蒸汽技术革命

第三节　蒸汽技术革命

只要能够把无比的热情灌注在一件工作上，并且完成它，这就是幸福。

——瓦特（英国）

蒸汽技术革命发生在18世纪中期至19世纪，它以纺织机械的革新为起点，以蒸汽机的发明和广泛应用使用为标志，实现工业生产从手工工具到机械化的转变，在世界范围内产生了深远的影响。正如《共产党宣言》所说：“资产阶级在它不到一百年的阶级统治中所创造的生产力，比过去一切时代所创造的全部生产力还要多，还要大。”

（一）工具机和动力机的技术革命

（1）产业革命的源头——纺织技术

英国的产业革命开始于纺织的机械化。1733年英国钟表匠凯伊（J.Kay，1704～1774年）发明了飞梭，使织布效率提高了一倍，并使布面加宽。结果纺纱与织布不协调，长期发生“纱荒”。曾当过木工的织布工人哈格里沃斯（J.Hargreaves，约1720～1778年）发明了竖锭纺车，以他女儿的名字命名为“珍妮机”并于1770年登记了专利。消除了纺纱和织布的瓶颈，成了产业革命的火种。

珍妮机劳动的纱锭日益增多，使人力作为动力越来越困难，水力纺纱机应运而生。1769年理发师阿尔克赖特（S.D.Arkwright，1732～1792）发明了水力纺纱机，生产率提高了10倍。如此动力问题引起了广泛的关注。

（2）蒸汽机的发明和改进

近代蒸汽动力技术的产生，主要源于当时的社会生产的直接推动和当时的实验科学的长期孕育。英国资产阶级革命为资本主义的发展扫清了道路，在工厂手工业的迅速发展中，社会需要促使了早期蒸汽机的问世。在16世纪末和17世纪初，包尔塔进行了蒸汽压力实验，托里拆利（E.Torricelli，1606～1647年）和帕斯卡（B.Pascal，1623～1662年）等进行了大气压力实验，格里凯（O.vonGuericke，1602～1686年）进行了真空作用实验。这三大实验基础的相继形成，使人们得以从实验上开始认识蒸汽、大气和真空的相互作用。而这些重大的实验成果也就为早期蒸汽动力技术的产生奠定了牢固的实验科学基础。

最先把蒸汽动力技术的设想付诸实施的，是法国著名物理学家、工程师巴本（D.Papin，1647～1712年）。从1674年开始，巴本即致力于蒸汽泵的实验设计。1860年，他发明制造的第一台可以把热能转变为机械能的实验型的蒸汽泵，在英国试验成功了。

继巴本之后，在近代蒸汽动力技术的发展中作出重要贡献的是英国机械工程师赛维利（T.Savery，1650～1715年）。赛维利的蒸汽泵的设计原理源于包尔塔的蒸汽压力原理。1695年，赛维利制造出了几台这样的蒸汽泵。这是近代蒸汽动力技术的第二次突破。

后来，纽可门（T.Newcomen，1663～1729年）研究了赛维利蒸汽泵，他认为赛维利蒸汽泵有两大缺点。一大缺点是热效率太低。纽可门在设计上作了重要革新：他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气缸内进行喷溅。另一大缺点是赛维利蒸汽泵基本上还是一种水泵，而不是典型的动力机。针对这一点，他在赛维利蒸汽泵中引入了巴本的活塞装置，这样，蒸汽压力、大气压力和真空即可在交互作用下推动活塞装置，使活塞作往复式的机械运动。而这种机械运动一旦传递出去，蒸汽泵也就成为了蒸汽机。

由于进行了上述三次研究和革新，一台近代蒸汽机的完整蓝图基本上设计出来了。1705年，纽可门、考利和赛维利一道，终于试制出了第一台真正算得上是动力机的蒸汽机。

图2-7　瓦特

从巴本蒸汽泵到纽可门蒸汽机的早期蒸汽动力技术的发展，已最初向人类社会预告了即将兴起的第一次工业革命的信息，特别是预告了蒸汽时代的即将到来。

图2-8　瓦特制造的蒸汽机模型

在工业革命中，大量的发动机被应用，这促使作为机械员的瓦特对改进蒸汽机产生了兴趣。瓦特（J.Watt，1736～1819年）自1764年开始改进纽可门蒸汽机的工作。他回忆说：“当年格拉斯哥大学把修理一台纽可门蒸汽机的任务交给我。在修理的过程中，我深感它的不足，所以决心动手研制一种性能较好的蒸汽机。”瓦特当时告诉记者，纽可门蒸汽机有两大缺点：一是燃料耗量大而效率低，另外就是它只能作往返的直线动作。因此，除了用于矿井抽水之外，纽可门蒸汽机几乎没有其他用途了，而它浪费的蒸汽可达八成以上。

经过一番努力，瓦特发现了纽可门蒸汽机效率低的原因与解决方法：既然蒸汽具有弹性，只要把汽缸和另一个容器相连接，让蒸汽直接进入其中，就不再需要一个冷却汽缸，浪费了许多热量了。

