工業革命時期蒸汽動力的應用與熱力學理論的關系

王怡萌

摘 要 作為工業革命基礎的技術創新雖然幾乎全部出于工匠或技師之手，但并非絲毫沒有得益于當時科學理論的幫助，如瓦特在改進紐科門蒸汽機時就受到了布萊克潛熱理論的影響。18世紀后期，在蒸汽動力的應用所帶來的革命影響下，以伯明翰月光社成員為代表的科學家們對熱學研究產生了廣泛興趣。19世紀，以卡諾為代表的科學家對以蒸汽機為基礎的理論研究成為熱力學研究的開端。

關鍵詞 蒸汽機 熱力學 潛熱 伯明翰月光社 卡諾

一 引言

麥克萊倫第三（J. E. McClellan Ⅲ）在《世界史上的科學技術》一書中這樣概括工業革命時期的技術創新與科學理論之間的關系：“構成18世紀和19世紀上半葉工業革命基礎的那些技術創新，準確地說都是由工匠、技師或工程師這一類人做出來的。他們中間沒有多少人接受過大學教育，而且他們全都是在沒有得益于科學理論的情況下取得成果的。”（[1]，頁336）他指出所謂的紐科門（T. Newcomen）曾經得到過胡克（R. Hooke）的指導，或是瓦特（J. Watt）受到了布萊克（J. Black）的潛熱理論的啟發才想出了單獨另設一個冷凝器等等這些故事，完全是虛構的。

有趣的是，一些科學史家在其著作中卻明顯表達出與麥克萊倫第三不同的觀點。如斯蒂芬·F·梅森（S. F. Mason）在《自然科學史》中提到：相比而言，17世紀科學家對純科學和實用科學同樣感興趣。而18世紀的兩項重要發明（蒸汽機和航海計時器）中并沒有體現出純科學與實用科學的結合，例如蒸汽機的先驅者紐科門僅僅是一位鐵匠。但梅森認為：“十八世紀的新紡織機和煉鐵上的革新，在工藝上都是重要的發明，但是蒸汽機的發展，由于科學內容和科學方法的關系太密切了，恐怕是十九世紀以前最重要的一項科學應用。”（[2]，頁259）他指出，其中一個重要的例子就是瓦特改進蒸汽機的事例：“英國科學家和工程師發展實驗的和實用的科學，給予工業技術以一種直接的推動力。……布萊克研究比熱和潛熱的實驗，立刻被實際應用到瓦特發展的新蒸汽機上。”（[2]，頁262）

這兩種不同觀點的并立，不僅是由于兩位歷史學家所使用的史料不同，也與這兩人對技術與科學關系認識的不同有關。通過對科學技術史的考察，麥克萊倫第三在書中明確地反對把技術當做是應用科學的觀點，認為這種觀點很大程度上是人們將當代科學與實際應用的密切關系遷移到歷史上而造成的；麥克萊倫第三希望從歷史的視角審視科學，從而得出“歷史上的技術是在引導著科學”的觀點，而不是相反。與此相對，梅森在開篇就提出，以技術傳統和精神傳統為歷史根源的科學傳統包含著實踐和理論的兩個部分，由此其取得的成果也具有技術和哲學的雙重意義。

需要說明的是，對技術與科學關系的哲學討論并不是我們討論的核心。我們的問題是：作為麥克萊倫第三和梅森兩人分歧的焦點，瓦特蒸汽機的發明與熱力學理論有著怎樣的關系？它是否受到了布萊克潛熱理論的影響？進一步說，蒸汽機的革新與熱力學理論有什么互動，反過來又對熱力學理論有什么影響呢？這些問題須從歷史本身角度來發掘。

