5.蒸汽机的发明与演变

蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械。蒸汽机的出现曾引发了18世纪的工业革命。直到20世纪初，它仍然是世界上最重要的原动机，后来才逐渐让位于内燃机和汽轮机等。《全球通史》作者L.S.斯塔夫里阿诺斯说过，“蒸汽机的历史意义，无论怎样夸大也不为过”。蒸汽机的出现使人类从依靠人力、畜力等原始动力中解脱了出来，实现了机器大生产，带领人类进入蒸汽时代。

早在1690年，法国物理学家丹尼斯·巴本制造出了一个带有汽缸、活塞的装置，完成了蒸汽机的基本构造原理。丹尼斯·巴本是一个物理学家，他这个装置仅限于实验室使用，没有转变成应用技术，但为后来的研究提供了理论依据。

16世纪末到17世纪后期，英国的采矿业，特别是煤矿，已发展到相当的规模。随着矿产品需求量的增长，矿井越挖越深而导致严重的矿井积水问题。为了解决矿井的排水问题，当时一般靠马力转动辘轳来排除积水，但一个煤矿需要养几百匹马，显然，单靠人力、畜力已难以满足排除矿井地下水的要求，而现场又有丰富而廉价的煤作为燃料。现实的需要促使许多人致力于“以火力提水”的探索和试验。1698年托马斯·萨弗里（Thomas Savery）和1712年托马斯·纽科门（Thomas Newcomen）制造了早期的工业蒸汽机，他们对蒸汽机的发展都做出了自己的贡献。

英国的萨弗里最早发明了用蒸汽泵排水。萨弗里是一位对力学和数学很感兴趣的军事机械工程师，又当过船长，具有丰富的机械技术知识。1698年，他发明了把动力装置和排水装置结合在一起的蒸汽泵，萨弗里称之为“蒸汽机”。这是世界上第一台实用的蒸汽提水机，于1698年取得标名为“矿工之友”的英国专利。这台被称为“矿工之友”的蒸汽泵有一个带进气阀、进水阀和排水阀的密封容器。使用时，先关闭进水阀，打开排水阀和进气阀，让高压水汽把容器中的空气通过排水阀排走，再关闭排水阀和进气阀；在容器外喷洒冰水，使容器内蒸汽冷凝，产生真空；此时，打开进水阀，把水吸满容器。为了尽可能使之连续工作，萨弗里在蒸汽的泵中安装了两个这样的容器。如此反复循环，交替工作，连续排水。

萨弗里的蒸汽泵依靠真空的吸力汲水，汲水深度不能超过6m。为了从几十米深的矿井汲水，须将蒸汽泵装在矿井深处，用较高的蒸汽压力将水抽到地面上，这在当时无疑是困难而危险的。另外，该蒸汽泵的热效率太低，基本上还只是一种水泵，而不是典型的动力机。这种没有活塞的蒸汽机，虽然燃料消耗很大，也不太经济，但它是人类历史上第一台实际应用的蒸汽机。这样，蒸汽动力技术基本实现了从实验科学到应用技术的转变。

1705年，英国的纽科门设计制成了一种更为实用的蒸汽机。纽科门生于英国达特马斯的一个工匠家庭，年轻时在一家工厂当铁工。由于经常出入矿山，非常熟悉矿井的排水难题，同时发现萨弗里蒸汽泵在技术上还很不完善，便决心对蒸汽机进行革新。为了研制更好的蒸汽机，纽科门曾向萨弗里请教，并专程前往伦敦，拜访著名物理学家胡克，获得了一些必要的科学实验和科学理论知识。纽科门认为，萨弗里蒸汽泵有两大缺点：一是热效率低，原因是蒸汽冷凝通过向汽缸内注入冷水实现的，从而消耗了大量的热；二是不能称为动力机，基本上还是一个水泵，原因在于汽缸里没有活塞，无法将火力转变为机械力，从而不可能成为带动其他工作机的动力机。对此，纽科门进行了改进。针对热效率问题，纽科门没有把水直接在汽缸中加热汽化，而是把汽缸和锅炉分开，使蒸汽在锅炉中生成后，由管道送入汽缸。这样，一方面由于锅炉的容积大于汽缸容积，可以输送更多的蒸汽，提高功率；另一方面由于锅炉和汽缸分开，发动机部分的制造就比较容易。针对火力的转换，纽科门吸收了巴本蒸汽泵的优点，引入了活塞装置，使蒸汽压力、大气压力和真空在相互作用下推动活塞作往复式的机械运动。这种机械运动传递出去，蒸汽泵就能成为蒸汽机。纽科门通过不断地探索，综合了前人的技术成就，吸收了萨弗里蒸汽泵快速冷凝的优点和巴本蒸汽泵中活塞装置的长处，设计制成了气压式蒸汽机。纽科门蒸汽机，实现了用蒸汽推动活塞做一上一下的直线运动，每分钟往返16次，每往返一次可将45.5L水提高到46.6m。该机可被用于矿井的排水。

