【工业革命的标志】标志第一次工业革命的蒸汽机史话

近代以来，随着工业的发展，作为传统生物能源的木材明显不足，煤炭开始广泛用作燃料，煤炭开采业越来越火爆。

蒸汽用来作为动力古已有之，亚历里山大里亚的希罗曾利用蒸汽的反冲力做过一个玩具，近代也有许多人动过这方面的脑筋。第一个比较有意义的尝试可能是罗马林琴学院的创始人之一波尔塔做的。他在1601年出版的《神灵三书》中提出，可以让蒸汽的压力使水提升，而蒸汽冷却后形成的真空又可以将水从低处吸进来。他设计的装置虽然只是一种实验器械，没有什么实际用途，但其叙述的构想以及他当时还未意识到的物理原理却十分重要。

1 最先把蒸汽动力技术的设想付诸实施的法国物理学家、工程师巴本

17世纪上半叶，大气压力和真空概念已广为人知。法国工程师巴本(Denis Papin 1647-1712)在使蒸汽动力技术实用化方面迈出了一大步。巴本生于法国南部的布卢瓦，早年学医。1671年在巴黎结识惠更斯后，对实验物理学发生了浓厚的兴趣，并协助惠更斯做了不少大气压力和真空实验。1674年，他成功地改进了波义耳的空气泵。波义尔听到这个消息，便邀请巴本当他的助手，巴本遂于1675年来到伦敦，跟随波义耳系统学习气体力学知识。

1679年，巴本研制出了一种“蒸煮器”。这种炊锅完全密封，水在里面煮沸后产生的蒸汽压使沸点升高，高温使食物极易煮烂。锅盖上还装有安全阀防止蒸汽压力过高。实际上，“蒸煮器”就是现代人们常用的高压锅。据说，巴本用这种高压锅给查理二世做了一道菜，平时不太易熟的骨头这时变得烂熟，味道极其鲜美。因为发明了此蒸煮器，他于1680年当选为皇家学会会员。

巴本在蒸煮器的基础上制成了第一台带活塞的蒸汽机，设计方案以“一种获取廉价大动力的新方法”为题发表于1690年。巴本从欧洲当时的炼铁场广泛使用的那种活塞式风箱中受到启发，认为有可能把风箱变为汽缸，而把风箱中的活塞变为汽缸中的活塞。在实验时，他先将汽缸的底部注入少量的水，再把汽缸放到火上加热。当汽缸内的水沸腾后，蒸汽即推动活塞慢慢上升；然后，又把火从汽缸下抽掉，汽缸内的蒸汽即慢慢冷凝。由于蒸汽的冷凝，汽缸内产生真空，在大气压力的推动之下，活塞又慢慢下降。通过这一实验，使巴本认识到，利用蒸汽压力、大气压力、真空作用的交互作用，完全可以推动汽缸内的活塞及其活塞杆作往返的直线运动。而这种运动所产生的机械动力可以带动其他机械的运动。

在发明带有活塞的蒸汽泵之后，考虑到蒸汽压力大可能会使汽缸爆炸，巴本又在1680年发明了安全阀。这样，第一台可以把热能转变为机械能的实验型的蒸汽泵，就于1680年在英国试验成功了。

2 萨弗里的蒸汽泵

继巴本的蒸汽机之后，英国工程师萨弗里又发明了蒸汽泵。与巴本的蒸汽机不同，它没有活塞，因为它的直接目的是抽水。当时矿井排水问题已迫在眉睫，政府多次悬赏解决办法。萨弗里的蒸汽泵由汽缸和三根导管组成，一根导管通往蒸汽锅炉，另两根分别是进水管和出水管。蒸汽进入汽缸后在外面注凉水冷却，在汽缸内形成真空将水吸入，第二次通入蒸汽再将汽缸中的水压出。1698年，萨弗里获得该项专利。蒸汽泵是第一台投入实用的蒸汽机，某些使用过的矿场都称它为“矿工之友”。不过，它的缺点是十分明显的：它不可能将水提很高，因为地将需要较高的蒸汽压，而当时的锅炉不能安全地提供这样高压的蒸汽；而且，它的热效率太低。

