蒸汽机的推广与应用

第二节　蒸汽机的推广与应用

瓦特的巨大成功改变了世界。蒸汽机为一系列精密加工的革新提供了可能，更高的工艺保证各种机器包括蒸汽机本身的性能提高。经过不断的改革，引入更高气压的蒸汽后，汽车、蒸汽火车、蒸汽轮船便很快相继问世。

一、汽车的诞生

1769年法国尼古拉·居诺制造出用蒸汽机推动的汽车，因为此车是靠蒸汽作动力，故称之为“汽车”。

尼古拉·居诺与其发明的汽车

居诺出生在法国的洛林（今默兹省），曾参加军事工程师的培训。他于1765年开始为法国陆军工作，试图利用蒸汽发动机作为可运输的大炮的动力。居诺是首次成功利用一个棘轮装置把蒸汽活塞的往复运动转换成设备动力的设计师。

1771年居诺制造的汽车

世界公认的汽车发明者是德国人卡尔·佛里特立奇·本茨。他在1885年研制出世界上第一辆马车式三轮汽车。该车采用一台两冲程单缸0.9马力的汽油机，具备现代汽车的基本特点，如火花点火、水冷循环、钢管车架、钢板弹簧悬架、后轮驱动、前轮转向等。经过反复试验，1886年1月29日，卡尔·本茨发明的世界上第一辆三轮汽车获得了“汽车制造专利权”。这一天被大多数人称为现代汽车诞生日，本茨也被后人誉为“汽车之父”。本茨把燃气发动机改进为汽油发动机，其单缸发动机排气量为0.954升，转速为250转/分，输出功率为0.49千瓦。这辆汽车于1886年6月首次在曼海姆市的街上运行，是卡尔·本茨发明的举世公认的第一辆汽车。

1887年，卡尔·本茨将他的第一辆汽车卖给了法国人埃米尔·罗杰斯，这是世界上第一辆现代汽车的销售。同年，卡尔·本茨成立了世界上第一家汽车制造公司——奔驰汽车公司。同年，德国人哥德利普·戴姆勒在一辆四轮马车上安装了自己研制的汽车发动机，以每小时18千米的“令人窒息”的速度行驶，人类历史上第一辆四轮汽车诞生了。1890年戴姆勒成立了公司。

而对于谁是汽车的发明者，法国人抱有不同的看法。法国人认为，早在德国人之前，法国的戴波梯维尔在1884年就发明了汽车并申请了专利，这确是事实。遗憾的是，他之后并没有去研究汽车，而是把发动机用到了工业生产中，最终成为工业发动机制造商，与汽车业疏远了。但有一点是肯定的，法国在汽车发展史上作出的巨大贡献是不可磨灭的，因为法国人是汽车工业的先驱，是他们使汽车制造真正进入工业生产阶段。

从卡尔·本茨制造出的第一辆三轮汽车，到现在只需要3秒钟就能加速到100千米时速的超级跑车，数百年来，世界汽车工业经历了三次变革：1914年美国福特汽车公司安装汽车装配流水线，带来了汽车工业史上的第一次变革；20世纪50年代，二战后的经济繁荣使汽车业进入了前所未有的黄金时期，发生了第二次变革；到20世纪60年代末，日本汽车工业创造了奇迹，物美价廉的汽车使汽车工业发生了第三次变革。

世界上第一辆汽车

汽车的发明者

在历史上，至少有400人有资格说：“我是汽车发明家。”事实上是：1860年法国工人鲁诺阿尔发明了原始的内燃机。他的内燃机烧的还不是燃油，而是煤气。这个内燃机曾用来装在汽车上。这个试验引出了一大批发明家，他们或多或少都取得了一些成果，前后大约有400人。

1885年本茨在曼海姆制成了一个内燃机（0.85马力汽油机），装到一辆三轮车上，准备到街上去试车，官方却加以阻挠，不准他上街。本茨束手无策，倒是他的夫人胆子大，把汽车发动起来，上街跑了一圈，引起了轰动。有了名声，本茨很快就获得了专利权。本茨夫人也就成了世界上第一个女驾驶员。这辆汽车至今仍保存在慕尼黑科技博物馆里，车子的说明牌上写着：“这才是第一辆汽车”。

本茨制作的汽车在1886年1月29日申请专利，于同年7月3日首次公开试验。当年11月2日由德国专利局正式批准发布。所以1886年1月29日被公认为世界上第一辆汽车诞生日！

