開啟工業革命的大門

一個瘦弱的小男孩，坐在火爐邊的小凳子上，專注地盯著火爐上燒開水的鍋子。半個小時過去了，水燒開了，鍋的蓋子不時地向上騰起。“是什么力使鍋蓋往上升呢？”他自言自語著。他注意到當鍋蓋升起的一瞬間，有一股灼熱的蒸汽從鍋中逃逸出來。“哦，原來如此！”他明白了，一定是這股蒸汽向上升騰的力量把鍋蓋舉起來了！“既然一小股蒸汽可以掀起一個鍋蓋，更多的蒸汽不是可以推動更大、更重的東西嗎?”帶著疑問，長大后的小男孩終于改良了蒸汽機，點燃了西方工業革命的火種。

這個人，就是瓦特。

年輕的儀器制造師

1736年1月19日，瓦特出生在蘇格蘭的一個富裕商人家庭。父親是個造船工程師，瓦特在父親的工廠里度過了自己的少年時代，學會了操縱機械、使用器具，并掌握了作為一名精密機械工應有的技術。

瓦特自小體弱多病，不能像其他同齡人一樣按時上學，而是到11歲才進學校插班學習。在學校里，他被特許不參加體育活動，為此遭到了同學的嘲笑與輕視。同學們都譏笑他是一個“愚鈍”的孩子。直到13歲，在換了一所新學校后，瓦特才一改以前的“愚鈍”，開始在學習中顯露鋒芒。

可惜好景不長，因為身體原因，瓦特不得不中斷學業回到家中。利用輟學在家的機會，瓦特到父親的工作室學習技術。在父親的幫助下，瓦特擁有了自己的工具和工作臺，并漸漸地迷上了這些手工活兒，使自己很快成為一個內行的手藝人。到了15歲，他立志要使自己成為一名科學儀器制造者。

1753年，是瓦特一生中最不幸的一年。在這一年，瓦特的母親不幸去世，這對他無疑是一個沉重的打擊。禍不單行的是他父親由于經營虧損而破產，家庭生活變得非常困難。為了減輕父親的負擔，瓦特決定自謀出路，來到外婆家。

在外婆家，瓦特結識了格拉斯哥大學的羅伯特·迪克教授，并且與他結下了終身友情。在迪克教授的勸導與幫助下，瓦特來到倫敦學習數學儀器制作技術。為了找到名師，瓦特歷經千辛萬苦，最后終于投奔到摩根的門下。自古磨難出英雄，艱苦環境鍛煉出人的意志。在那兒，瓦特工作非常刻苦，每天在作坊里工作長達12小時。為了維持生活，他還不得不利用清晨和夜間的時間去幫別人干活。工夫不負有心人，還沒到出師的時間，瓦特就已制造出技術高、難度大的航海儀器、經緯儀、指南針等一批儀器。艱苦的學徒生活，繁重的體力勞動，使體質本來就柔弱的瓦特難以承受了。但憑著堅強的毅力，瓦特一直熬到學徒期滿才啟程回家。

在父親那里休養了一段時間后，瓦特前往格拉斯哥城拜見迪克博士。迪克教授交給了瓦特一項工作——修復一批價值昂貴的天文儀器。懷著滿腔熱情，帶著眾人的希望，瓦特不斷地對儀器精心檢修和調試，這批天文儀器終于被修復得完好如初。他的才華也就在這時獲得了專家教授們的一致好評。由此，瓦特被格拉斯哥大學聘為“數學儀器制造師”。那年，瓦特只有20歲。

蒸汽機帶來的困惑

早在公元前2世紀，人類對蒸汽的認識和利用已有一定的知識。到了1698年，托馬斯·薩弗里依據蒸汽推動力原理，制造了蒸汽泵以解決礦井排水的困難，但它的排水能力十分有限。到1712年，鐵匠紐可門在薩弗里的基礎上成功地發明第一臺較為實用的蒸汽機， 在礦山、城市供水和農田灌溉等方面得到普遍地推廣。不過紐可門蒸汽機效率低、耗煤量大，有“煤老虎”之稱。而且它是活塞式往復運動，不能作為其他機器的動力機。

格拉斯哥大學有一臺紐可門蒸汽機模型。這臺模型蒸汽機雖然配有一個相當大的蒸汽鍋爐，但仍然無法提供足夠的蒸汽維持蒸汽機的持續運行。1763年，格拉斯哥大學交給瓦特一份修理紐可門式氣壓蒸汽機模型的工作。瓦特從未見過紐可門式蒸汽機，這送上門來的工作可謂天賜良機。通過檢查，他發現了毛病所在，并立即修理了模型。為了證實修理的成功，瓦特決定最后檢測一次，他給小鍋爐灌滿水，點火，蒸汽產生了！接著活塞開始上下活動，機器慢慢地轉動起來了。本以為大功告成了，可是好景不長，發動機做完第五個沖程后立即停止了轉動。

