконец, третье, увидели Мы, что великий есть недостаток в том, что нет еще в России, по примеру разных Европейских областей, таких учрежденных мест, которые чинили надлежащие денег обороты и переводили бы всюду частных людей капиталы без малейшего затруднения и согласно с пользою каждого».

В Государственные ассигнационные банки вложили по 500 тыс. рублей медной монетой, а в 1769 году на эту сумму напечатали ассигнации достоинством 25, 50, 75 и 100 рублей. Бумага для первых ассигнаций изготавливалась на Красносельской частной фабрике графа Сиверса, а деньги печатались в Сенатской типографии в Санкт-Петербурге и обменивались в банках на монеты в том количестве, которое значилось в ассигнации. Однако уже через два года в банках обнаружили первые фальшивые деньги.

ISSN 1815-588X. Известия ПГУПС

Январь-февраль 2008