促进产业革命的伟大发明家

促进产业革命的伟大发明家

瓦特

詹姆斯·瓦特（1736—1819）是英国近代的伟大发明家，因发明高效率的蒸汽机而闻名于世。

瓦特出生于苏格兰格拉斯哥附近的格林诺克。格拉斯哥是英国的造船工业中心。瓦特的祖父曾教数学，父亲是建筑师和造船师，曾任格林诺克镇的司库和市政官。他酷爱学习，好奇心强，又聪慧过人，加之耳濡目染，从小学到了许多机器制造的知识。瓦特上过格林诺克文法学校，中途因病辍学。在家养病期间，他刻苦自学，大量阅读天文、化学、物理等方面的书籍。1753年，父亲经商破产，瓦特被迫到格拉斯哥去学手艺，那时他还不到18岁。两年后，他转到伦敦一家钟表店当学徒。瓦特在这里学到了许多制造仪表和机器的本领，他因勤于钻研和实践，很快学会制造象限仪、罗盘和经纬仪等复杂仪器。

20岁时，瓦特患了严重的风湿症，不得不回家休养。等身体好些后，他想到格拉斯哥开办仪器修造业，可那时还存在排他性的行会，他因学徒没有出师，当地行会不准他开业。但天无绝人之路，他经朋友介绍，到格拉斯哥大学当了仪器修理工。在这里，他结识了著名化学家约瑟夫·布莱克教授及其学生物理学家约翰·鲁宾森。该大学是当时英国为数不多的高等学府之一，学校拥有各种各样的仪器设备。在这里，他如饥似渴地学习科学理论和实践知识。为了了解国外的科技动态，他学会了法语、意大利语和德语。他同布莱克等科学家一起改良晴雨计和湿度计。布莱克的潜热理论对瓦特的影响尤其大，后被他在蒸汽机中加以利用。

过去流行一个故事，说是瓦特看到炉子上的茶壶烧开了，蒸汽吹起了壶盖，他受到启发而发明了蒸汽机。这未免太简单化了。其实，在瓦特以前很久，人们就认识到蒸汽的作用。17世纪，由于资本主义生产关系的迅速发展，对动力的需求日增，人们对利用蒸汽动力的探索已取得一些实际成果。1629年，意大利人勃兰克发明了一种原始的汽轮装置，他用蒸汽推动叶轮，带动春杆。1698年，英国人萨维利制造了一台蒸汽泵，可用于矿井排水。1705年，苏格兰铁匠纽康门在萨维利发明的基础上，制造了第一部有较大实用价值的蒸汽机械，称为大气压力机。当时主要用于矿井排水，1721年后在英国许多矿井采用并传到欧洲大陆。

18世纪60年代，英国因纺纱机的发明和其他领域的技术进步而开始工业革命，一系列工作机的发明和运用呼唤一种超越自然力的万能动力机械。这时，由于水轮机、钟表和其他机械的发明和使用，人们已积累了机械制造、机械传动和金属加工方面的知识，焦炭在冶铁业中的广泛采用，使钢铁冶炼技术获得长足进步，手工工场的发展已培养了一大批熟练工人，这些都为蒸汽机的发明准备了技术条件。

瓦特努力吸收前人的成果，致力于蒸汽机的研制。1761年和1762年，他在格拉斯哥大学多次进行蒸汽压力的试验，研究蒸汽的密度、压力和温度之间的关系。1763年至1764年冬天，他负责修理纽康门大气压力机的模型，他反复观察其运转情况，终于发现了这种机器效率低下的原因。纽康门机是靠冷凝汽缸内的热气产生真空，因大气压力的作用而推动与活塞连接的连杆运动，从而产生动力。汽缸冷却后，又需重新加热，这就造成大量热能的浪费。而且，汽缸冷凝后，温度仍然较高，真空度低，影响了机器的效能。于是，瓦特就集中精力解决这个关键问题。

研究新的蒸汽机既费时又费钱，瓦特很快就耗尽了自己的家产并负债累累，他陷于犹豫和苦闷之中，几乎中止了研究工作。为了谋生和养家，他被迫去当测量员和工程师，负责绘制喀里多尼亚运河线路图。这时，两位有远见卓识的企业家帮了他的忙，他们是约翰·罗巴克和马修·博尔顿。1765年，经布莱克介绍，瓦特结识了罗巴克，后者刚在福思河右岸的博罗斯托内斯开设了煤矿，急需用于矿井排水的抽水机。罗巴克高度评价瓦特的研究工作，愿意出资帮助他完成蒸汽机的研制。于是两人签订合同，罗巴克答应替瓦特偿还1000英镑的债务，并负责提供完成研制和投入工业生产所需的资金。瓦特则许诺把今后可能获得的利润的三分之二给罗巴克作为报酬。罗巴克的资助使瓦特得以把研制蒸汽机的工作继续进行下去。

