蒸汽机的发明与改进

第一节　蒸汽机的发明与改进

一、第一台单缸活塞蒸汽机

用蒸汽作为动力的设想，最早出现在公元前130年，埃及人希龙制作了一种“原始小涡轮”的玩具，首次将蒸汽作为动力，但在此后1000多年并没有蒸汽动力出现。

法国人巴本第一个发明的单缸活塞式蒸汽机

17世纪上半叶，大气压力和真空概念已广为人知。在“蒸汽机之父”瓦特之前，早已有人发明了多种形式的实用蒸汽机。法国工程师巴本（1647～1712）在使蒸汽动力技术实用化方面迈出了一大步。巴本1671年在巴黎结识荷兰物理学家惠更斯，并协助惠更斯做大气压力和真空实验，1674年他改进了波义耳的空气泵。波义耳听到这个消息，便邀请巴本当他的助手。1675年，巴本来到伦敦跟随波义耳系统学习气体力学知识，1679年，巴本研制出了一种“蒸煮器”，就是现代人们常用的高压锅。为此，他于1680年当选为英国皇家学会会员。巴本在“蒸煮器”的基础上制成了第一台带活塞的蒸汽机，写下题为《一种获取廉价大动力的新方法》的文章，于1690年发表。文章中介绍了一个单缸活塞式蒸汽机，它的汽缸底部放有少量的水，对汽缸加热时，所产生的蒸汽会推动活塞至顶端，然后将热源撤除，里面的蒸汽必定冷凝形成真空，于是活塞在大气压力作用下下落，这个过程可以提供动力，用于提水和推磨。

二、“蒸汽机之父”瓦特

詹姆斯·瓦特

詹姆斯·瓦特（1736～1819）是英国著名的发明家，是第一次工业革命的重要人物。他是当时英国皇家学会会员和法兰西科学院外籍院士。他对当时已出现的蒸汽机原始雏形作了一系列的重大改进，发明了单缸单动式和单缸双动式蒸汽机，提高了蒸汽机的热效率和运行可靠性，对当时社会生产力的发展作出了杰出贡献。除了改良蒸汽机外，他还发明了气压表、汽动锤。后人为了纪念他，将“瓦特”作为国际单位制中功率和辐射通量的计量单位，常用符号“W”表示。

瓦特在1736年1月19日生于苏格兰格拉斯哥附近，克莱德河湾上的港口小镇格林诺克。瓦特从小身体虚弱，到了入学年龄，仍不能去上学。过了入学年龄好几年，他才到镇上的学校学习。13岁那年，他对几何学发生了兴趣，15岁就读完了《几何学原理》这样艰深的书籍。后来他进入文法学校，数学成绩特别优秀。由于身体不好，他没到毕业就退学了。但是，他在家里坚持自学了天文学、化学、物理学和解剖学等多学科知识，并自学了好几种外语。瓦特17岁的时候，母亲去世了，而父亲的生意开始走下坡路。他到格拉斯哥的一家钟表店里当了学徒。他在业余时间刻苦学习，进一步掌握了许多科技知识，并动手制造出技术要求较高的罗盘、经纬仪等。21岁那年，他来到了格拉斯哥大学当教具实验员，负责修理和制造仪器。在这一工作中，他进一步掌握了当时一些较先进的机械技术。

1757年，格拉斯哥大学的教授提供给瓦特一个机会，让他在大学里开设了一间小修理店，这帮助瓦特走出了困境。其中物理学家兼化学家约瑟夫·布莱克更是成了瓦特的朋友与导师。1767年，瓦特与其表妹玛格丽特·米勒结婚，此后他们共养育了6个孩子。

