瓦特蒸汽机原理

蒸汽机的发明

公元前2世纪，古埃及科学家希罗在《气学》一书中曾经提到过一种利用蒸汽转动球体的机械装置。这恐怕是人类文明史上第一部可以叫作蒸汽动力机械的装置。然而，在当时的历史条件下，这种机械是没有什么实用价值的，因为古埃及的奴隶主们只知道一种动力，那就是奴隶。

随着人类文明的进程，生产规模愈来愈大，对动力的需求便日益成为一个重要课题。赫诺、波塔、高斯、德雷、巴宾、塞维利……这些不同国度的科学家都曾在不同时代，对蒸汽动力做了不同程度的探讨与研究，为整个蒸汽动力学奠定了雄厚的基础。与此同时，实用蒸汽动力机械的研究也步步发展。到18世纪初，英国的铁匠纽可门改进了塞维利等人设计的蒸汽机，制成了第一部能较大规模将热能转变成机械能的实用型蒸汽机，被称为“纽可门蒸汽机”。这种装置用于矿井抽水，由于它耗能大、效率低，没有受到众多资本家的青睐。

1640年～1688年的英国资产阶级革命使英国成为世界上第一个确立资产阶级政治统治的国家。英国资产阶级充分利用政权发展资本主义关系，使英国首先具备了工业革命的条件。18世纪中叶，在英国丝织业中首先发生了以机器代替手工艺、以资本主义的工厂制度代替资本主义手工场为特点的产业革命。在这次史无前例的革命大潮中，人类的聪明才智得到一次大爆发。纺纱机、织布机、净棉机、梳棉机、漂白机、整染机等一系列机械设备纷纷出现，成为人类生产工具史上第一个波澜壮阔的时代。然而，这些机器都是工具机，它们需要功率大、效率高的动力来推动。人力是不能胜任的；利用风力太不稳定，往往无法控制；使用畜力（如马）费用昂贵，往往还不听使唤，所以，当时主要使用水力。但是，水力要有足够的落差，因而工厂必须建筑在有急流的乡间，而不能建筑在交通方便的城市；流水不能随意增加，干旱或冰冻时期无法开工，受到季节的限制。此外，沿河建厂，地主还会乘机抬高地价。这种种限制，不利于工厂的发展，并且影响到工业资产阶级利润的增长。因此，资本主义工业的发展提出一个亟待解决的重大课题，就是需要发明一种在任何地方都能够装置起来并发挥作用的动力机。

瓦特就是在这种时代背景的呼唤下，继承前人的研究成果，对蒸汽机进行改进，最终研制成高效万能蒸汽发动机，为资本主义工业的突飞猛进解决了动力问题，使人类进入了“蒸汽时代”。

詹姆士·瓦特1736年1月19日生于苏格兰西部克莱德河畔的格林诺克城。这是英国造船业很发达的格拉斯哥城附近的一个小城镇。瓦特的父亲当过建筑工人、造船工人、木匠，经过商，担任过格林诺克镇的司库和市政官。他母亲出身于苏格兰名门望族。瓦特从小爱独自沉思默想，对周围的事情总想探个究竟，问个明白。据说，有一次瓦特看到壶里的水开了，蒸汽把壶盖冲得噗噗作响，这使他产生了浓厚的兴趣。他盯着壶盖苦思冥想其中的奥秘，直呆了一个多小时。人们说，就是这件事触发了他对蒸汽机的极大好奇心。正是这种好奇心，驱使他坚持自学，钻研天文、化学、物理学、解剖学等多种学科。为了能阅读外国的科学著作，他还自学了拉丁文、希腊文、法文、德文和意大利文。同时，他经常向父亲工场里的工人和技师学习技术，13岁便开始制造机器模型，修理航海仪器，进行化学和电学实验。这样，在少年时代，瓦特就获得了丰富的工艺技术，为后来的创造发明打下了坚实的基础。

瓦特21岁时，到格拉斯哥大学担任制造和修理自然科学教学仪器的工作。在大学里，他一边工作，一边以坚韧不拔的毅力自修科学理论。他结识了著名的化学家布莱克和后来成为物理学教授的鲁比森，从他们那里学到了许多科学理论知识。也就是在那个时候，瓦特开始专心地对蒸汽动力机械进行研究，和布莱克、鲁比森研究如何改进蒸汽机的问题，并于1761年、1762年进行试验，但都没有成功。

