大工業的新動力：蒸汽機的發明與應用

[摘 要]蒸汽機是18世紀工業革命史上的一項重要發明，它改變了人們的生產生活方式。本文從經濟角度入手，在論述蒸汽機發明與、用的基礎上分析其產生的經濟效益和社會效益。

[關鍵詞]大工業動力 蒸汽機

[中圖分類號]K1 [文獻標識碼]A [文章編號]1009-5489(2007)05-0017-02

水力是十八世紀英國工業革命的原初動力。它促進了生產的集中和工廠制度的建立，使生產能在較大規模下組織起來。這改變了以往手工工場的組織形式和管理制度，邁出了大工業的第一步。蒸汽機的發明改變了人們對自然力的依賴，成為大工業的新動力，使生產能在更大更廣闊的領域進行。本文從經濟方面來研究水力的局限，蒸汽機的發明和應用機器帶來的經濟效益和社會效益，借以展示大工業對人類社會的巨大影響。

一、水力機被淘汰的原因

在中世紀的歐洲，水力一直是人們生產生活的動力來源。人們以水車的形式用來推動石磨、漿洗呢絨的木槌、煉鐵廠的鼓風器和錘，也是供水泵或排水泵。直到十八世紀中期，由于商業需求，人們在水勢較好的地方將幾架水車集中在一起，組織起更大規模的生產。這種機械化的生產使工人的分工更加明確，首先推動棉紡織業進入大工業領域。

當時這種動力存在一定的局限。首先，地理環境限制了工業的擴展。水力機的使用要求將工廠建在水力發達，水勢落差較大的地區。如在彭奈恩山脈地區建立了第一批紗廠，在蘇格蘭和威爾士，冶金工業得到了較早的發展。但不列顛大部都是平原，這樣，工廠就不能在更多的人口聚集的地方發展。其次，“聚集動力和傳送動力的車論系統常常把一部分的動力浪費掉”。為了獲得足夠的動力，人們需要用抽水機將水升到蓄水池里，通過制造人工瀑布來解決動力不足的問題。第三，水車的工作效率不高，將水提升的高度也有限。因此，在工業初期尚能滿足需要，但在工業不斷發展的情況下，人們要求擴大生產的空間和提高生產的效率，水力機的不足就表現得越來越明顯，對新的動力的需求顯得更加迫切。第四， “在一定深度，幾乎無法排出涌到坑道里的水：必須求助于全套的重疊唧筒，但這種唧筒的安裝是很貴的。而且效果不大。”正是看到了這一點，薩夫里才發明了第一架蒸汽機，希望以此代替效率不高的水車。

二、蒸汽機發明的過程

薩夫里的機器構造簡單，卻同時利用兩種力：氣壓的吸力和蒸汽的張力。它主要由一個氣鍋和兩個汽桶組成。氣鍋與汽桶間通過兩次蒸汽的張力將空氣或從汽桶中排空。在這之間通過冷凝汽桶中的蒸汽，用氣壓的吸力將水將水吸入。氣鍋一直加熱，兩個汽桶交替完成同一過程。薩夫里希望它不僅可以用于抽水，還可以“供給城市和人家的用水、撲滅火災、推動磨輪”，它也發揮了一定的作用。將它安裝在私人住宅和花園里取得了巨大的成功；它也曾將泰晤士河水供給城市里的公司使用。發明強調目的性和實用性，它主要用在礦井中抽水，但它無法滿足人們的需要。它只能將水提升到100尺左右；發明家沒有同時提供壓力表，隨意對氣鍋加壓極易引起爆炸；抽水的動作緩慢，力量有限。不久，紐科門就對它進行了改造，經過不斷完善，于1720年左右達到應用階段，成功地得以推廣。

紐科門只用蒸汽冷凝的吸力，而不用蒸汽的張力。他用了一個氣鍋、氣缸、活動桿和平衡桿，將冷凝與吸水分開，一次冷凝可以使抽水自動完成一次，形成有規律的往復運動。它的缺陷在于：蒸汽通到氣缸里時，活塞并不是嚴密地貼在管壁上；用冷水澆灌氣缸外部而獲得的冷凝，也很不完善；必須用手開閉通道上的龍頭，每分鐘七、八次。此后進行了不斷的改善，到1717年亨利·貝湯用一個安全活門而將氣鍋爆炸的危險也避免了。但它只能做往復的直線運動，還不能運用在其他生產領域。同時，力的消失是紐科門機器的明顯缺陷。許多科學家都試圖解決這一問題。1763年冬天，瓦特仔細觀察了它的運轉，對它作了系統的評論。他認為力的消失有兩個主要的原因。“一方面，在活塞每動一下之后，為了恢復氣缸內部的高溫，就耗費掉大量的熱素；另一方面，冷凝由于冷卻不足而非常不完備。”為了解決這個問題，瓦特首先在理論上完成了推想。“為了避免任何無益的冷凝，蒸汽對活塞發生作用的那個氣缸，必須經常同蒸汽本身一樣熱”；“為了獲得必要的空隙，冷凝必須發生在一個單獨的容器里，這里的溫度能夠按照所需要的程度得到降低，而氣缸的溫度卻不受到改變”；“為了不必用水來防止活塞漏氣，為了在活塞下去時防止空氣冷卻氣缸，那就必須使用蒸汽的壓力作為動力，而不使用氣壓作為動力”。這樣，瓦特從理論上將冷凝器與氣缸分開。據此，瓦特制造出“單作用式蒸汽機”，但仍只能用于抽水。為了實現把蒸汽動力用于工廠、運輸，及一切需要動力的地方，他吸收了德國人洛伊波爾德在1772年提出的利用進排氣閥使氣缸連續往復運動的原理，開始研制雙作用式蒸汽機。經多次試驗。瓦特終于使用飛輪和曲拐把活塞的往復運動變成圓周運動的試驗獲得成功。但有人搶先申請了專利。他不得不采用行星齒輪機構，使往復運動變成圓周運動，并于1781年10月獲得了“雙作用式蒸汽機”的專利權。為了完善蒸汽機的性能，瓦特經過進一步探索，于1782年利用飛輪解決了轉動的穩定性問題；1784年改進了蒸汽機的配氣機構，采用帶氣泵的凝汽機和使活塞平行運動的四連桿機構，1788年發明了能控制進氣閥開啟程度從而控制蒸汽機速度的離心調速器；1790年發明了壓力表；1794年將行星齒輪機構改為曲柄連桿機構。終于完成了“雙作用式蒸汽機”的發明工作。

