天工巧匠瓦特和蒸汽機

從學徒到機師

如果說，第一次工業革命的火炬是由飛梭、珍妮紡紗機等工作機的革命點燃的話，那么第一次工業革命的狂飆則是由瓦特對紐可門蒸汽機的改革興起的。紐可門蒸汽機自1705年發明之后，即在礦山作為一種抽水泵的動力機使用。1712年前后，英國所有煤礦的抽水泵差不多都用上了蒸汽機。但是，由于當時的社會生產尚未對動力機產生更大的需求，所以紐可門蒸汽機問世之后，一直僅限于在礦山作為抽水泵的引擎使用。在它問世后的50多年里，仍然停留在原有的技術水平，一直未能得到什么發展。

瓦特(1736—1819年)生于蘇格蘭西部的格里諾克小鎮的一個工人家庭。

當時，家家戶戶都是生火燒水、做飯。童年時，瓦特在廚房里看祖母做飯。灶上壺子里的水一開，壺蓋就啪啪作響，不停地往上跳動。通過長時間觀察，他發現，只要蒸汽不住地往上冒，壺蓋就不停地跳動。他還把杯子、調羹遮在水蒸汽噴出的地方。瓦特終于弄清楚了，是水蒸汽推動壺蓋跳動，這水蒸汽的力量還真不小呢。從此，如何利用蒸汽的力量成了瓦特一生的追求。

由于家里貧窮，瓦特僅受到初等教育。然而，瓦特自幼非常勤奮，同時極愛工藝。1754年，瓦特前往格拉斯哥的一家工場當了機械工學徒。但好學的瓦特深深地感到在格拉斯哥的工場里似乎學不到什么真正意義上的技術，于是決心前往倫敦，當時英法之間爆發了一場戰爭，倫敦的局勢動蕩不安，瓦特只得重返格拉斯哥。

1757年，瓦特來到一個機械車間當上了機修工，這個機械車間附屬于格拉斯哥大學。此后，瓦特開始刻苦地學習機械技術。這些經驗和技術，為瓦特后來革新紐可門蒸汽機打下了堅實的技術基礎。

在修理機器與儀表之余，瓦特于1759年開始進行蒸汽技術的實驗和研究。他曾利用從格拉斯哥大學的實驗室找來一個巴本的蒸汽泵進行了一些蒸汽動力實驗，這些初步的實驗研究，使他對蒸汽機的動力技術有了最初的認識。

如果說瓦特的工匠技術為他以后革新紐可門蒸汽機打下了技術基礎，那么，布萊克的熱學理論則為他打下了一定的理論基礎。從瓦特最初來到格拉斯哥大學的1757年開始，到1760年為止，在四年多的時間內，瓦特已成為一個不僅具有工匠的技術實踐經驗，而且具有學者的科學理論知識的青年機械師。

研究紐可門蒸汽機

在初步具備一定的技術基礎、實驗基礎與理論基礎之后，瓦特產生了革新紐可門蒸汽機的強烈愿望。當時，人們把紐可門蒸汽機稱為“火機”，雖然它在礦山已普遍使用，但在大學還不易見到。

幸運的是，1761年，在瓦特的要求下，格拉斯哥大學從倫敦借來了一臺需要修理的紐可門蒸汽機供瓦特研究使用。瓦特正式開始了革新紐可門蒸汽機的研究工作。

自從那臺紐可門蒸汽機從倫敦運到格拉斯哥大學之后，瓦特立即對它的機械結構與工作原理進行了細致的研究。他發現它有兩大明顯的缺點：一是它的耗煤量大，熱效率低；二是它所傳送出來的動力只能作往返運動。正是這兩大缺點阻礙了它的進一步推廣使用。

可是，要找到紐可門蒸汽機的熱效率低的原因在哪里卻不是一件容易的事。他發現，當蒸汽進人汽缸后，溫度即上升到100℃，可是為了得到真空，必須馬上在汽缸內將蒸汽用冷水噴注冷凝。當冷水噴入汽缸后，汽缸內的溫度即下降到20℃。這樣一開一降，活塞才能完成一個沖程的往返動作。而這樣一個沖程中，熱量遭到兩次浪費。當蒸汽進入汽缸時，它必須花費足夠的熱量使汽缸本身的溫度由20℃上升到100℃；當冷水進入汽缸時，冷凝水又帶走了大量的熱量。這樣一熱一冷，熱量浪費極大。