经过一系列试验，瓦特发明了与汽缸分离的冷凝器，把汽缸内的蒸汽导入冷凝器内冷却。他努力提高汽缸和活塞的加工精度，增强其密闭性。在纽康门的机器里，蒸汽只是一种辅助力量，它实际是靠大气压力做功。瓦特的发明却是用蒸汽推动活塞动作。此外，他用润滑油提高活塞运转的灵活性，在汽缸外增加绝热层，使汽缸保持必要的工作温度。经过这一系列改进，瓦特于1769年制造出第一台蒸汽机，并获得专利。瓦特蒸汽机的效率比纽康门的大气压力机有很大提高，耗煤量只有纽康门机的四分之一，效率却提高了5倍。但是，瓦特发明的这台机器只有一个汽缸，很不完善，容易出故障，安装没有多久即被搁置一旁。不久，罗巴克的煤矿因积水而停产。1733年，罗巴克宣告破产。真是祸不单行，这一年瓦特的妻子死了。在这十分艰难的时刻，博尔顿帮了他的忙。

博尔顿是伯明翰北部索霍一家制造金属制品的手工工场主，经济实力雄厚。瓦特在几年前就认识他，并在1767年参观过索霍工场。博尔顿的事业欣欣向荣，正需要一种理想的动力机来装备他的工场。罗巴克恰好欠博尔顿1200英镑的债务，后者提议，只要罗巴克把与瓦特的合伙合同转让给他，就免去其债务。博尔顿同瓦特的合作就这样开始了。1774年5月，瓦特带着他的第一台蒸汽机搬到索霍定居。他立即着手改进他的发明。不久，第一台蒸汽机又能正常运转了。

瓦特和博尔顿一面把蒸汽机投入工业性生产，一面继续改进其设计。当时还是投入多，产出少，研制费用又高，博尔顿把工场获得的利润和变卖妻子财产所得的收入都投进了改进蒸汽机的工作中。瓦特在完善蒸汽机方面还得益于其他人的发明，例如，1775年约翰·威尔金森发明的镗床对提高汽缸的精度就有很大作用。经过反复试验，瓦特对他最初的设计做了很大改进，于1882年发明复式蒸汽机。以前的单式蒸汽机只能做往复运动，与纽康门的机器还有不少相似之处，主要用于提水，使用范围有限。复式蒸汽机利用蒸汽做功，交替地从两面推动活塞，并采用偏心轮和曲柄，把直线运动改为旋转运动。他还发明了一种离心调速器，自动控制运转速度。经过这些改进后，瓦特的蒸汽机不仅提高了效率，而且成为一种用途广泛的万能动力机，可以成为各种机器的动力。索霍工厂首先装备了新式蒸汽机，用它来推动鼓风机、滚轧机、汽锤。新机器很快推广开来，它用于面粉厂磨面、炼铁厂鼓风、啤酒厂磨麦芽、陶瓷厂粉碎燧石、炼糖厂压碎甘蔗等。1785年，诺丁汉的舍尔棉纺厂安装了蒸汽机，从此成了纺织业的主要动力。蒸汽机在水陆交通运输业中的运用导致汽轮和火车的发明，从而使运输业发生了一场深刻的革命，使之进入汽船和铁路时代。

瓦特的发明受到专利的保护，瓦特一博尔顿公司成为当时供应蒸汽机的惟一制造商，蒸汽机成了该公司的主要产品。在1775—1880年之间，该公司生产了173台蒸汽机，其中用于纺织业的93台，采矿业52台，冶金业28台。19世纪开始以前，英国已制造出1200—1330台蒸汽机，每台平均功率为15—16马力。这种新式动力机很快传到欧洲大陆、北美和其他地区。

开始时，蒸汽机制造主要还是手工业生产方式，生产速度慢，机器的质量决定于工匠的技艺水平，可靠性差，成本高，远不能满足社会的需求。为了大批量生产蒸汽机，需要锻压、金属切削方面的工作机，从而推动了机器制造业的发展。

瓦特的蒸汽机为以工业革命为契机的近代工厂工业提供了一种高效可靠的动力机，它使工业摆脱了对水力、风力等自然力的依赖，使生产不再受气候变化的影响，使工厂可以建设在原材料供应、市场和交通条件较好的地区，因此也促进了城市的发展。由于相关工业部门邻近，市政设施齐备，产供销互相衔接，提高了工业投资效益，推动了各行各业的全面发展。因此，蒸汽机的发明具有划时代的意义，它加快了英国工业革命的完成和世界其他地区工业革命的进程，使生产力的发展出现了一次前所未有的飞跃，因此，19世纪被称为“蒸汽机时代”。

瓦特除了发明蒸汽机，还发明了液体比重计、信件复印机，他最先提议用螺旋桨代替明轮推动船舶，最先采用“马力”作为计算功率的单位。

瓦特的杰出成就受到国内外的高度评价和赞扬，他被著名的伯明翰新月会接纳为会员，1785年当选为皇家学会会员，1806年被授予格拉斯哥大学法学博士学位，1814年，法兰西科学院吸收他为国外会员。1819年瓦特去世后，被安葬在威斯敏斯特教堂。后人为了纪念他，用他的名字“瓦特”作为功的计量单位，瓦特的名字被永远载人世界著名发明家史册。