瓦特紧接着设计了一个与汽缸分离的冷凝器，并在汽缸外面加了绝热套，使汽缸保持在高温工作状态。一台运作正常的蒸汽机终于“出炉”了！

在缺乏资金的情况下，瓦特当时向一名工厂老板贷款，但由于机件陈旧不合标准，冷凝器因蒸汽机不断从活塞旁漏汽而无法正常操作，使得工厂老板停止对他的资助。

幸好瓦特得到著名铁商博尔顿的赏识，出资与他成立了博尔顿——瓦特公司，让他在无后顾之忧的情况下，专心从事蒸汽机的实验和生产。

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。

（二）英国工业革命

以蒸汽机的广泛使用为主要标志的第一次技术革命使社会生产力空前提高，带动人类从农业和手工业时代进入以大机器生产为特征的工业化时代。

图2-9　18世纪的工厂

（1）煤炭、纺织、冶金工业和交通运输业的发展，采矿业、纺织业和冶金业是当时的工业革命的主要行业

在采矿业中，1783年，英国著名的康沃尔采矿中心的所有纽可门蒸汽机几乎全部被瓦特蒸汽机所取代。随后，在其他金属矿区和煤矿，原有的纽可门蒸汽机也相继被瓦特蒸汽机所取代。在纺织业中，1785年，在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。工程师贝塞麦（H.Bessemer，1813～1898年）发明了大炮炮筒的来复线结构，为了炼出合格的钢铁作炮筒，他在1856年发明了转炉炼钢。1864年德国西门子（C.W.Siemens，1823～1883年）和法国人马丁（P.E.Martin，1824～1915年）发明了平炉炼钢。1807年美国富尔顿（R.Fulton，1765～1815年）制造了木制蒸汽轮船。1814年英国的发明家史蒂芬森（G.Stephenson，1781～1848年）设计成功第一台蒸汽机车，这台能牵动30多吨货物的机车用来运煤。1790年首次采用了蒸汽动力鼓气炼钢。

（2）机器制造业的发展

由于社会生产对瓦特蒸汽机的需求量越来越大，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相继得到快速发展。以农业机械为例，在18世纪末和19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。

从18世纪中叶到19世纪中叶，英国机械工业得到了突飞猛进的发展。鲍尔发明的滚筒使纺织实现了从手动向机械运动的转变，以此为开端，在机械加工中取代了手工而使用了各种机床。

斯密顿（J.Smeaton，1724～1792年）是18世纪最优秀的机械技师。斯密顿设计的水车、风车设备达43件之多。在制作蒸汽机时，斯密顿最感棘手的是加工汽缸。要想将一个大型的气缸内圆加工成圆形，是相当困难的。为此，斯密顿在卡伦铁工厂制作了一台切削气缸内圆用的特殊机床。用水车作动力驱动的这种镗床，在其长轴的前端安装上刀具，这种刀具可以在汽缸内转动，以此就可以加工其内圆。由于刀具安装在长轴的前端，就会出现轴的挠度等问题，所以，要想加工出真正圆形的汽缸是十分困难的。为此，斯密顿不得不多次改变汽缸的位置进行加工。后来，维尔金森改进了这种镗床，可以准确地加工内圆了，帮助瓦特制造出了高效率的蒸汽机，这是有名的佳话。

车床是“机器之母”。1797年，莫兹利（H.Maudstay，1771～1832年）发明了成功的车床。其实最先发明车床的人也不是莫兹利，但他对车床进行了创造性的改进。莫兹利的高明之处在于，他发明了刀架。刀架是机床的核心，后来相继出现的刨床、钻床、镗床等各种机床，都离不开刀架。所以，人们称莫兹利为“车床之父”。

在莫兹利的工厂里，罗伯茨被公认为是一名真正的车工。主要业绩是改进了刨床和车床，奠定了今天机床的基础。1817年，罗伯茨制作了一台刨床，这台刨床上配有进给箱。该进给箱是手动的，可以水平、垂直进给，同时也可以某种角度倾斜进给。

19世纪最优秀的机械技师要数惠特沃斯。于1834年制成了测长机，该测长机可以测量出的长度误差为万分之一英寸左右。这种测长机的原理和千分尺相同，通过转动分度板可以进出的螺纹夹持住工件，使用滑尺读出分度板上的分度。1835年，惠特沃斯在他32岁时发明滚齿机。除此以外，惠特沃斯还设计了测量圆筒的内圆和外圆的塞规和环规。建议全部的机床生产业者都采用同一尺寸的标准螺纹。后来，英国的制定工业标准协会接受了这一建议，从那以后直到今日，这种螺纹作为标准螺纹被各国所使用。

无论在科学技术上，还是在生产关系上，瓦特蒸汽机的发明都起到了重要作用。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。

进一步了解瓦特和蒸汽机的发明，请登陆：

http://www.lcyz.net/xstd/student/page3/kxj/wt.htm

【思考题】

1.蒸汽技术革命的动力是什么？

2.蒸汽机的发明和应用给生产力的发展带来哪些变化？