瓦特是怎么发明蒸汽机的？
2019-03-23 · 致力于图书出版、影视IP
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詹姆斯·瓦特，1736年1月19日生于苏格兰林诺克市的一个木匠家里。在教会学校读书时，瓦特最喜欢物理和数学，他的物理和数学成绩之佳和其他科目成绩之差的巨大反差，使许多老师和同学们感到吃惊。瓦特的父亲十分崇拜牛顿，在家里挂着牛顿的画像，这使瓦特从小就萌生找机会接受高等教育，做个牛顿那样的人的愿望。
1763年，这已经是瓦特到格拉斯哥大学担任大学机械技师的第六个年头了。这次，格拉斯哥大学从伦敦买回一台纽康门蒸汽机模型供演示实验用，但经常运转不灵。瓦特受安塔逊教授的委托，修理这台纽康门气压蒸汽机模型。
安塔逊教授之所以心急火燎地从伦敦赶回来，就是因为他忘记告诉瓦特使用模型的准确时间了。在格拉斯哥大学，耽误了上课可不是闹着玩儿的。
在接触纽康门蒸汽机模型之前，瓦特对有关蒸汽机的知识知道的并不多。只是在两年前，他曾用帕平研制的蒸汽锅协助布莱克教授进行过高压蒸汽实验。蒸汽机模型一运到实验准备室，好奇心使从小就是机械迷的瓦特跃跃欲试，没等安塔逊教授吩咐，就立即着手拆装和修理它了。半个多月来，蒸汽机迷住了瓦特，使他达到废寝忘食的地步。
晚上，瓦特躺在格拉斯哥城郊大学公寓里，久久不能入睡，满脑子都是纽康门蒸汽机。他拧亮了煤气灯，拿起白天从图书馆收集来的有关蒸汽机的资料，仔细地阅读，又开始琢磨起来……
早在公元100年左右，埃及的亚历山大城有一位学者希罗，制造了一种按照喷射反作用原理运作的蒸汽发动机雏形。第一部活塞式蒸汽机是1690年由法国人帕平在德国发明的。他是第一个指出了蒸汽机的工作循环的人，为以后活塞式蒸汽机的发展开辟了道路。
17世纪末，随着矿产品需求量的增大，矿井越挖越深，英国的许多矿井遇到了严重的积水问题。当时一般只有靠马力转动辘轳来排除积水。针对这一情况，英国皇家工程队的军事工程师塞维利大尉研制了蒸汽泵。这是一种没有活塞的蒸汽机，尽管该机燃料消耗很大，也很不经济，但它是人类历史上能实际应用的第一部蒸汽机。
1705年，英国一个铁匠纽康门，综合了前人的技术成就，设计制成了一种更为实用的气压式蒸汽机。它实现了用蒸汽推动活塞做一上一下的直线运动，每分钟往返12次。每往返一次可将45.5升水提高到46.6米。当时的纽康门蒸汽机主要用于深矿井排水。
然而，纽康门蒸汽机有重大的缺陷，它不仅效率低，做功时需要大量的燃煤，而且只能做简单的往复运动。所以，其使用范围受到限制。人们渴望获得新型的蒸汽机。
瓦特边看边琢磨，越琢磨越睡不着觉了。平素他犟脾气一上来，非马上问个究竟，可以几夜不睡。今晚，也不知是他第几次发犟脾气了，看来，为了弄清这台蒸汽机的工作原理，他又要开夜车了。
第二天，瓦特立即着手工作。首先，他开始研究纽康门蒸汽机的动作方式，分解其动作步骤。锅炉产生的蒸汽进入汽缸内，活塞被压起。接着通过向汽缸内喷水、冷却，使蒸汽凝缩，制成真空。这样，施加在活塞上的大气压将其压下，与活塞杆相连接的泵的活塞被拉起，就可以从矿坑内吸上水来。瓦特注意到，在蒸汽机锅炉里产生的蒸汽量，只够活塞几次工作所用，然后，机器需要等候锅炉将蒸汽积蓄起来，才能开始重新工作。通过进一步观察研究，瓦特又发现，用蒸汽加热汽缸，再用水冷却，是不合理的。汽缸由热变冷，再由冷变热需耗费很多时间。
怎样才能保持汽缸的原有热量，还能使蒸汽凝缩呢？瓦特苦苦地思索这一问题，很长时间得不到答案。这使他茶饭不思，打不起精神来。
格拉斯哥大学校门外，左边是一大片绿草如茵的平地，右边是一个波平如镜的小湖。一天，瓦特漫步在草坪上，不时地把目光投在天空中远去的白云，若有所思。突然一个奇异的想法涌上他的脑际。这个想法仿佛是打开问题的钥匙，好像是上帝给他送来了及时雨似的。瓦特豁然开朗了。蒸汽是有弹性的物体，所以，可以使其进入真空。如果将汽缸和排气容器相连接的话，蒸汽就可以进入容器内，无需再冷却汽缸，蒸汽就可以冷缩，同样完成纽康门蒸汽机的工作。