1764年瓦特在修理一台纽科门蒸汽机时，对这种机器发生了兴趣。瓦特所做的第一项重大革新就是在纽科门蒸汽机上增加一个独立的凝汽室，于1769年获得专利权。他还使蒸汽缸与外界隔绝，又于1782年发明了双动发动机。连同一些较小的革新一起，这些发明使蒸汽机的效率至少提高了4倍。效率的提高意味着从一台华而不实的装置到有巨大工业价值的机械的飞跃。1781年，瓦特还发明了一套齿轮，使蒸汽机的往复运动变换成为旋转运动，这令蒸汽机的功能增多。瓦特还发明了自动调节蒸汽机运转速度的离心式调速器、压力计、计数器、示功器、节流阀以及其他许多仪器。瓦特本人没有很好的经商头脑，但是他在1775年同一个非常能干的商人兼工程师马修·博尔顿合股成立了一个公司，该公司生产了大量的蒸汽机，两个股东也都成了富翁。

瓦特在退休之前也有很多其他发明，比如他发明了一种新的利用望远镜测距的方法、一种新的透印印刷术、对油灯进行了改进、发明了蒸汽碾压机以及延续至今的机械图纸着色法。瓦特退休后曾与他的第二任妻子到法国与德国旅行，并且在威尔士购买了一所住宅。1819年8月25日，83岁的瓦特于英国斯塔福德郡汉兹沃斯的家中去世。

三、瓦特蒸汽机的发明

纽科门蒸汽机

1705年，苏格兰铁匠纽科门通过利用蒸汽压力、大气压力、真空间的相互作用，推动活塞作动力，制造了能较大规模利用热能转换为机械能运动的蒸汽机，使当时蒸汽机的利用形成了一定的规模。

1764年，格拉斯哥大学请瓦特修理一台纽科门式蒸汽机，在修理的过程中，瓦特熟悉了蒸汽机的构造和原理，并且发现了这种蒸汽机的两大缺点：活塞动作不连续而且慢；蒸汽利用率低，浪费原料。随后，瓦特开始思考改进纽科门蒸汽机的办法。经过大量实验，瓦特发现它效率低的原因是由于活塞每推动一次，汽缸里的蒸汽都要先冷凝，然后再加热进行下一次推动，从而使80％的热量都耗费在反复加热汽缸上面。1765年，瓦特取得了关键性的进展，他想到将冷凝器与汽缸分离开来，使得汽缸温度可以保持为注入的蒸汽的温度，并在此基础上很快建造了一个可以运转的模型。

从1766年开始，在约翰·罗巴克的赞助下，瓦特克服了在材料和工艺等各方面的困难，到1769年终于发明了高效能蒸汽机。蒸汽机的发明和改进，涉及不少力学和热力学知识，如热机效率、热和功之间的关系以及水、蒸汽和其他物质的热力学性质等。同年，瓦特因发明冷凝器而获得他在革新纽科门蒸汽机的过程中的第一项专利。第一台带有冷凝器的蒸汽机虽然试制成功了，但它同纽科门蒸汽机相比，除了热效率有显著提高外，在作为动力机来带动其他工作机的性能方面仍未取得实质性进展。也就是说，瓦特的这种蒸汽机还是无法作为真正的动力机投入实用。

瓦特发明的高效能蒸汽机

蒸汽机模型

当瓦特继续进行探索时，罗巴克本人已濒于破产，他把瓦特介绍给了自己的朋友、工程师兼企业家马修·博尔顿。博尔顿对瓦特的创新精神表示赞赏并愿意赞助瓦特。在与博尔顿合作之后，瓦特又生产了两台带分离冷凝器的蒸汽机，由于没有显著的改进，这两台蒸汽机并没有得到社会的关注。这两台蒸汽机耗资巨大，使博尔顿也濒临破产，但他仍然给瓦特以慷慨的赞助。在他的支持下，瓦特以百折不挠的毅力继续研究。自1769年试制出带有分离冷凝器的蒸汽机样机之后，瓦特看出热效率低已不是他的蒸汽机的主要弊病，而活塞只能作往复直线运动才是它的根本局限。同年，他研制出了一套被称为“太阳和行星”的齿轮联动装置，终于把活塞的往复直线运动转变为齿轮的旋转运动。为了增加轮轴的旋轴转动惯性，使圆周运动更加均匀，瓦特还在轮轴上加装了一个大飞轮。由于对传动机构的这一重大革新，瓦特的这种蒸汽机才真正成为了能带动一切工作机的动力机。1781年底，瓦特以发明带有齿轮和拉杆的机械联动装置获得第二个专利。