瓦特運用布萊克的熱學理論，對那臺紐可門蒸汽機的作功過程進行了測量和分析，確認這正是紐可門蒸汽機熱效率低的主要原因。這時，借來的紐可門蒸汽機歸還期到了，機器被運走后，瓦特沒有樣機繼續進行實驗，只得進行一些理論的探索。在理論研究中，瓦特再次鉆研了布萊克的熱學理論，通過對紐可門蒸汽機熱效率的進一步理論分析，使瓦特進一步看清了紐可門蒸汽機的汽缸內冷這一最主要的缺點。

采用分離冷凝器

發現問題是一回事，可是要解決它卻不容易。又經過兩年多的努力，1765年春天，有一次出外散步時，瓦特靈感突發，既然紐可門蒸汽機的熱效率低是由于蒸汽在汽缸內冷凝造成的，反過來，為什么不能讓做功后的蒸汽在汽缸外冷凝呢?這樣，瓦特便產生了采用分離冷凝器的最初設想——這是一個絕對巧妙的一個想法!

在產生采用分離冷凝器的最初設想之后，瓦特立即付諸實踐，在同年設計了世界上第一臺帶有分離冷凝器的蒸汽機。按照他的設計，冷凝器與汽缸之間用一個調節閥門相連。通過閥門控制，使它們既能連通，又能分開。這樣，既可把做功后的蒸汽引入汽缸外的冷凝器，又可以使汽缸內產生同樣的真空，但卻避免了汽缸在一熱一冷過程中的熱量消耗。瓦特認為不出意外的話，這種新的蒸汽機的熱效率將是紐可門蒸汽機的熱效率的三倍!

但要把這種設想變成真實的蒸汽機，不知要遇上多少困難。但瓦特知難而上，開始研制新式蒸汽機。資金、設備、材料、技工這些是開展工作所必需的。可是，瓦特本人只有35磅的年薪，除去用來買面包的那部分以外，所剩無幾。

在失敗中不斷完善

經過多方努力，在各方好友的幫助下，從1766年開始，在三年多的時間內，瓦特解決了材料和工藝等方面的種種困難，終于在1769年生產了第一臺樣機。同年，瓦特以發明分離冷凝器獲得他在革新紐可門蒸汽機過程中的第一個專利。

瓦特的第一個設想終于實現了。第一臺帶有分離冷凝器的蒸汽機雖然試驗成功。但是同紐可門蒸汽機相比，除了熱效率有顯著提高之外，在作為動力機而帶動其他工作機的性能方面。仍未能取得實質性的進展。瓦特的這種蒸汽機，還是無法成為真正的動力機。

由于這種蒸汽機仍不夠理想，銷路并不好，致使幫助他研究的好友羅巴克瀕于破產，無力對瓦特繼續進行經濟上的資助。瓦特在這一段時間內感到了絕望。

但羅巴克對科學的熱心并沒有變，他又將瓦特介紹給自己的朋友——工程師兼企業家博爾頓，以便使瓦特的研制工作能夠繼續進行下去。博爾頓是位能干的工程師和企業家。他對瓦特的創新精神表示贊賞，表示愿意資助瓦特繼續進行新式蒸汽機的研制工作。

博爾頓是伯明翰地區著名的科學社團“圓月學社”的主要成員之一。參加這個學社的，大都是該地的一些科學家、工程師、學者以及其他一些科學愛好者。

經過博爾頓的介紹。瓦特也加入了圓月學社，這使瓦特受益匪淺。在圓月學社活動期間，瓦特和化學家普列斯特等人的交往。使他對當時人們關注的氣體化學和熱化學有了更多的了解，并進行了一些初步的實驗研究。

更重要的是，圓月學社的活動使瓦特進一步增長了科學見識，活躍了科學思想。瓦特自與博爾頓合作之后，博爾頓即在資金、設備、材料和人力各方面給予大力資助。從1775年開始，瓦特即致力于生產這種帶分離冷凝器的蒸汽機。到了1776年，瓦特終于組裝出了兩臺。但是，由于這種蒸汽機比他在1769年試制的那種蒸汽機的樣機并沒什么顯著的改進，所以也沒有引起社會的關注。

瓦特在1776年組裝出的兩臺蒸汽機雖然仍不成功，但耗資卻不少。瓦特因此債臺高筑，博爾頓也因此瀕于破產。這時，瓦特的一個朋友為他在俄國找到了一個年俸為1000英鎊的職務，勸他到俄國去工作，以擺脫當時的經濟困境。

但是，瓦特所想到的仍然是他的蒸汽機。博爾頓雖然因資助瓦特而近于破產，但他仍然給瓦特以慷慨的資助。由于瓦特本人具有百折不撓的毅力，同時也由于博爾頓具有舍身相助的精神，終于使瓦特的新式蒸汽機的研制工作得以繼續進行下去。