经历多次实验和修改，问题终于解决了。蒸汽并不需要直接在汽缸里凝聚，而是在与汽缸相连接的另一个容器里凝聚。瓦特发明了冷凝器，在科技发展史上奠定了蒸汽机实用化的坚实基础。不久，他又设想将汽缸两端加盖封闭起来，就可以实现蒸汽机的二冲程运动。将二冲程直线运动转变成循环圆周运动，就容易多了。巧妙的设想为瓦特打开了走向成功的大门。
在瓦特时代，英国的工业界还很少有人能够按着比较复杂的机器图纸，准确无误地加工各种机器部件，甚至连加工时需用的机床也还不很精确。按照瓦特设想制造的蒸汽机样机以失败告终，这使得瓦特一贫如洗。瓦特为了完成自己的设计几乎变卖了所有值钱的东西。
瓦特遭到了多次失败，并没有灰心气馁，他顶着许多人的嘲笑，为完善自己的发明继续孜孜不倦地工作着。
一天，通过好友布莱克教授的介绍，瓦特结识了发明镗床的威尔金森技师。这位技师为瓦特苦心钻研精神所感动，他决定帮助瓦特，用他拿手的镗炮筒的技术来为瓦特加工汽缸和活塞，解决了蒸汽机的漏气问题。瓦特距离胜利的顶峰更近了。威尔金森加工的汽缸和活塞可谓无与伦比，它使瓦特又越过了一道技术难关，终于制成了第一台新型蒸汽机样机，运行正常，达到设计的要求，获得了一致的好评。
瓦特并没有满足取得的成绩，不久又投入了新的研制工作。这需要他解决许多技术难题，又要吃苦了。不久，瓦特又找到了一个重要的合作者威廉·默多克，这更使瓦特如虎添翼，研制进度骤然加快。默多克是一个高级机械加工技师，什么东西到了他的手里，都会变成你所想要的样子。他既能解决技术难题，又富有很强的进取心，常常为了工作而忘记一切。
那是1785年，圣诞节的晚上。格拉斯哥城到处都沉浸在节日的气氛里。瓦特心里却惦记着尚未完工的蒸汽机，跑到了试验车间。穿过工厂院子时，瓦特看到车间窗子透出的灯光。原来是车间主任默多克在加班。默多克工作认真，从来不愿拖延工作，即使在圣诞节也不例外。他到工厂加班是为了连夜加工安装伦敦抽水站的机器零件。
两个人很快就结束了工作，度过了一个奇异的圣诞节。这时，瓦特又走到制图板前面。
“请过来，默多克！”
默多克走近制图板。
瓦特画了个汽缸。
“我想使蒸汽从两端进去推动活塞，从上面关闭汽缸，并把蒸汽输送到这里。对此您是怎么看的呢？”
默多克没做声。瓦特接着又往下画。
“现在汽缸活塞是上下直线运动，我想通过连在大轮上的一个轴改变直线运动。瞧，就是这样！用这样的方法我们可以变直线运动为循环运动。大轮的惯性推动活塞通过死点，就是这儿。”他演示着，“您看如何，默多克？”他又接着问。
“就是说需要做一个新样机。”默多克回答。
“毫无疑问。”瓦特用肯定的语气回答。他又接着问题：“什么时候开始？”
“立刻。”默多克回答很干脆。
“立刻……那好吧，立刻。”瓦特兴奋得语无伦次。
瓦特以狂热的激情投身于工作。他浇铸铜锭、锻造铜件、为汽缸钻孔，接着又车活塞、轴和轴承。原来设计的机器还未竣工，新的样机又开始投入研制，这就是瓦特的性格。
默多克也忙个不停，把炉火烧旺，擦净铸件，开动车床，站在他身旁的瓦特感到吃惊：身材魁梧的默多克竟然能干出最精细、准确的小活儿。一旦投入工作就始终不渝，这是默多克的脾气。
4个星期之后，新样机以崭新的面目和人们见面了，就等待试车了。一切就绪以后，瓦特用他那只因激动而颤抖的手，缓缓地拧开了通向蒸汽机的导气阀。工作状况正常，一切达到预期的效果。瓦特和默多克四只沾满油泥、乌黑的手紧紧握在了一起，成功的喜悦鼓舞了瓦特和默多克。
随即，瓦特又开始向带自动调速器的蒸汽机进军。他一心想彻底完善他的蒸汽机。瓦特从来不愿意说空话，只是默默地工作。机器的所有重要部件他都要亲自参与制造。他既是设计师，又是翻砂工；既是车工，又是钳工。每一道工序和每一个细节，都留下了瓦特的辛劳和汗水。
默多克领着十多个格拉斯哥技术最好的工人，同瓦特一起工作。瓦特的研制工作，吸引了格拉斯哥的能工巧匠。默多克把他们组成了攻无不克的加工小队。
经过一年多的顽强努力，机器逐渐安装好了。
终于，瓦特拧好了最后一个螺母，接着干脆把扳手扔到一旁。然后，长长地吸进了一口气，又徐徐地吐了出来。
“哎，默多克，要是我们现在有蒸汽那该多好啊，那我们就可以当场试验这台机器了。”