为了进一步提高蒸汽机的效率，瓦特在发明齿轮和拉杆的联动装置之后，对汽缸本身进行了研究。他发现，虽然他把纽科门蒸汽机的内部冷凝变成了外部冷凝，使蒸汽机的热效率有了显著提高，但他的蒸汽机中蒸汽推动活塞的冲程工艺与纽科门蒸汽机没有不同。两者的蒸汽都进行单向运动，从一端进入、再从另一端出来。他想，如果让蒸汽能够从两端进入和排出，就可以让蒸汽既能推动活塞向上运动又能推动活塞向下运动。那么，它的效率就可以提高一倍。1782年，瓦特根据这一设想，试制出了一种带有双向装置的新汽缸。由此瓦特获得了他的第三项专利。把原来的单向汽缸装置改装成双向汽缸，并首次把引入汽缸的蒸汽由低压蒸汽变为高压蒸汽，这是瓦特在改进纽科门蒸汽机的过程中的第三次飞跃。通过这三次技术飞跃，纽科门蒸汽机完全演变为了瓦特蒸汽机。

从最初接触蒸汽技术到瓦特蒸汽机研制成功，瓦特走过了20多年的艰难历程。瓦特虽然多次受挫、屡遭失败，但他仍然坚持不懈、百折不回，终于完成了对纽科门蒸汽机的三次革新，使蒸汽机得到了更广泛的应用，成为改造世界的动力。

瓦特发明蒸汽机

四、瓦特蒸汽机的历史意义

对蒸汽机的重要性无论怎样赞誉都不过分。当然，在工业革命中还出现了许多其他发明，如在采矿、冶炼和许多工业机械等方面的新发明。其中几项发明，如飞梭（约翰·凯伊于1733年发明）和珍妮纺纱机（詹姆斯·哈格里夫斯于1764年发明）皆出现在瓦特蒸汽机之前。这些发明中的大多数只代表了小改小革，没有哪一项能单独地对工业革命起到举足轻重的作用。然而蒸汽机则不同，它起着关键性的作用，没有它，工业革命就会面目全非。在它之前，虽然风车和水轮有一定的作用，但主要的动力源一向是人力，这个因素严重地阻碍了工业生产力发展。随着蒸汽机的发明，这个阻碍消失了。有了可供生产使用的巨大动力，生产力也就随之有了巨大的增长。

蒸汽机除了作为工厂动力来源外，还有许多其他重要的应用。1783年马贵斯·朱费罗伊·达班斯成功地使用蒸汽机驱动船的航行。1804年理查德·特里维西克制造出第一台蒸汽机车。当时这两种机型从经济上来看都并不成功，然而数十年之间，轮船和铁路使水陆交通都发生了革命。

在历史上，工业革命与美国革命和法国革命几乎是同一时期发生的。虽然当时人们似乎对工业革命并没有足够的认识，但是今天人们可以看出它对人类日常生活的意义显然要比那两场伟大的政治革命都重要得多。因此，詹姆斯·瓦特是历史上最有影响的人物之一。

瓦特在原有的纽科门蒸汽机的基础上发明了新式蒸汽机结构，在这之后的50年之内几乎没有什么改变。瓦特蒸汽机发明的重要性是难以估量的，它被广泛地应用在工厂，成为几乎所有机器的动力，改变了人们的工作生产方式，极大地推动了技术进步并拉开了工业革命的序幕。它使得工厂的选址不必再依赖于煤矿而可以建立在更经济更有效的地方，也不必依赖于水能从而能常年地运转，这进一步促进了规模化经济的发展，大大提高了生产率的同时也使得商业投资更有效率。