【云顶娱乐官网下载】蒸汽机革命,世界科技全

作者: 云顶娱乐官网下载  发布:2019-07-16

  (瓦特发明的)蒸汽机和现在通常的火力机相比较,消耗同样多的燃料,至少可以多做一倍多的工作……凡是需要动力的地方,无论用于什么用途,采用这种蒸汽机都是有利的。

  200多年前的英国,是当时世界上最朝气蓬勃、最有活力的国家。资产阶级革命的胜利,为英国资本主义的大发展扫清了前进的道路。各种工业——采矿、钢铁、纺织、机械等大大发展起来。成千上万的劳动者集中到城市,从事各种劳动。许多很小的手工作坊已变成规模很大的手工工场,劳动效率也由于分工而提高了许多倍。

  拿18世纪初出现的纽科门蒸汽机来说,仍旧是工匠出身的手艺人用手工攒合起来的工匠工艺水平的产物,比中古时代的制作水平高不了多少。他的那种蒸汽机,28英寸口径的汽缸和活塞之间压根儿没有能紧密吻合,而存在着0.5英寸左右的间隙。为了弥补纽科门蒸汽机的这种缺陷,人们在活塞的顶部浇一层水来封闭缝隙。这样做的结果,蒸汽机虽说可以工作,但却降低了机器的效率,因为水使汽缸的温度降低,势必要浪费其中的一部分蒸汽。

  水蒸汽的这些特性,许多普通人都熟视无睹。但一些有学问,或长期从事制作的能工巧匠们却想到了利用它。

  瓦特实在无力将这试制工作继续下去了,加上这时妻子又生了孩子,加重了家庭负担,瓦特不得不暂时停止他的试制工作,而接受了另外一项的工作——为修挖一条喀里多尼亚运河进行勘察,绘出线路图,并且在工作中发明了一种简便的测距器和制图机。

  人们还把力气很大的牛、马甚至大象驯服,为自己干许多重活:耕地,拉车,运木头……“弱小”的人,竟成了支配万物的神灵。

  不过,萨弗里也有属于他自己的创新——他在蒸汽锅炉上安装了量水旋塞,可以用它观察到锅炉中的水位。

  瓦特,终于找到了“大力士”——瓦特蒸汽机。在英国各地,到处都有它辛勤工作的身影。它不知疲倦,力大无穷,成为人们最忠实的“超人”朋友。

  将瓦特蒸汽机的命运与包尔祖诺夫蒸汽机的命运相比较,每个人都可以按照自己的体会从中得到某些启迪。

  有一天,他突然想到,为什么不能把汽缸里的蒸汽引到别处去冷却呢?这样不就既可保持汽缸温度,又可使蒸汽冷却产生真空吸力吗!根据这个思路,他去掉了冷却水管路,并把冷凝水收集池改进成能使蒸汽迅速冷却的装置,取名“冷凝器”。这时,只要始终保持冷凝器的低温,就可使蒸汽不断冷凝成水而产生足够的真空把活塞吸下来。

  在一个晴朗的礼拜日的下午,我出去散步。从察罗托街尽头的城门来到一块草地,走过旧洗衣店。那时我正在考虑蒸汽机事情。然后来到了牧人的茅舍。这时我突然想到——因为蒸汽是具有弹性的物质,所以能够冲进真空中。如果把汽缸和排汽容器相连接的话,那么蒸汽猛然冲入容器里,就可以在不使汽缸冷却的情况下,仅让蒸汽在那个容器中冷凝了吧!……当这些在我的头脑中考虑到成熟的时候,我还没有走到高尔夫球场。

  纽科门大气压力蒸汽机的工作原理是这样的:它的主要工作部件汽缸与活塞,合起来很像一个自行车打气筒。活塞可在汽缸里上下移动。是什么力量让活塞移动呢?当锅炉里的水烧开后,产生的水蒸汽就以很大的力量冲进汽缸,这样就把活塞顶上去了。这时,把第一个开关关掉,气断,再打开第二个开关使冷却水进入汽缸,这样缸内蒸汽迅速冷却而变成水。由于缸内成了真空,就“吸引”活塞向下运动,于是完成了一个上下循环运动。再打开第二个开关,冷凝水就流出去了。以上动作只要重复进行,机器就可不断运动下去,活塞杆随活塞上下移动,力量很大,用它就可带动其他机器运动,为人们干活了。

  瓦特很同意布莱克的见解,他从布莱克那儿出来,自己设计了一个较小的实验装置来检测,不久他去告诉布莱克,说他通过实验测量到,将开水变成水蒸汽所需的热为825(热度),这个实验结果和布莱克教授测出来的开水变成水蒸汽所需的热为810(热度)十分接近。