自1769年試制出那臺帶有分離冷凝器的樣機之后，瓦特即已看到，熱效率低已不再是他的蒸汽機最主要的弊病，而活塞仍只能作往返的直線運動才是它的根本局限。在1776年組裝那兩臺帶有分離冷凝器的蒸汽機時，瓦特已感到解決這一問題的緊迫性。

蒸汽原動機誕生

1781年，在參加圓月學社的活動時，瓦特聽到會員們談到天文學赫舍爾在當年發現的天王星以及由此引出的行星繞日作圓周運動的消息，也許是這個消息啟發了他，也許是鐘表中的齒輪的圓周運動啟發了他。他想：如果能把活塞的往返直線運動轉變成旋轉的圓周運動，不就可以使動力源源不斷地傳給任何工作機嗎?

同年，瓦特研制出了一套被稱為“太陽和行星”的齒輪聯動裝置，憑藉這套裝置他終于把活塞的往返直線運動轉變為輪軸旋轉運動。由于有了這種齒輪聯動裝置，旋轉的輪軸可通過齒輪或鏈條帶動任何工作機。為了使輪軸的旋轉增加慣性，從而使圓周運動更加均勻，瓦特還在輪軸上加裝了一個大飛輪。由于對傳動機的這一重大革新，瓦特的這種蒸汽機才真正成為能帶動一切工作機的動力機，才真正成為開動一切工作機的萬能機。

這一成果大大增加了蒸汽機的實用性。1781年底，瓦特以發明帶有齒輪和拉桿的機械聯動裝置獲得了第二個專利，從而實現了他在革新紐可門蒸汽機過程中的第二次飛躍。

瓦特在1781年試制成功的帶有齒輪聯動裝置的蒸汽機由于加上了輪軸和飛輪，使得蒸汽機在把活塞的往返直線運動轉變為輪軸的旋轉運動時，要多消耗不少無謂的能量。這樣，使得蒸汽機的效率仍大打折扣，動力也因此而受到限制。

為了進一步提高蒸汽機的效率，增大蒸汽機的動力，瓦特在發明齒輪聯動裝置之后，對汽缸本身進行了分析和研究。他發現，他雖然把紐可門蒸汽機的內部冷凝變成了外部冷凝，使蒸汽機的熱效率有了顯著的提高，但他的蒸汽機中的蒸汽在推動活塞的沖程工藝上，與紐可門蒸汽機中的沖程工藝并沒有什么兩樣——然是讓蒸汽從一端進入，從另一端排出。這仍然是一種蒸汽的單向運動。他想，如果讓蒸汽能夠輪流從活塞兩端進入和排出，就可讓蒸汽推動活塞向上運動，也可讓蒸汽推動活塞向下運動。這樣，活塞在一上一下的一個沖程中，就可獲得相等于原來兩倍的動力。

1782年，瓦特根據他的雙向進入和排出蒸汽的設計，試制出了一種帶有雙向裝置的新汽缸，把原來的單向汽缸組裝成雙向汽缸，并首次把引入汽缸的蒸汽由低壓蒸汽改為高壓蒸汽，從而又實現了他在革新紐可門蒸汽機過程中的第三次躍進。

帶有飛輪和齒輪聯動的雙向高壓蒸汽機發明之后，紐可門蒸汽機才完全演變為瓦特蒸汽機。1782年，瓦特以發明雙向裝置和引入高壓蒸汽而取得他在革新紐可門蒸汽機過程中的第三個專利。自此之后，瓦特蒸汽機才真正成為一臺工作機的原動機。

在研制蒸汽機的道路上，瓦特就像一匹不知疲倦的奔馬，在蒸汽機領域不停地耕作著。如果從他最初接觸紐可門蒸汽機的1761年算起，他經歷了21年的漫長歲月。在21余年的時間內，瓦特雖然多次受挫，屢遭失敗，但仍以對科學的執著和百折不撓的精神和毅力，通過對紐可門蒸汽機的三次大革新，終于實現了對紐可門蒸汽機的徹底革命。

1784年，瓦特又將帶有飛輪、齒輪聯動裝置和雙向汽缸裝置的高壓蒸汽機綜合組裝，取得了他在革新紐可門蒸汽機過程中的第四個專利。

蒸汽機的發明，加之英國當時煤鐵工業發達，所以英國就成為世界上最早利用蒸汽推動鐵制“海輪”的國家。19世紀，開始海上運輸改革，一些國家進入了所謂的“汽船時代”。從此，船只就行駛在茫茫無際的海洋上了。隨之而來，煤礦、工廠、火車也全應用了蒸汽機。體力勞動解放了，經濟發展了。這一切都是蒸汽機的發明家者瓦特的功勞。