物理学推动的伟大发明

3　物理学推动的伟大发明——蒸汽机

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汽车每天都在路上飞驰而过，有没有想过汽车开动的能量从哪里来呢？按照能量守衡定律，其实很简单，就是将汽油燃烧的能量转化为汽车的动能，那么又是什么东西实现了这个能量的转化呢？那就是它的“心脏”——发动机。其实现在使用的发动机，就是由蒸汽机改进发展而来的，从蒸汽机到外燃机然后发展成今天的内燃机。

英国发明家瓦特

世界上第一台蒸汽机出现于1世纪，其实它只是古希腊数学家希罗发明的汽转球玩具而已，直到法国物理学家丹尼斯·巴本，于1679在观察蒸汽逃离他的高压锅后制造了第一台蒸汽机的工作模型。瓦特并不是蒸汽机的发明者，在他之前，早就出现了蒸汽机。纽可门于1705年独立发明了纽科门蒸汽机，但它的耗煤量大、效率低。瓦特运用科学理论，逐渐发现了这种蒸汽机的毛病所在。从1765年到1790年，他进行了一系列发明，比如分离式冷凝器、汽缸外设置绝热层、用油润滑活塞、行星式齿轮、平行运动连杆机构、离心式调速器、节气阀、压力计等等，使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的3倍多，最终发明出了现代意义上的蒸汽机。蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械。蒸汽机的出现曾引起了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。

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工业革命

工业革命又称产业革命，18世纪中叶起源于英国，随后向英国以至整个欧洲大陆传播，19世纪传到北美。工业革命是资本主义发展史上的一个重要阶段，实现了从传统农业社会转向现代工业社会的重要变化是一场技术的变革科技的变革，它使机器代替了手工劳动，工业革命同时也是一场深刻的社会关系的变革，它使社会明显地分裂为两大对立的阶级──工业资产阶级和工业无产阶级。工业革命是由资本主义经济发展的客观要求所决定，以瓦特改良的蒸汽机作为标志。蒸汽机、煤炭、钢铁是促成工业革命技术加速发展的三项主要因素，工业革命都是以轻工业开始，向其他部门发展。工业革命影响涉及人类社会生活的各个方面，使人类社会发生了巨大的变革，对推动人类的现代化进程起到了不可替代的作用，把人类推向了崭新的“蒸汽时代”。

蒸汽机发明出来以后，还是有很多的问题，比如工率太低，消耗煤的量太大等。在后来的使用过程中，瓦特在伯明翰进行了第一个巨大的改善就是：将气缸与凝结缸通过一个阀门分开，这个改进提高了蒸汽机的效率，紧接着将阀门的操作自动化，就是这么一个小小的改动使蒸汽机迅速地发展，他使原来只能提水的机械，成为了可以普遍应用的蒸汽机，并使蒸汽机的热效率成倍提高，煤耗大大下降，蒸汽机不仅在采矿业中得到广泛应用，在冶炼、纺织、机器制造等行业中也都获得迅速推广。瓦特就是蒸汽机的改良者。

瓦特改良的蒸汽机

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蒸汽机最早用来做什么

其实它是在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，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，如英国的帕潘、萨弗里、纽科门等致力于“以火力提水”的探索和试验，最初的真空蒸汽机被用来将矿井里的水抽出来。

直到1698年托马斯·塞维利、1712年托马斯·纽科门和1769年詹姆斯·瓦特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。1807年罗伯特·富尔顿第一个成功地用蒸汽机来驱动轮船。

经济的发展和生产力的提高，为市场提供了大量消费的商品，加速了资金的积累，并对运输业提出了迫切要求。1807年，一个叫富尔顿的美国人，制成了第一艘实用的明轮推进的蒸汽机船“克莱蒙”号，从此以后蒸汽机在船舶上作为推进动力历百余年之久，促进了海上贸易的发展，为人类的商业活动进一步扩大了范围。在陆路交通方面，英国的史蒂芬孙率先取得了突破性成果，1814年，他研制的第一辆蒸汽机车“布拉策号”试运行成功。1825年9月27日，史蒂芬孙亲自驾驶他同别人合作设计制造的“旅行者号”蒸汽机车在新铺设的铁路上试车，并获得成功。蒸汽机在交通运输业中的应用，使人类迈入了“火车时代”，迅速地扩大了人类的活动范围。

史蒂芬孙发明的蒸汽机车

蒸汽机如此的伟大，在工业革命中起了基本的作用，那么它是如何工作的呢？蒸汽机是一个能够将蒸汽中的动能转换为功的热机。蒸汽机需要一个使水沸腾产生高压蒸汽的锅炉，这个锅炉可以使用木头、煤、石油或天然气甚至垃圾作为热源，蒸汽膨胀推动活塞做功，但是这种蒸汽机比较危险，锅炉和机器的爆炸造成了许多大事故，安全阀在这里带来了很大的改进，在压力过高的情况下安全阀放气减压。现代蒸汽机的最大优点是它几乎可以利用所有的燃料将热能转化为机械能，像内燃机那样对其燃料不挑剔。蒸汽机的弱点是：离不开锅炉，整个装置既笨重又庞大；新蒸汽的压力和温度不能过高，排气压力不能过低，热效率难以提高；它是一种往复式机器，惯性力限制了转速的提高；工作过程是不连续的，蒸汽的流量受到限制，也就限制了功率的提高。蒸汽机按蒸汽在活塞一侧或两侧工作，可分为单作用和双作用式两种；按汽缸布置方式，可分为立式和卧式；按蒸汽是在一个汽缸中膨胀或依次连续在多个汽缸中膨胀，可分为单胀式和多胀式；按蒸汽在汽缸中的流向，可分为回流式和单流式；按排汽方式和排汽压力可分为凝汽式、大气式和背压式。

蒸汽机的出现和改进促进了社会经济的发展，但同时经济的发展反过来又向蒸汽机提出了更高的要求，如要求蒸汽机功率大、效率高、质量轻、尺寸小等。尽管人们对蒸汽机作过许多改进，不断扩大它的使用范围和改善它的性能，但是随着汽轮机和内燃机的发展，蒸汽机因存在不可克服的弱点而逐渐衰落。蒸汽机有很大的历史作用，它曾推动了机械工业甚至社会的发展，随着它的发展而建立的热力学和机构学为汽轮机和内燃机的发展奠定了基础。

蒸汽机

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火车的由来

史蒂芬孙经过大量的实验之后终于在1814年开出了第一个蒸汽机车，取名为“布拉策号”机车，虽然取得了成功，但也暴露出许多问题，如噪音太大，振动强烈，蒸汽机随时都有爆炸的可能。机车开动时，浓烟滚滚，车轮摩擦铁轨时火星四溅，坐在车上的人则满面烟尘，被颠得筋疲力尽，有时蒸汽机冒出的火焰把附近的树木都烧焦了，围观的人群嘲笑他，并把这个机车形象地比喻为“火车”。史蒂芬孙没有气馁，而是不断地进行改进，他在车厢下面加装了减震的弹簧，用熟铁代替生铁作铁轨的材料，在枕木下加铺了小石子，增加车头和车厢的车轮数量，把蒸汽机安装在车头以减少发生危险时的损害等。经过长时间的摸索，1825年，“旅行者号”牵引着6节煤车、20节挤满乘客的车厢，载重达90吨，时速15千米。随着火车的一声鸣叫，它向全世界宣告了铁路时代的到来。