1767年的一天，格拉斯哥大学的一台纽可门蒸汽机模型损坏了，学校要瓦特修理。他在修理的过程中，对当时这种最先进的蒸汽机作了深入的研究，找到了纽可门蒸汽机热效率低的主要原因是耗费蒸汽太多。因为它的活塞回落办法是把冰水放入汽缸形成真空，利用大气压力把活塞推回。这样，活塞往返一次，汽缸就冷却一次。所以，每一次蒸汽进入汽缸，都有相当部分用于加热汽缸壁，减少了能量。怎样才能使更多的蒸汽发挥作用呢？为了解决这个难题，瓦特苦苦地思索了好长时间，终于找到保持汽缸的温度不变，同时又可以产生使蒸汽冷凝的办法。那就是使用隔离的冷器，让蒸汽冷凝的过程在汽缸外进行。这就是世人据说的“单动式蒸汽机”。他增添了一个与汽缸分开，单独装置在上面的分离冷凝器，并且使用了热绝缘设备、汽缸套等等，使活塞和汽缸不同冷体接触。始终保持着与进入汽缸内的蒸汽同样高的温度。经过这样的改进，气压机变成了真正的蒸汽机。从那时起，这个创作在其主要方面已经确定下来了，但是，把这种理论上的设计付诸实际应用，又遇到了重重困难。开始试制出的几台样机，其效果反而不如纽可门式蒸汽机，有时甚至开动不起来。瓦特没有气馁，一次次总结经验，不断改进。1769年，瓦特在有经验的机械工人的帮助下，创制了可以应用的“单动式蒸汽机”。这架机器喷烟吐火，动如魔王，被称为“恶魔”。这种蒸汽机耗煤量比纽可门蒸汽机少四分之三，动作也比纽可门蒸汽机迅速、可靠。一些本来因为排水困难要关闭的煤矿，使用瓦特的单动式蒸汽机很快有了起色。然而，这架机器只是一个未得到充分发展的思想的不完全体现，它还有很多地方需要改进。

瓦特根据改进的纽可门式蒸汽机的原理，又经过多年的努力，总结成功的经验和失败的教训，克服了生活上的困难和精神上的沮丧，并得到别人在经济上的资助，终于1782年创制了膨胀蒸汽机，即“双动式蒸汽机”。它在一个滑动阀的控制下，由活塞两端轮流进汽和排汽。这样，蒸汽既推动活塞上升，又推动活塞下降，而不再像单动式的那样靠大气压力迫使活塞下降。这种蒸汽机不仅牵引力强，而且克服了单动式蒸汽机活塞运动慢而不连续的毛病。双动式蒸汽机的创制，使蒸汽机朝着动力机的方向迈出了决定性的一步。

有了发动机和工作机，没有传动结构还是不能构成发达的机器装置。原来纽可门和瓦特蒸汽机的活寒平移运动都不能变为蒸汽机主轴的回转运动。活塞带动摇杆只能做上下或左右的直线运动，所以这种蒸汽机只能用于抽水、鼓风之类的简单操作上。为了使蒸汽机主轴能够做回转运动，瓦特又做了进一步研究。他保留摇杆，用行星齿轮传动装置代替曲柄连杆机构。瓦特用自己发明的，在工业上被称为“瓦特平行四边”的部件（即形状如的铰链装置），把摇杆的另一端同蒸汽机的联接杆联结起来，并在主轴上配一个大飞轮。通过这些转动自由的传动装置，蒸汽机活塞的平移运动变成了主轴的回旋运动。这样就使得双动式蒸汽机成为带动各种工作的动力机，万能蒸汽机制造成功了。

经过瓦特改良的蒸汽机，迅速被采矿、纺织、冶金、造纸、食品、建筑、机器制造等各行业广泛采用，资本主义的工业生产进入真正的狂飙时期。

瓦特的机器从18世纪末就开始在各处代替了水力发动机。1802年，斯维登斯彻纳在英国各工业区旅行，对几乎到处都碰到蒸汽机而感到惊异，他说：“这些机器在英国同水车和风车之在我国一样普遍，甚至还要多得多，这并非言过其实。”有时，好几架蒸汽机聚集在一个狭小的地方，用于各种各样的用途。例如在斯旺西，“一些是在抽取矿坑里的水，另一些把煤送上地面，还有别的一些则在使滚轧机和磨石动作着。”

万能蒸汽机的问世开始了工业革命最后的、最具有决定性的阶段。蒸汽把那些压在大工业身上的束缚解放之后，就有可能迅速地发展了。凡能获得公道价格的煤的地方，都可以安装蒸汽机。英国到处是煤的海洋。大自然的这种恩赐，使煤的应用在18世纪末已经很普遍了。那里特意创设的运输网有可能以很少的费用把煤运到各处，全国已经变成一个特别宜于工业发展的，享有优惠的世界。工厂现在可以离开其原来孤立于水流岸边的溪谷了；工厂接近市场可以购买原料和出卖产品，移近人口中心可以招募人员；工厂将汇合集中起来形成一些巨大而黝黑的工业城市，蒸汽机将使无穷的烟云飞翔在这些城市的上空。

蒸汽机并不创造大工业。但是，它为大工业提供了动力，并使自己的发展犹如自己所任意支配的力量一样不可抵抗。最重要的是，它使大工业具有统一性。在那之前，各种工业的相互依赖关系比较松散，它们各自的技术只有很少的联系。它们的发展是单独的并通过完全特有的方法而形成的。使用一种共同的动力，尤其是使用人为的动力，就使一切工业的发展都要服从一般的法则。蒸汽机的不断改善，对于采矿、治金、纺织和运输都有同样的影响。工业世界几乎成为一个巨大的工厂，在那里，发动机的加速、放慢或停止改变着工人的活动并决定着生产率。

瓦特适应社会发展的需要，在吸收前人成果的基础上改进的蒸汽机，推动了科学的进步，促进了社会生产力的飞速发展。他因此被选为伦敦皇家学会会员，并授予格斯拉斯大学法学博士称号，死后威斯敏斯特大教堂为他立了塑像。人们为了永远纪念这位伟人，还用“瓦特”作为计算功率的一种单位。