二 瓦特對蒸汽機的改進與布萊克潛熱理論

麥克萊倫第三曾說過，在工業革命初期成功進行技術創新的都是工匠或技師，詹姆斯·瓦特亦不例外。瓦特的父親和祖父都從事過與機械有關的生意。尤其是瓦特的父親老詹姆斯·瓦特，作為一名手藝精湛的造船工匠，由于顧客太多而忙不過來，他在自家后院開了一家作坊，這個作坊對瓦特日后的工作有著極為重要的意義。因為在瓦特的幼年時期，他的父親在這個作坊中為瓦特安排了一個小的工作臺，而當時的瓦特便表現出機械制造方面的天賦，并在作坊的工人之間被傳為佳話。1755年，不到20歲的瓦特離開蘇格蘭，來到倫敦，幸運地跟隨倫敦一位有名的手藝人約翰·摩根（J. Morgan）先生學習。1756年，瓦特回到了自己的家鄉，但由于苛刻的行會制度，瓦特的學徒工經歷達不到行會要求，沒能如愿開一間屬于自己的店鋪。幸運的是，通過瓦特的遠方舅舅米黑爾德的關系，瓦特結識了迪克博士，迪克此時負責一項給格拉斯哥大學捐贈天文儀器的工作，迪克博士把清洗儀器的工作交給了瓦特，并為他提供酬金。但更重要的是，瓦特在修理這批儀器時表現出的高超技藝，使得格拉斯哥大學的教授們留下了深刻的印象。于是，格拉斯哥大學分給瓦特一間20英尺見方的工作室，而這間工作室隨后成為瓦特研究改進蒸汽機的主要場所。

瓦特首先利用當時格拉斯哥大學的一臺最新型的紐科門蒸汽機的物理教學模型進行研究。經過了反復的觀察和實驗，瓦特發現了潛熱現象，而這個概念最初是由他的好友布萊克博士（J. Black）提出的。當時布萊克博士雖然和瓦特在同一所大學共事又研究同一課題，但他們對彼此的工作幾乎一無所知。因此當瓦特發現單位質量的水受熱生成的蒸汽冷凝后可以將自身質量5倍的水加熱至沸點時，他無法對這種現象作出理論層面的解釋：

這種現象（潛熱的作用）令我感到迷惑不解，我便向好友布萊克博士提起此事，他于是向我解釋了他的潛熱理論，在此之前（1764年）他已經做過一段時間的研究；不過我那段時間忙著生意上的事情，即使以前就對這項理論有所耳聞，而且偶然發現了一個可以用它進行完美解釋的現象，那時我也不會重視它的。（[3]，頁33）

談到這里，有必要介紹一下潛熱理論及其與布萊克教授的關系。法國物理學家阿拉戈（F. Arago，1786—1853）曾指出，潛熱理論在現代物理學史上占有舉足輕重的位置。但需要指出的是，布萊克的潛熱理論依據的是現在已經被現代熱力學證明是錯誤的熱質說。

18世紀時，人們已經拋棄了17世紀權威科學家們所明確提出的“熱是由于分子的運動”這個正確的觀念，取而代之的是熱質說，且這個概念在18世紀末被人們普遍接受（[4]，頁118—119）。依據熱質說，熱具有高度彈性且它的微粒彼此排斥，而這種排斥能解釋熱物體放出熱的事實，并且假定分布在物體中的熱在數量上是正比于物體與熱微粒的相互吸引力（或者物體的熱容量）。

盡管這個理論是錯誤的，人們還是依據熱質說發現了某些關于熱的新事實。布萊克對“潛熱”的發現就是一個例子。“在1756年，他開始思考冰的溶解和水在沸騰時的消散的令人不解的緩慢。他最后斷定，大量的熱僅僅消耗在實現這些狀態的變化方面，而溫度甚至于沒有絲毫的改變，這種[熱的]散失的原因是在物質的微粒和稱為熱的細流之間的準化學組合。按照他的觀點，這種熱是‘潛在的……”（[4]，頁120）按現代的研究，并不存在什么“潛熱”，而是發生了能量轉換，即熱能轉化為物質粒子的勢能。布萊克隨后和他的學生威廉·歐文（W. Owen）得到了水的汽化熱值和溶解熱值，不可避免的是，這些值與現代得到的數值相比有少量偏差。