3 纽可门的常压蒸汽机

蒸汽机的下一步改进是由英国工程师纽可门（Newcomen，Thomas，1663-1729）完成的。萨弗里的蒸汽泵问世后，马上吸引了当时还是铁匠的纽可门，他决心在此基础上造出更好的蒸汽机来。为此，纽可门专程拜访了年迈的胡克。胡克向他讲解了有关物理知识。后来，他又与萨弗里本人一起探讨改进方案，最终于1705年造出了一台蒸汽机，同时取得了“冷凝进入活塞下部的蒸汽和把活塞与连杆联接以产生运动”的专利权。这台机器吸取了巴本蒸汽机和萨弗里蒸汽泵的优点，有一个带活塞的汽缸，但蒸汽由另外的锅炉输入。纽可门的创造在于，为了提高冷凝速度，他在汽缸里装了一个冷水喷射器，不让冷却水直接进入汽缸，而是把冷却水通过一个细小的龙头向汽缸内进行喷溅，这大大提高了热效率。据说这是胡克的主意。与萨弗里的蒸汽泵不同，纽可门的机器依靠大气压力而不是蒸汽压力工作，不存在高压蒸汽的危险性。

此后，纽科门继续改进蒸汽机，于1712年首次制成可供实用的大气式蒸汽机，被称为纽科门蒸汽机。这台蒸汽机的汽缸活塞直径为30.48厘米,每分钟往复12次，功率为5.5马力。但热效率低，燃料消耗量大，仅适用于煤矿等燃料充足的地方。

纽可门的蒸汽机马上投入实用，效果十分好。到了1712年，英国的煤场和矿场基本上都用上了这种新式蒸汽机。

纽科门蒸汽机被广泛应用了60多年，在瓦特完善蒸汽机的发明后很长时间还在使用。纽科门蒸汽机是第一个实用的蒸汽机。他为后来蒸汽机的发展和完善奠定了基础。

4 瓦特蒸汽机

又过了半个世纪，工业生产对于动力机的需要空前增长。纽可门蒸汽机热效率仍然不高，只能用于矿山抽水，不能满足新的需要。于是瓦特蒸汽机应运而生。

瓦特（James Watt，1736-1819）生于苏格兰西部的格里诺克一个工人家庭，从小饱受贫穷和疾病的折磨。十几岁来到伦敦当学徒，学习机械制造。1756年，瓦特回到苏格兰的格拉斯哥，想自己开业，但因学徒年限不够，只得在格拉斯哥大学谋得一个机修工的职位。在大学里，他认识了著名的物理学家布莱克，从他那里学到了许多热学知识。与此同时，他在思考如何改进纽可门蒸汽机。

1763年，他受命修理格拉斯哥大学的一台纽可门蒸汽机，得以仔细研究纽可门机的结构。他发现纽可门机的热量浪费太大。每一次蒸汽进入汽缸后，为了得到真空都要用冷水冷却，而下一次蒸汽进入之后，先得将已冷却的汽缸加热才能推动汽缸使汽缸充满高温蒸汽。在这一冷一热的过程中，热量损失太大。也就是煤矿里有大量品质较低的煤供纽可门机用，其他场合根本不可能使用这种如此消耗燃料的动力机。但是，如何改变这一缺点呢？

1765年，瓦特终于想出了在汽缸之后再加一个冷凝器的主意。瓦特自述说：“那是一个晴朗的星期天下午，我出去散步。从察罗托街尽头的城门来到了草原，走过旧洗衣店。那时我正在继续考虑蒸汽机的事情。然后来到了牧人的茅舍。这时我突然想到－因为蒸汽是具有弹性的物质，所以能冲进真空中。如果把汽缸和排气的容器连通的话，那么蒸汽猛然冲进真空里，就可以在不使汽缸冷却的情况下使蒸汽在容器中凝结了吧？当这些在我的头脑里考虑成熟的时候，我还没有走到高尔夫球场。

冷凝器与汽缸之间用一个可调节阀门相连。高温蒸汽注入汽缸时阀门关上，做功后打开阀门，蒸汽则马上被引入冷凝器（冷凝器事先用一台抽气机抽成真空）冷却，之后在冷凝器和汽缸内均形成真空。活塞在大气压力下做功，之后关上阀门，重新将冷凝器抽成真空，重复前一过程。瓦特于1769年造出了第一台样机，并获得发明冷凝器的专利。