經過不斷地觀察和研究，瓦特發現，用蒸汽加熱汽缸，再用水冷卻是不合理的。由于當時熱力學理論水平的限制，瓦特無法找到上述問題存在的原因。帶著疑問他走訪了布萊克教授，在布萊克教授的啟發下，他終于找出了該蒸汽機的毛病。原來在其氣缸充蒸汽、冷卻的交替過程中，蒸汽機中有很大一部分熱量被消耗了，這部分熱量沒有用于做功，而是用于加熱被冷水降溫后的氣缸。氣缸由100℃在冷凝蒸汽過程中被降至20℃，雖然得到了真空，卻又需立即恢復到100℃。這樣一熱一冷，有4/5的蒸汽熱量損失了，造成了燃料消耗大、熱量供不上，從而導致了停機。

沒有冷凝就不能形成真空，沒有真空就沒有蒸汽動力，而降溫后氣缸又需耗費大量蒸汽再加熱氣缸，造成熱效率不高。怎樣才能既可以產生真空又能保持氣缸不降溫呢？這正是當時難以解決的矛盾。

1765年1月，一個晴朗的下午，瓦特獨自一人在草地上散步，腦海里一直在琢磨著蒸汽機。當他走過校園洗衣房時，一個奇妙的設想閃現在他的腦海里：蒸汽可以流動，它無孔不入，如果在氣缸和排氣室之間有一個通道的話，那么蒸汽就會涌進這個排氣室，并讓它在那里冷凝，而無須用冷水噴灑氣缸。這樣，只要使用紐可門式引擎上的噴嘴，就可以解決冷凝蒸汽和注水的問題。瓦特終于找到了答案，即在氣缸外附加一個與之相通的冷凝蒸汽的容器。

瓦特興奮極了，第二天，瓦特就迫不及待地來到工作室，按照他的設想制成了第一臺簡單而粗糙的分離式冷凝器。試驗開始了，把冷凝器安裝在紐可門引擎模型上，并往冷凝器里注冷水；給鍋爐加熱，蒸汽從氣缸進入冷凝器被冷卻，氣缸內形成了真空；在大氣壓力和蒸汽膨脹力的雙重作用下，活塞終于上下活動了。“成功了!”瓦特興奮地大叫一聲。

點燃工業革命的火種

分離式冷凝器的設計成功給了瓦特極強的信心，使他一反意志消沉和自我懷疑的心態，輕松愉快地進行自己的實驗。

然而，任何事情的發展總不是一帆風順的。紐可門式引擎熱效率低的主要原因是在汽缸內冷凝蒸汽浪費了大量熱量，但這并不是唯一原因，活塞漏氣也是其原因之一。瓦特的分離式冷凝器雖然解決了保持恒溫問題，但尚無辦法解決活塞漏氣的問題。

在瓦特改良蒸汽機的過程中，企業家羅巴克給予他很大的資金支持。但瓦特開始的設計并不合理，產品銷路不廣，連累羅巴克本人瀕于破產，羅巴克便把瓦特介紹給了企業家博爾頓。博爾頓欣然擔任瓦特的贊助人，但瓦特又差點把博爾頓弄破產。恰逢此時，機器加工技術的進步又為瓦特的成功提供了可靠的條件。原本用于加工大炮彈道內壁的鏜床的發明，解決了使瓦特傷透腦筋的活塞漏氣問題。瓦特用鏜床加工汽缸內壁，大大提高了氣缸的精密度，解決了過去的鍛造方式造成的不圓不勻，導致活塞與氣缸之間的間隙過大而漏氣的問題。

在博爾頓的建議啟發下，瓦特于1776年3月制成了兩臺通用動力機：一臺是為一個煤礦研制的直徑為127厘米的排水用蒸汽機，另一臺是為一工廠設計的75厘米的給高爐鼓風的蒸汽機。新型蒸汽機在提供同樣動力的情況下，所消耗的燃料只有紐可門式引擎的1/4。

為了精益求精和適應各行各業的需求，1781年瓦特又發明了一些附加的機械裝置，使蒸汽機由單一動力機成為用于一切動力機械的“萬能原動機”。新的真正的蒸汽時代開始了。

瓦特蒸汽機的發明，對近代工業的影響是不可估量的。它促進了資本主義經濟的發展，引起紡織、采礦、鋼鐵、機械和交通運輸等各行業一連串的連鎖反應。從此人類結束了總是一臉無可奈何神色的孩童時期，在喜怒無常的大自然面前第一次感到自己的力量。

1819年8月25日，瓦特在靠近伯明翰的家里去世。他的訃告中是這樣形容他改進的蒸汽機的：“它武裝了人類，使虛弱無力的雙手變得力大無窮，健全了人類的大腦以處理一切難題。它為機械動力在未來創造奇跡打下了堅實的基礎，將有助并報償后代的勞動。”

上期頭腦奧林匹克答案

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（2÷3－4＋5）×6 ＝10

考古學家

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亂七八糟

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