瓦特与蒸汽机

詹姆斯·瓦特（James Watt，1736年1月19日-1819年8月25日），英国著名的发明家，是工业革命时期的重要人物。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。

人类对蒸汽的认识和利用，经历了一个漫长的历史过程。早在公元前二世纪，古希腊人就制造过一种利用蒸汽喷射反作用力的发动机。1690年，法国人巴比首先发明了第一台活塞式蒸汽机，但他未能制成实用的蒸汽机。1698年，英国的一位技师塞莱斯发明了实用的无活塞式蒸汽机。这种机器在矿井中得到应用，被称为“矿山之友”，但受当时材料和技术限制，无法推广。直到18世纪，英国的铁匠纽科门才制成第一台能把热能转变为机械能的较原始的蒸汽机。这种机器综合了巴比机和塞莱斯机的优点，不需高压蒸汽即可排水，效率也有较大提高。但是，这种蒸汽机结构不合理，耗煤多，活塞只能作往复运动，不能作旋转运动，因此热效能较低。

从18世纪60年代起，英国的工程师斯米顿开始研究改进纽可门蒸汽机，他测量了一百多种当时的蒸汽机的部件和效率，并对所得资料进行了系统的比较分析。斯米顿本人没有对蒸汽机的结构做任何改进，但是他积累的数据为改进蒸汽机提供了方便。与此同时，瓦特也开始研究改进蒸汽机。

瓦特在大学修理仪器期间，学校曾经把一台旧式的纽可门蒸汽机交给他修理。他通过大量实验以及根据格拉斯哥大学教授布莱克提出的潜热、比热理论进行分析，对旧式蒸汽机进行深入研究，找出了旧式机器效率低的主要原因：除了漏气、散热等造成热量的浪费外，主要缺陷在于每一冲程都要用冷水将汽缸冷却一次，从而耗了大量热量，使绝大部分蒸汽没有被有效利用。针对这一缺陷，瓦特提出了两项措施：一、为了使汽缸始终保持蒸汽所必须具有的温度，必须在汽缸外加上绝热外套或通以蒸汽或用其他方法对汽缸加热；二、使做功后的蒸汽尽可能快地冷却，液化成水并要使这一过程在汽缸外进行，为此必须设置一个独立于汽缸的冷凝器，在机械传动方面也要改进。他决心自己制造一台新的蒸汽机，来改进旧机器的不足。

瓦特自筹资金，租了一间地下室，买了必要的设备，反复实验，经历了无数次挫折和失败，在工人的帮助下，终于发明了与汽缸分离的冷凝器，解决了制造精密汽缸、活塞的工艺问题，同时采用油润滑活塞，汽缸外附加绝热层等措施，制成单动作蒸汽机。后经继续试验，又在1782年，发明了具有连杆、飞轮和离心调速器的双动作蒸汽机，制成了新的可实用的蒸汽机。这种双动作式蒸汽机，把阀门安装得可利用蒸汽的压力来推动活塞，既可向前又可向后。并借助连杆和飞轮把活塞的直线运动变成了圆周运动。为了保持蒸汽机的匀速运转，他把一个离心调速器连接在进汽活门上，使其自动调节进汽量。这种装置是最早在技术上使用的自动控制器。他设计了一个和汽缸分离的冷凝器，将高温蒸汽从气缸中导出并冷却，使得主要汽缸能保持一定温度。同时他提高了汽缸的精密度，把活塞和阀门也做得光滑、严密。从而比纽科门蒸汽机大大提高了热效率和可靠性。这种高效率的蒸汽机很快取代了旧式蒸汽机，被各工业部门迅速采用。从此，动力机、传动机和工作机组成了机器生产系统，成为产业近代化的核心。

到19世纪30年代，蒸汽机广泛应用到纺织、冶金、采煤、交通等部门去，很快引起了一场技术革命。美国人富尔顿发明了用瓦特蒸汽机作动力的轮船；英国人史蒂芬逊发明了用瓦特蒸汽机作动力的火车。瓦特的蒸汽机成为真正的国际性发明，它有力地促进了欧洲18世纪的产业革命，推动世界工业进入了“蒸汽时代”。

1784年4月，英国政府授予瓦特以制造蒸汽机的专利证书。马克思曾经评论说：瓦特的伟大天才表现在他所取得的专利的说明书中，他没有把自己的蒸汽机说成是一种用于特殊目的的发明，而是把它说成是大工业普遍应用的发动机。