二、蒸汽火车与铁路的兴起

1781年7月9日，乔治·斯蒂芬孙（1781～1848）出生在英国诺森伯兰的一个煤矿工人的家庭里。被称为“火车之父”的斯蒂芬孙是一位穷矿工，而且他到17岁时还是一个文盲。由于家境贫困，他8岁时就开始帮人放牛。14岁那年，父亲把他带到自己工作的矿上去做工，他当上了一名蒸汽机司炉的助手。为了弥补自己在文化科学知识上的欠缺，斯蒂芬孙在17岁时开始进夜校读书。1810年，他开始制造蒸汽机车。1817年，斯蒂芬孙决定在利物浦到曼彻斯特的铁路线上完全用蒸汽机车运输货物，并着手进行这项工程。但是，保守的铁路拥有者却对蒸汽机车的能力表示怀疑。他们提出，在铁路旁边固定牵引机，用拖缆来牵引火车。斯蒂芬孙为了让人们充分相信火车的性能，制造出了性能良好的“火箭号”机车，时速达到58千米，受到了全世界的瞩目。这种机车的卓越表现终于让怀疑者改变了态度，利物浦—曼彻斯特铁路因此成为世界上第一条完全靠蒸汽机运输的铁路。

世界上第一列真正在轨上行驶的蒸汽火车是由康瓦耳的工程师理查德·特里维西克所设计的。这列火车有4个动力轮，于1840年2月22日试车，空载时速20千米，载重时时速8千米（相当于人快步行走的速度）。不幸的是，试车过程中火车的重量压垮了铁轨。

蒸汽火车

最早使用燃煤蒸汽动力的燃煤蒸汽机车有一个很大的缺点，就是必须在铁路沿线设置加煤、水的设施，还要在运营中耗费大量时间为机车添加煤和水，这样很不经济。在19世纪末，许多科学家转向研究电力和燃油机车。历史上相继出现了汽油内燃机、柴油内燃机、电力机车、高速列车、磁悬浮列车等，火车各方面的性能都得到了很大程度的提高。其中，现代的磁悬浮列车时速可达400～500千米。

1879年，德国西门子电气公司研制出第一台电力机车，重约954千克，只在一次柏林贸易展览会上做了一次展示。1903年10月27日，西门子与通用电气公司研制的第一台实用电力机车投入使用，其时速达到200千米。

1894年，德国研制成功了第一台汽油内燃机车，并将它应用于铁路运输，开创了内燃机车的新纪元。但这种机车烧汽油，耗费太高，不易推广。

1924年，德、美、法等国成功研制出柴油内燃机车，并在世界上得到广泛使用。

1941年，瑞士研制成功新型的燃油汽轮机车，以柴油为燃料，且结构简单、震动小、运行性能好，因而在工业国家被普遍采用。

20世纪60年代以来，各国都大力发展高速列车，例如法国巴黎至里昂的高速列车，时速达到260千米；日本东京至大阪的高速列车时速也达到200千米以上。人们对这样的高速列车仍不满足。德国开发了磁悬浮列车技术，法国、日本等国紧跟其后，我国也在上海修建了世界第一条商用磁悬浮列车线，由地铁龙阳路站到浦东机场。这种列车悬浮于轨道之上，时速可达400～500千米。

火车的发展，推动了铁路的发展。当蒸汽火车在历史舞台上闪亮登场，且飞速发展时，兴建铁路的需求随之日益增大。1869年，美国建成了横贯领土东西的大铁路，将其西部的资源和东部的工业连接了起来。这就是太平洋铁路，第一条横贯北美大陆的铁路，被英国BBC评为自工业革命以来世界七大工业奇迹之一。太平洋铁路为美国的经济发展作出了巨大的贡献，从一定意义上说，正是这条铁路成就了现代美国。它全长3000多千米，穿越了整个北美大陆，是世界上第一条跨洲铁路。这条在美国人心目中被看成是奇迹的铁路，在当时的条件下，建设过程极其艰难。

太平洋铁路的修建

19世纪中后期，美国西部广阔、肥沃的土地等着更多的人前去开垦、耕种，大大小小的金矿银矿也缺人开采，而东部又为西部的各种自然资源提供了加工地和市场。但美国当时没有一条贯通东西的交通运输线路，东部人要冒着巨大的生命以及财产危险才能到西部去，同时，西部的物产也很难运到东部来。美国政府意识到交通对于促进人民交流和经济融合的巨大意义，决定修建横跨美国大陆的铁路。

美国国会在总统林肯的支持下，决定以发行国债的方式筹集修路资金。1863年1月，当这条铁路动工的时候，人们还在计划用至少14年的时间来完成它。然而，仅仅用了7年的时间，这个计划就实现了。1869年5月10日下午2点多，由加利福尼亚的萨克拉门托向东1000多千米的一支铁路大军与由内布拉斯加的奥马哈向西1700多千米的另一支铁路大军在犹他州奥格登地区的普罗蒙特里丘陵处会师，这一壮举宣告了美国大陆在经济运行上开始连成一体，推动美国成为联结太平洋和大西洋的经济大国。美国从一个只在名义上存在的国家，变成了一个真正完整的国家。美国经济发展开始进入狂飙时期。

法国著名科幻小说家儒勒·凡尔纳在他的《80天环游世界》里也提到了这条铁路修建的意义：如果没有它，80天环游地球的梦想永远只是梦想而已。过去，从纽约到旧金山最顺当也要走6个月，而铁路建成后只需要7天。但是，就在全世界对这个工程大唱赞歌的时候，根本没有人注意到中国工人的贡献。事实上，如果没有华工的劳动和智慧，修建铁路所花的时间将远远不止7年。在西段全长近1100千米的中央太平洋铁路上，有95％的工作是在华工加入筑路大军的4年中完成的。