瓦特（1736—1819）是世界公认的蒸汽机发明家。瓦特生于英国造船业发达的格拉斯哥城附近的格里诺克镇。他的祖父和叔叔是机械工人，父亲是造船工人。因为家里穷，瓦特几乎没上过学，但在家庭的影响下，从小就懂得了不少机械制造的知识，培养了制造机械的兴趣。

瓦特与蒸汽机结缘，得益于格拉斯哥大学（University of Glasgow）的三位教授，Joseph Black、Adam Smith以及后来的John Robison，他们为瓦特提供了一份维修和制作天文仪器的工作，并提供了一个小的工作车间。1763年瓦特被要求去修理一台学校的纽科门模型机，用于教学使用。他通过大量实验以及根据格拉斯哥大学教授Black提出的潜热、比热理论进行分析，对旧式蒸汽机进行深入研究，找出了旧式机器效率低的主要原因：除了漏汽、散热等造成热量的浪费外，主要缺陷在于每一冲程都要用冷水将汽缸冷却一次，从而消耗了大量热量，使绝大部分蒸汽没有被有效利用。针对这一缺陷，瓦特提出了减少蒸汽消耗，提高热机效率的两项措施：一、为了使汽缸始终保持蒸汽所必须具有的温度，必须在汽缸外加上绝热外套，或通以蒸汽或用其他方法对汽缸加热；二、使做功后的蒸汽尽可能快地冷却，液化成水，并要使这一过程在汽缸外进行，为此必须设置一个独立于汽缸的冷凝器，在机械传动方面也要改进。他决心自己制造一台新的蒸汽机，来改进旧机器的不足。

瓦特的可贵之处在于他修好之后，还对其工作原理、热机效率、制造工艺等一系列问题进行了深入思考，在经过很多实验后，瓦特验证了在气缸每次循环中有大约四分之三的蒸汽热量被白白地浪费，而且由于每次循环都向气缸内喷入冷水不能连续工作。

瓦特自筹资金，租了间地下室，买了必要的设备，反复实验，经历了无数次挫折和失败，在工人的帮助下，终于发明了与汽缸分离的冷凝器，解决了制造精密汽缸、活塞的工艺问题，同时采用油润滑活塞，汽缸外附加绝热层等措施，制成单动作蒸汽机。后经继续试验，又在1782年，发明了具有连杆、飞轮和离心调速器的双动作蒸汽机，制成了新的可实用的蒸汽机。这种装置是最早在技术上使用的自动控制器。1784年，瓦特对它进行了改进，为它增加了一种自动调节蒸汽机速率的装置，使它能适用于各种机械的运动。从此之后，纺织业、采矿业、冶金业、造纸业、陶瓷业等工业部门，都先后采用蒸汽机作为动力了。

瓦特的蒸汽机成为真正的国际性发明，它有力地促进了欧洲18世纪的产业革命，推动世界工业进入了“蒸汽时代”。

1807年，美国人富尔顿（1765—1815）把瓦特的蒸汽机装在轮船上，制造了第一艘汽船（图1-5）。从此，航运中的帆船时代结束了。

图1-5　蒸汽机轮船

1814年，英国人史蒂芬孙（图1-6）把瓦特的蒸汽机装在机车上，因前进时不时地从烟囱里冒出火来，被称为“火车”（图1-7），从此陆路运输的新时代开始了。

图1-6　史蒂芬孙 图

图1-7　美国第一列火车同马拉车赛跑

19世纪三四十年代，蒸汽机在欧洲和北美被广泛采用，这就是所谓的“蒸汽时代”。

恩格斯在《自然辩证法》中这样写道：“蒸汽机是第一个真正国际性的发明，瓦特把它加上了一个分离的冷凝器，这就使蒸汽机在原则上达到了现在的水平”。瓦特逝世于1819年，后人为了纪念他的伟大发明，把发电机和电动机的功率计算单位定为“瓦特（W）”。现代家庭用的电灯、电暖器、电熨斗的功率都称为“瓦”，那是“瓦特”的简称，也是为了纪念他为人类做出的杰出贡献。