而瓦特通過實驗所研究的水和蒸汽之間的狀態轉變過程與布萊克所觀察到的現象極為類似。他用兩磅100℃的蒸汽接觸10磅0℃的水，結果發現蒸汽完全液化且同時那10磅水被加熱到了100℃。這一現象說明了兩磅的蒸汽凝結為水的過程中放出的熱量能夠將10磅處于冰點的水加熱到沸點，而這樣的蒸汽接觸到低溫介質表面時發生狀態轉變所放出的熱量就是布萊克所說的潛熱。所以當他與布萊克討論的時候，才發現他的好友幾年前就已經開始研究潛熱并將其應用到了教學當中。

這一理論對于瓦特具有重要意義。在弄清了潛熱的意義后，瓦特認識到了潛熱的存在正是紐科門發動機熱效率低下的癥結所在。紐科門發動機的工作原理是，燃燒木材或煤炭把水加熱到沸點且繼續加熱。由此產生的蒸汽進入汽缸，推動活塞做功。但瓦特發現，其中存在的一個問題是，對汽缸的反復加熱和冷卻過程中，蒸汽以潛熱的形式損失了80%的蒸汽熱量，僅有20%用于推動活塞做功。因此瓦特要解決的根本問題是如何維持氣缸溫度，避免蒸汽熱量在反復加熱與冷卻的過程中大量損失。在1765年一個安息日的午后，瓦特在散步途中產生了“分離式冷凝器”的靈感。分離式冷凝器將蒸汽排入冷凝器冷凝而不再在汽缸中冷凝，由此維持了汽缸的熱度；此外，分離式冷凝器的汽缸為封閉式并配有圓形活塞，活塞桿下端通過填料函伸出來，防止蒸汽溢出，由此在汽缸內形成了真空。瓦特曾對用這樣簡單的設備就能解決困擾已久的難題而驚訝不已，但事實上，“現實就是這樣，沒有冷凝器，沒有封閉式氣缸，就沒有現代蒸汽機”（[3]，頁41）。

當然，第一臺帶有分離式冷凝器的蒸汽機樣機與真正成型的蒸汽機之間還存在很大差別。瓦特對這臺存在很多缺陷的機器并不滿意，并著手制造一臺更大功率的蒸汽機。在此之后他遇到的大多是技術和資金的問題。他先與羅巴克（J. Roebuck）先生合作，在羅巴克破產后又結識了伯明翰索荷制造廠的擁有者博爾頓（M. Boutlon）先生。在博爾頓的堅定支持和索荷制造廠一流的設備和技術工人的幫助下，1776年，博爾頓-瓦特蒸汽機在布魯姆菲爾德煤礦首次向公眾展示，因其良好的性能，該產品的咨詢和訂貨者絡繹不絕。

三 蒸汽機的應用對熱力學理論的影響

1. 瓦特與伯明翰月光社的熱學研究

1767年，瓦特經原來的資助者的羅巴克的介紹來到伯明翰與博爾頓先生見面。由于博爾頓外出，與博爾頓同為月光派（Lunar Circle）成員的達爾文（E. Darwin）和斯莫爾（W. Small）帶領瓦特參觀了索荷制造廠。很快，博爾頓從羅巴克手中購買了瓦特的專利權，瓦特也加入了月光派，在1767—1774年他定居伯明翰的七年間，瓦特成為月光派的一個非常駐成員。

月光派在1775年時改名為月光社（Lunar Society），成為一個位于伯明翰的、由自然哲學家和工業學家組成的學會，其成員包括博爾頓、瓦特、斯莫爾、達爾文、韋奇伍德（J. Wedgwood）、普里斯特利（J. Priestley）、埃奇沃思（R. L. Edgeworth）等人。羅伯特·E·斯科菲爾德（R. E. Schofield）在其著作《伯明翰月光社：18世紀英格蘭地方性科學和工業的社會史》（Lunar Society of Birmingham： A Social History of Provincial Science and Industry in Eighteenth-Century England）一書中指出，在當時的學會中，月光社不是第一個也不是最后一個，但卻是在科學上最為重要的地方性學會。也有人評價：“月光社和地方性學會的迅速發展，有力地推動了英國工業革命的興起。”[5]