三、蒸汽機的改進與應用

蒸汽機的發明作為一種經濟現象，它能夠不斷得到改進的一個重要的經濟原則是獲益要永遠大與消耗。

薩夫里制造蒸汽機的目的是代替那些在礦井中安裝的全套的重疊唧筒，這些設備加大了開礦的成本，使利潤減少。但他的發明使燃料的消耗加大，且存在工作和生產效率問題。紐科門的機器一問世，它就遭到淘汰。經過完善，紐科門的蒸汽機得到推廣，它比以前所使用的動力更加高效、節能。一架蒸汽機相當于五十馬力的功，而費用只是原來的六分之一。但它仍具有薩夫里蒸汽機的缺陷，需要消耗大量的燃料。由于火力泵和水力機的組合所產生的力的喪失。加上因冷凝氣缸所造成的熱素的喪失，結果就是燃料的耗費同所得的效果不相稱。同時，它也只能做往復的直線運動，還不能用在其他領域進行生產。瓦特的蒸汽機克服了它的缺陷。瓦特發明的“雙作用式蒸汽機”具有節能、高效、工作可靠、應用范圍廣等特點。因此，它不僅在采礦業中受青睞。而且在紡織、冶金、機器制造、交通運輸等各行各業得到廣泛應用。

在冶金業方面，1775年，索霍工廠交給伯明翰附近的布魯姆菲爾德煤礦一架蒸汽抽水機，它比紐科門機器抽水快兩倍，而燃料耗費量卻是同等的。

在紡織業中，理查德，阿克萊特早已承認“每當工廠易于設在城市里或者設在已有建筑物的地方而能對燃料的消費量和使用費的支付作出抵償時，蒸汽機就一定能夠用于紗廠，”在帕普爾維克，魯賓遜紗廠于1785年第一個使用蒸汽機。之后擴展到沃林頓和諾丁漢。從1794年起，蒸汽機緊緊隨著機械和機器的采用漸漸進入毛紡廠。

在運輸業方面，運輸工具在蒸汽的推動下有了重大的變化。1807年美國富爾頓發明了的火輪船；1814年英國的史蒂芬孫發明了火車。蒸汽機的廣泛應用直接影響了現代交通工具的發展。

蒸汽機在各行業中的應用壓縮了產品的成本。工廠建在人口集中的地區，可降低勞動力的價格和產品運輸的費用，促進企業的投資熱情。

蒸汽機的發明所產生的影響正如伯爾芒圖所述：“蒸汽機的發明完成工業的集中。它使工業的相互依賴關系更加密切同時又使工業的發展歸于統一。”“蒸汽機的發明這一重大事件，開始了工業革命的最后的、最具有決定性的階段。蒸汽把那些還壓在大工業身上的束縛解放之后，就有可能無限迅速地發展了。事實上，使用蒸汽并不象使用水那樣必須取決于位置和當地資源等絕對條件。凡能獲得公道價格的煤的地方，都可以安裝蒸汽機。在英國，煤藏豐富，煤的使用在十八世紀末已經是增多了。那里特意創設的航路網有可能以很少的費用把煤運送到各處，全國已經變成一個特別宜于工業生長的享有優惠的世界。工廠現在可以離開其原來孤立于水流岸邊的曾在其中成長起來的溪谷了；工廠接近市場可以購買原料和出賣產品，移近人口中心可以招募人員；工廠將會和集中起來形成一些巨大而黝黑的工業城市，蒸汽機將使無窮的煙云飛翔在這些城市的上空。”到19世紀三四十年代，蒸汽機已在全世界廣泛應用，使人類進入了所謂的“蒸汽時代”。

[參考文獻]

[1]保爾·芒圖，楊人、陳希秦等譯：《十八世紀產業革命》，商務印書館1997年版。

[2]眭平：《瓦特·蒸汽機·工業革命》，《中學物理教學參考》1999年第28卷第5期。