在汽缸外加冷凝器后，蒸汽机的效率成倍地提高，但瓦特并不满足于此。他继续自己的蒸汽机。1781年，他改变了蒸汽机只能直线做功的状态，用一个齿轮装置将活塞的直线往复式运动转化为轮轴的旋转运动。1782年，他进一步设计出了双向汽缸，使蒸汽机从活塞的两端进入，使热效率又提高了一倍。经过进一步改进后的瓦特蒸汽机，成了效率显著、可用于一切机械的万能“原动机”。蒸汽机改变整个世界的时代正式到来了。

到了1790，瓦特机几乎全部取代了老式的纽可门机。瓦特开始作为蒸汽机的发明人而受到尊崇。瓦特机的广泛利用使工业革命进入新的高潮。古老的人力、畜力和水力被蒸汽动力所代替，工厂不必再建在水流湍急的地方。大规模生产不仅可能而且成为必要。纺织业、采矿业和冶金业在瓦特机的带动下迅猛发展，而为了制造瓦特机又使机械制造业繁荣起来。

瓦特后来又发明了离心调节器，它使输入的蒸汽不致太多或太少。蒸汽驱使一个调节杆转动，转得越快，调节杆上的两个金属球就相互飞离得越远，从而使蒸汽出口变小；蒸汽输出减少后，调节杆转动就慢了，两个金属球就离得近了，它又使蒸汽出口变大。

1800年，瓦特被选入皇家学会，他曾就职的格拉斯哥大学授予他名誉博士学位。1819年，瓦特在伯明翰逝世。

瓦特在新设计的蒸汽机上安装曲轴、连杆等器件，使它更为自动化。这些重大的改进，使工厂和交通运输等方面都能使用蒸汽机。因此蒸汽动力的巨大潜能被逐渐的发掘了出来。

在纺织业中，1785年，诺定昂郡建立了英国的第一座蒸汽纺织厂。由于采用瓦特蒸汽机作为原动机，使纺织厂打破了必须建在河谷地区的地理条件的限制，使纺织业的发展进入了一个新的时期。

在冶金业中，从1790年开始，许多炼铁厂相继采用蒸汽机来开动更大的鼓风机，来为更大的高炉提供更大的风力。在此之前，炼铁工人达比已在1780年发明焦炭炼铁法。新的燃料加上新的动力，使高炉越建越大，产量越来越高。1788年，英国的生铁产量为61300吨，而在各炼铁厂相继采用蒸汽机后，到了1796年，英国的生铁产量即猛增到125000吨。

由于社会生产对瓦特蒸汽机制需求量越来越大，这也使以蒸汽机的制造为主体的机器制造业也随之发展起来。自此之后，车床、刨床、钻床、磨床等各种机床制造工业以及纺织，采矿、冶金、运输等各种工种工作机的制造业也相应地发展起来。

以农业机械为例，在十八世纪末和十九世纪初，在英国的许多大农场就相继出现了播种机、收割机、打谷机、割草机等多种农业机械。尽管这些最农业机械都是以人力或畜力为动力的，但它们却是瓦特蒸汽机在推动第一次工业革命的深入发展中结出的技术果实。这说明，第一次工业革命的风暴不但在工业领域迅速发展，而且迅速地波及到工业以外的其他领域。

另外，在科学技术上，在生产关系上，瓦特蒸汽机的发明也起到了重要作用。瓦特蒸汽机的发明，第一次大规模地把热能转变为机械能，这就直接推动了科学、热力学和能量转化方面的基础理论的研究，同时了直接推动了纺织、采矿、冶金、机械等各类技术科学的发展。

瓦特蒸汽机的发明，也为生产关系的革命提供了有力的杠杆。自此之后，由于机械大工业的迅速发展，社会日益分成两大明显对立的阶段：无产阶级和资产阶级。机器大工业反无产阶级一次又一次抛向街头，无产阶级革命也就一次又一次发生，从而把西欧一些主要资本主义国有推向了一个新的社会发展阶段。

正如其它很多重大发明一样，关于瓦特是否是一些蒸汽机相关的专利的发明者上一直有很多争议。但对于其中最重要的分离式冷凝器，毫无争议是由瓦特最早提出并独自发明的。据说瓦特曾阻挠双筒蒸汽机和高压蒸汽机的发明和推广，还嘲笑别人用蒸汽机来驱动车辆的努力。