李斌在其論文《月光社的歷史及其影響》中提道：“1781年至1791年這十年是月光社活動最有規律、最富成效的階段。” [6]在這段時間中，博爾頓與瓦特繼續合作，繼續改進蒸汽機，將其用于更廣的領域，如1786年他將雙作用式發動機安裝在倫敦的阿爾比恩碾磨廠。而根據斯科菲爾德的著作，在瓦特移居伯明翰之后，熱學研究已經成為月光社的共同興趣。

月光社成員之一韋奇伍德進行了關于熱問題的實驗，并于1782年發明了著名的韋奇伍德高溫計，為18世紀及以后的科學提供了一個標準的高溫測量方法。韋奇伍德在1782年5月15日寫信給瓦特，稱當時許多化學家和哲學家對這樣的溫度計完全滿意。隨后布萊克又寫信給瓦特，稱對韋奇伍德測量溫度的實驗存在懷疑。但是，“瓦特并沒有顧及這種懷疑，他接受了拉瓦錫和拉普拉斯的數據來進行空氣比熱的粗糙計算，但是，瓦特沒有對比熱進行測量，他對于熱的興趣主要在應用方面”[6]。

加入月光社之后，瓦特繼續進行熱學實驗，并發明了能夠顯示蒸汽機一個沖程內壓力變化平均值的壓容圖。在這一時期，瓦特與布萊克仍然保持著頻繁的通信，根據伊拉斯謨·達爾文的兒子查爾斯·達爾文（C. Darwin）1777年的一封信，瓦特曾宣稱，在蒸發這一部分，他所作的工作比布萊克還要多[6] 。

月光社其他成員在這一時期也在熱學領域中有所建樹：1776年，月光社成員之一的維特赫斯特在《哲學匯刊》（Philosophical Transactions）上發表了一篇關于熱是否有重量的論文；伊拉斯謨·達爾文描述了絕熱過程，并明確和詳細地進行了絕熱實驗；普里斯特利通過進行不同空氣的熱膨脹實驗，粗略地計算出了氣體恒定壓力下的膨脹系數。

2. 蒸汽機與熱力學的開端

卡約里在《物理學史》中談到蒸汽機與熱力學開端的關系：“熱力學這門科學起源于企圖從數學上判定蒸汽機能作出多大的功。”（[4]，頁208）梅森在《自然科學史》中說道：“（19世紀）法國人正在研究控制蒸汽機把熱變為機械能的各種因素。這些因素在英國人那里并沒有進行過充分的研究，雖然那時在英國使用蒸汽機已經超過了一百年。……英國的工程師，如瓦特，大都是自學出來的，但是十九世紀早期的法國工程師則是在多種工藝學院和理論科學家一同受到訓練的，所以倒是他們比較能夠從事蒸汽機理論和一般機器理論的研究。”（[2]，頁459）根據梅森的觀點，正是理論科學家和實用工程師對蒸汽機理論的共同研究，促進了19世紀法國熱問題研究的發展。

而第一位“從數學上判定蒸汽機能作出多大的功”的熱力學先驅就是一位法國人卡諾（N. Carnot， 1796—1832）。他對熱力學的最大貢獻就是他于1824年發表的論文“關于火的動力的研究”（Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu）。麥克萊倫第三稱，這篇論文也是首次對蒸汽機的工作原理作出的科學分析（[1]，頁336）。體積進一步縮小、熱效率進一步提高的沃爾夫蒸汽機于1820年前后被引進到法國，這場蒸汽機帶來的革命吸引著卡諾進行熱機理論的研究。而之所以稱卡諾為蒸汽機原理的第一人，主要在于他在研究中用理論熱機代替了實際熱機，擺脫了熱機的各種具體結構和工作介質的差異。“卡諾敏銳地注意到，一個蒸汽機所產生的機械功，在原則上有賴于鍋爐和冷凝器之間的溫度差。”（[7]，頁56）通過這種科學抽象的方法，卡諾建立了理想化的模型，即“卡諾熱機”。接著卡諾在描述蒸汽機原理時引入了兩個熱力學的基本概念：完備性與可逆性。卡諾運用這兩個概念證明了工作于相同高溫及低溫熱源之間的所有熱機中，以可逆卡諾熱機效率最高，即“卡諾定理”。