三、蒸汽轮船的发明

第一个用蒸汽机来驱动船舶，即发明轮船的人，是美国工程师富尔顿（1765～1815）。富尔顿发明的蒸汽轮船是第一次工业革命的重要发明之一。富尔顿出生于美国一个贫苦的农民家庭，自幼家境贫困，17岁起就离家自谋生活。他从小读书很少，父母没有钱供他去学堂学习，他后来取得的成就，全凭个人的奋斗。

有一天，小富尔顿和邻居大叔一起驾着小船到河的上游去找活干。开始他们悠闲地撑着篙，逆流而上。突然，水流湍急，小船在河中打转，富尔顿和邻居大叔拼命地撑篙，但船仅能艰难地移动。小富尔顿心里想：撑篙太费力了，假如有一种东西能让船自动行走，该多么好啊！他想象的翅膀在河中飞翔，他好像看见在河中出现了一只自动行驶的船。当神思回到现实中来，他对邻居大叔说：“大叔，撑篙费劲、又缓慢，如果有一种东西能让船自动行走，该多么好啊！”邻居大叔听了小富尔顿的话，情不自禁地笑了，说：“假如有一种东西能让船自动行走，那这样东西是什么呢？”“是啊，这东西是什么呢？”自此以后，“怎样使船自动行走”就成了小富尔顿苦思冥想的中心问题。这是富尔顿制造人类第一只蒸汽机轮船——“克莱蒙特号”这一发明的思想萌芽。

富尔顿

蒸汽轮船

在富尔顿以前，有人试制过蒸汽动力船，但没有成功。1797年富尔顿在法国偶然见到美国工程师菲奇关于蒸汽轮船的一个未能实施成功的设计。他意识到菲奇的设计颇有价值，于是就深入研究。富尔顿从模型试验到设计制造，前后经过9年的艰苦努力，终于在1803年造出了第一艘轮船。这艘以蒸汽机作动力的轮船，长21.35米，同年在法国的塞纳河试航成功，但不料竟被当晚的暴风雨所毁。富尔顿并没有因失败而灰心丧气，他后来得到J.瓦特的支持，于1805年3月获得了新的更大的船用蒸汽机主体。1806年，他回到美国，又开始新的造船工作。1807年，一艘新的轮船“克莱蒙特号”在纽约的哈得森河下水了，航速达每小时4千米。该船采用的是明轮推进系统，即在两侧各装一个车轮样的装置，靠轮的转动来驱动船。他继续改进，使这艘轮船的航速达到每小时6～8千米。富尔顿获得了首次成功。在“克莱蒙特号”新轮船试航成功后，富尔顿次年又建造了两艘轮船，使轮船达到了实际应用水平，此外，富尔顿在运河闸口、纺麻机器等方面也有发明创造。在富尔顿一生中，他不仅发明制造了轮船，而且亲自参与制造了17艘轮船，令人类水运史翻开了新的一页。

富尔顿建造的“克莱蒙特号”轮船

四、内燃机

内燃机是将液体或气体燃料与空气混合后，直接输入机器内部燃烧产生热能再转化为机械能的一种热机。内燃机具有体积小、质量小、便于移动、热效率高、起动性能好的特点。但是内燃机一般使用石油燃料，同时排出的废气中含有害气体的成分较高。内燃机按燃料的不同分为汽油机和柴油机。

内燃机的四冲程

（一）内燃机的发明历程

1670年，荷兰的物理学家惠更斯用火药在汽缸内燃烧，气体膨胀推动活塞运动，形成了现代“内燃机”的基础。

1801年，法国化学家菲利浦·勒本发明了煤气氢气内燃机，他采用煤干馏得到的煤气和氢气，与空气混合后点燃产生膨胀力推动活塞。

1862年，法国工程师莱诺发明了以天然气为燃料的二冲程卧式内燃机。

1866年，德国工程师尼古拉斯·奥托发明了活塞式四冲程内燃机。第二年，该发动机在巴黎博览会荣获金质奖章。1876年奥托取得专利权并成批投入生产。初期内燃机并非用在汽车上，而是作为动力源使用在工业生产上。但是内燃机的轻便，使汽车的发明成为可能。

（二）内燃机的工作原理的演示实验

1.现象：在试管内装些水，用橡皮塞塞住，加热试管使水沸腾，会看到橡皮塞被弹出。

2.分析：水蒸气膨胀对外做功，内能减少，橡皮塞获得机械能，内能转化为机械能。其中，燃料的化学能通过燃烧转化为水蒸气的内能。

3.能量转化的情况：燃料的化学能——内能——机械能。热机是把内能转化为机械能的机器。

（三）内燃机的应用

1.汽油机的应用：汽油机比较轻巧，常用在汽车、飞机和小型农业机械上面。

2.柴油机的应用：柴油比较便宜，但柴油机比较笨重，主要用在载重汽车、拖拉机、坦克上面。