蒸汽机的发明和改进

工具机的技术革命，要求为它们提供强大而方便的动力，必然要引起动力上的革命。

生产上的各个部门和各个环节是相互联系的，一个部门的技术进步必然推动其他部门的技术改造。在蒸汽机发明以前，机器大多靠水力推动，工厂必须沿河建在有流水落差的地方，而且水力还受到气候和季节的限制。

另一方面，英国煤矿排水主要是用马拉辘轳推动水泵来抽排矿井深处的水，采煤业的发展也急需新的动力机械。政府已多次悬赏解决排水问题。

蒸汽机是利用水蒸气作为工作介质的热机。当时蒸汽机的工作原理，都是利用蒸汽冷凝形成局部真空，而后靠大气压力做功，实际上是大气压力机。所以，蒸汽机从科学理论上是起源于对真空和大气压力的认识。

1643年，意大利物理学家托里拆利（1608年—1647年）通过著名的水银柱实验，发现并测定了大气压力。1647年，法国科学家帕斯卡（1623年—1662年） 出版了《关于真空的新实验》，澄清了自亚里士多德以来认为“自然界厌恶真空”的错误概念。1654年，德国物理学家格里凯（1602年—1686年）在马德堡进行了关于大气压力的著名的半球实验：他在德皇迪南二世和众多观众面前，将两个直径约36厘米的铜制半球涂上油脂对接上，用他发明的真空抽气机抽出空气，然后用16匹马才将两个半球拉开，显示出大气压力的威力。1662年，波义耳发现了气体的体积与它的压力成反比的定律；并且研究过水的沸点与压力的关系，证明当压力大于标准大气压时，水温即使超过沸点也不会沸腾。1690年，法国物理学家巴本（1647年—1712年）用一重力阀造成了锅内高压，由此发明了高压锅。后来，他又想用高压锅内产生的蒸汽推动活塞，回程则靠蒸汽冷凝后由大气压力来完成。这一实验设计就是当时蒸汽机的基本工作原理。

1705年，英国铁匠纽可门（1663年—1729年）发明制造了能应用于矿井排水的蒸汽机——大气压力活塞式蒸汽机。基本原理是：一个蒸汽缸，安装在一个锅炉上，用一根短管和一个控制阀与之相连，汽缸备有一个活塞，活塞用链条悬挂于一根杠杆（摆动梁），后者的另一端向矿井悬下连接泵杆。只有当压力略微超过大气压时，蒸汽才可进入汽缸，推动活塞上行。由于承受泵杆重载的杠杆压倒活塞，最终将使其停住。每次冲程结束，蒸汽隔绝。当活塞上表面的大气迫使活塞返入汽缸时，冷水注入汽缸冷凝蒸汽。这样，杠杆的运动逆转，工作冲程也就完成了。纽可门在汽缸里装了一个冷水喷射器。

纽可门蒸汽机同50匹马所做的工作一样多，可是花费只有1 /6。因此，它很快被普遍采用，一直使用到瓦特单独冷凝器蒸汽机的出现。纽可门蒸汽机也存在着不少缺点：效率低；每一分钟最多只能作20个冲程；燃料耗费大，用费很高。每马力每小时耗煤25千克。它只能做直线运动，应用范围受到限制。当时往往采用蒸汽机抽水到蓄水池，而后再用水力来推动轮子，即是火力泵和水力泵联用的动力机。

瓦特（1736年—1819年）是一个经常与格拉斯哥大学有来往的机械商，他努力自学了研究蒸汽机所必需的力学、物理学、化学、数学等知识，并且与格拉斯哥大学解剖学和化学教授、热学理论的创始者约瑟夫·布莱克（1728年—1799年）以及《国富论》的作者亚当·斯密（1723年—1790年）等人的交往甚密。1763年—1764年他受学校委托负责修理大学所有的纽可门式蒸汽机，他发现这种蒸汽机的效率很低（大约为1%）　。瓦特根据比热、潜热的概念分析了上述现象，认为纽可门蒸汽机的主要缺点是在汽缸内反复进行冷凝，把大量热能浪费于重新加热汽缸——蒸汽进入汽缸时，温度上升到100℃以上，然后为了得到局部真空，又喷水迅速使其冷却到20℃左右，这一冷一热，使很大一部分蒸汽没有用在做功上。针对这个问题，瓦特在1765年研制成功了同汽缸分离的单独的冷凝器，并且采取了精密加工、油润滑和设置绝热层等措施，改进了纽可门蒸汽机，使热效率提高到3%以上。瓦特是在一个星期日外出散心的时候突然想到他的解决办法的。他的想法是，如果把做功后的蒸汽压至汽缸外面的另一个容器中去冷却，那么，汽缸在整个循环过程中就可以始终保持是热的。由此，避免了把汽缸交替着一会儿加热一会儿冷却的不足，对燃煤的节约自然十分可观。

1781年，瓦特发明了变直线运动为旋转运动的“太阳—行星”齿轮机构和飞轮装置，改变了蒸汽机只能直线做功的状态。1782年，瓦特进一步设计出了双向汽缸，使热效率又增加了一倍。瓦特后来又发明了离心调节器，它使输入汽不致太多或太少。具有连杆、飞轮和离心调速器的双向蒸汽机，使蒸汽机可以把直线运动变为连续而均匀的圆周运动，因而可以经过传动装置带动一切机器运转，给整个工业和交通运输业提供了一种可靠的通用动力机。这一划时代的成就使他在1794年获得了发明专利（专利第913号）。作为资本主义大工业动力机械的蒸汽机就由此诞生了。它的身影迅速出现在工厂、矿山、火车、轮船上，蒸汽机带动着纺织机、鼓风机、抽水机、磨粉机，造成了纺织、印染、冶金、采矿和其他工业部门的迅速发展，创造出人们以前无法想象的技术奇迹，真正意义上的社会化大生产出现了，从根本上革新了资本主义生产的方式。