然而這本書出版后并未立即引起反響。1834年克拉珀龍（B. Clapeyron）應用我們之前所提到的瓦特發明的壓容圖對卡諾熱機進行了解析。1848年，威廉·湯姆遜發表一系列為卡諾辯護的論文，其中證明了卡諾的循環變換原理導致了絕對熱力學溫標的出現，此時卡諾的貢獻才被人們普遍承認。1850年，克勞修斯（R. Clausius）證明了卡諾理論的正確性并將卡諾循環中的“熱沒有消失”這一觀點修正為“消失的熱已轉化成功”，并于同年在卡諾定理的基礎上提出了熱力學第二定律。

庫恩在《必要的張力》中十分強調蒸汽機對熱力學理論研究的影響：“在九個使轉化過程定量化而獲得部分或完全成功的先驅者當中，除了邁爾和赫爾姆霍茨以外，都受過工程師教育，或者當他們對能量守恒作出貢獻時正在直接從事蒸汽機方面的工作。在各自獨立計算出能量轉化系數值的六個人當中，除了邁爾以外，都是當時正在從事設計蒸汽機，或過去受過這種訓練。……‘功這一概念，正是由于19世紀人們關注蒸汽機而對能量守恒所作的最有決定性的貢獻。”（[8]，頁78—79）

四 小結

綜上所述，我們發現瓦特改進紐科門蒸汽機時遇到的關鍵問題的解決確實是在熱學研究者布萊克的幫助下完成的。而瓦特與月光社成員對蒸汽機改進成果的密切交流，又促進了月光社成員在18世紀下半葉對熱學的研究，其中很多工作成為19世紀熱力學研究開展的基礎。19世紀，蒸汽機的廣泛應用及其所帶來的革命的巨大影響力，吸引了大批科學家和工程師開展了以蒸汽機為基礎的熱力學研究，這些成為為熱力學第一、第二定律的理論基礎。曾有人指出，卡諾等人的理論又反過來促進了對蒸汽機的改變，證據是1800—1864年間，蒸汽機的功率和熱效率都提高了數倍（[7]，頁16）。由此可見，作為技術范疇的蒸汽動力的應用與作為科學理論的范疇的熱力學理論在工業革命時期有廣泛又復雜的交互聯系。

參考文獻

[1] 麥克萊倫第三. 世界史上的科學技術[M]. 王鳴陽譯. 上海： 上海科技教育出版社， 2003.

[2] 梅森. 自然科學史[M]. 上海外國自然科學哲學著作編譯組譯. 上海： 上海人民出版社， 1977.

[3] 卡內基. 瓦特傳： 工業革命的旗手[M]. 王錚譯. 南昌： 江西教育出版社， 2012.

[4] 卡約里. 物理學史[M]. 戴念祖譯. 桂林： 廣西師范大學出版社， 2008.

[5] Schofield， Robert E. Lunar Society of Birmingham： A Social History of Provincial Science and Industry in Eighteenth-Century England[M]. London： Oxford University Press， 1963.

[6] 李斌. 月光社的歷史及其影響[J]. 科學文化評論， 2007， 4（1）： 26—52.

[7] 李斌. 從蒸汽機到熱力學的興起[A]. 中國科學技術協會學會學術部. 新觀點新學說學術沙龍文集（10）·發明與發現上升到科學理論的條件和過程[C]. 2007.

[8] 庫恩. 必要的張力： 科學的傳統和變革論文選[M]. 北京： 北京大學出版社， 2004.