“有蒸汽。”
“现在，深更半夜？”
“是的，只要点上火，不消一刻钟我们就会得到所需要的蒸汽压力。”
沉默寡言的默多克说完，带着几个工人走了。静悄悄的车间里，瓦特独自一人面对着机器陷入了回忆的思绪之中。他回想起生养他的苏格兰林诺克小镇，想起爸爸繁忙的造船小工场，想起在机械加工专家摩根门下的学徒生活，更想起妻子米拉的热心支持和鼓励……
不大一会，默多克回来了。
“詹姆斯，一切都准备就绪了。试车吧！”
瓦特又一次把手放在进气阀门的刹把上。此刻，他倒觉得有些胆怯了。假如此时上帝有意要和他的蒸汽机作对，假如设计中有错误而被忽略了，假如汽缸壁和调速轮等部件上出现难以发现的裂纹，那该如何是好呢？一时间，一向果断、刚毅的瓦特显得有些缩手缩脚了。
现在，只要转动阀门的刹把，高压的蒸汽就会猛力地冲入汽缸。要么失败，要么成功，瓦特想了许多。最后，瓦特还是坚定地转动了阀门手柄。随着一阵震耳欲聋的巨大声响，高压蒸汽进入了汽缸。透过气缸缝隙冒出的吱吱作响的气雾，瓦特凝视着铁青脸色的默多克。工人们也屏住了呼吸。几分钟之后，蒸汽笼罩了整个机器和试验车间，灯光更加显得暗淡微弱了……
瓦特觉得他的心简直快要跳到嗓子眼了。
机器依旧纹丝不动。
透过气雾，他看见默多克双手在调整调速轮。终于，活塞开始上下缓慢地运动了，吱吱声中断了，接着活塞开始加速运动。通过曲柄和连杆的作用，一进一退的直线运动正在变成缓慢而平稳的转动。
瓦特僵直地钉在地上，嘴里像是被棉花堵住了似的，吐不出来又咽不下去。瓦特双手创造出来的机器倒把他自己给迷住了。默多克想用手使劲将调速轮刹住，但是轮子却把他的手推向一旁。他急了，使出全身的力气再加上几个身强力壮的工人，也做不到这一点。
瓦特革新的蒸汽机“这就是力量！”他大声地叫道。瓦特兴奋地点了点头。工人们欢呼起来，叫喊着跑出了车间。
“比水的力量大，它还可以加大，到处都可以用它。我想，有一天人们可以把机器安在马车上，不必套上马。车子就可以跑起来；或者将它安在航船上，逆风无帆，船儿也能漂洋过海，遍游四方。但是，我认为，它可以大大地减轻工人的劳动，给他们带来更多的闲暇时间。对此，你认为怎么样，默多克？”
“到那时，全世界就会变得更美好，亲爱的詹姆斯。这不正是你一直所希望的吗！”
两位老朋友幸福地畅谈着未来，憧憬着蒸汽机将给人类带来的益处。这时，太阳已悄悄地露出了笑脸，仿佛也在祝福这一对科学开拓者。从此，一个震撼文明世界的“蒸汽时代”开始了。
知识点
蒸汽时代
工业革命于18世纪60年代首先从英国开始，大量向外扩展则在19世纪初。因此，从宏观的角度分析，世界近代史的第二个时期——蒸汽时代起于19世纪初，止于19世纪70年代的第二次工业革命。在这个时期，资本主义的机器大革命开始出现，资本主义的世界体系开始初步确立。一种新的动力机器:蒸汽机的发明和应用，将人类带入了蒸汽时代。
- 官方电话
世界上第一台蒸汽机是由古希腊数学家亚历山大港的希罗（Hero
of
Alexandria）于1世纪发明的汽转球（Aeolipile），不过它只不过是一个玩具而已。
约1679年法国物理学家丹尼斯·巴本在观察蒸汽逃离他的高压锅后制造了第一台蒸汽机的工作模型。约与此同时萨缪尔·莫兰也提出了蒸汽机
1698年托马斯·塞维利、1712年托马斯·纽科门和1769年詹姆斯·瓦特制造了早期的工业蒸汽机，他们对蒸汽机的发展都做出了自己的贡献。1807年罗伯特·富尔顿第一个成功地用蒸汽机来驱动轮船。瓦特并不是蒸汽机的发明者，在他之前，早就出现了蒸汽机，即纽科门蒸汽机，但它的耗煤量大、效率低。瓦特运用科学理论，逐渐发现了这种蒸汽机的毛病所在。从1765年到1790年，他进行了一系列发明，比如分离式冷凝器、汽缸外设置绝热层、用油润滑活塞、行星式齿轮、平行运动连杆机构、离心式调速器、节气阀、压力计等等，使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的3倍多，最终发明出了现代意义上的蒸汽机。
工业革命之父瓦特，在发明蒸汽机道路上的曲折故事