  永不满足的瓦特,就这样无止境地改进着他心爱的蒸汽机。后来,他又给蒸汽机加上了飞轮;用“离心摆”自动控制蒸汽用量的大小,并使汽缸的整个进、排汽机构完全自动化,最后脱离了手工操作。这时的蒸汽机的功率在消耗同样燃料的情况下,比纽科门蒸汽机提高了6倍!转动非常平稳,性能也十分可靠,它几乎成了一件十分完美的工艺品,它成了能在各个工业部门普遍使用的、性能稳定的动力机械,它逐渐把几乎所有的“自然力”——风力、水力、马力排挤出了工业部门 (当然,后来风力、水力又有了新的应用)。

  “因为瓦特为试制他的蒸汽机,负债太多,到了无法再进行试制,甚至无法偿还债务的地步。”布莱克回答。

  此外,他又对汽缸进行了很大的改进:第一,在外面包上很厚的保温层。第二,去掉了活塞顶上的密封水并给汽缸加上了盖。第三,给活塞加上了密封垫圈以避免漏汽。上述成果使瓦特获得了第一项专利。

  通过在罗巴克工场和在博尔顿工厂工作的比较,瓦特开始觉察出“工场制”和“工厂制”上许多不易觉察的细微差别,这两者决不能混为一谈。博尔顿为瓦特所提供的,是大工业的资源以及几乎是大工业的权力。

  1761年前后,瓦特就开始把注意力转移到改进当时的纽科门蒸汽机上了。他先后做过数次实验,但没有成功。由于工作的限制,他也没有机会深入研究。

  在当时,包尔祖诺夫的设计被送到彼得堡,由五等文官什拉吉尔审查,审查以后,什拉吉尔批示说:“……他的这种创见应该作为新发明受到推崇。”

  但是有一个问题却时时困扰着人们,那就是:人们的力气太小了,许多重活根本不能胜任。比如推动机器转起来,用以织布,或加工铁制品。比如开采煤矿,因为煤埋在很深的地下,要采煤必须挖很深的井。但煤井中常常有许多地下水,如果不排掉,矿井就要被淹,而排水是一件非常重的劳动。

  瓦特很感谢,也很钦佩博尔顿给他的支持,感谢他有足够的勇气和远见的胆识进行这种带有极大风险性的投资。他说:“博尔顿先生的积极性格及其深信未来,是我的天生胆怯和平衡的积极力量。”

  经过这一改进,蒸汽机在原有基础上大大迈进了一步。然而这一步,却整整花了6年时间。瓦特不仅耗费了大量精力,而且在经济上也负债累累。当债务和贫困压得他喘不过气来时,他甚至心灰意冷地觉得:“搞什么发明,真是愚蠢!”

  当然,从古老的机械传动结构上去寻求启发,采用曲柄连杆,也就是类似古老的磨刀匠的踏板轮或古老的磨的结构,完全可以将垂直运动式往复运动这样的直线运动,转变为旋转运动,也就是圆周运动。有记载说,瓦特本来也想到可用曲柄和偏心轮的方法将杠杆的往复运动转变为圆周运动,并且在实验上也已获得成功,但是这个想法被工厂里的一个工人泄露出去了,并且很快被另外的一个竞争者抢先申请到专利权。瓦特不得不另辟蹊径。

  紧接着,在1782年,瓦特又对蒸汽机进行了有决定意义的改进:把从一边向汽缸供汽改为按先后顺序从两边供汽,废汽与冷凝器的联接方法也改进了。这样一来,同样大小的机器,功率几乎一下提高了一倍。同时,瓦特还找到了节约用汽的新方法,即往汽缸送汽时,提前关汽,剩余行程利用蒸汽的膨胀力继续做功。这一改进使瓦特获得了第三项专利。1784年,瓦特又用

  希罗还曾经利用这种蒸汽能推动物体转动的原理,制造了一种能转动的女神,当人们点燃殿前的蜡烛时,人们就放出蒸汽,推动着女神围绕着她的神座转动一圈。同样的道理,也可以在信徒们要想进入神殿的时候,只要提供一些供品,躲在暗处的僧侣就会开启蒸汽的通路,神殿的大门也会转动着打开,仿佛有一种看不见的神奇力量在开启大门似的。

  然而瓦特毕竟是瓦特,由于对发明的执著追求,并有布莱克教授的帮助以及工厂主罗巴克、博尔顿等人经济上的合作,终于使他一步步度过了难关,过了7年 (1776年),瓦特在蒸汽机改进上又取得了重大进展。首先,他利用了威尔金发明的能精密加工大炮炮筒的镗床来加工汽缸,使汽缸与活塞配合更加紧密,从而大大减少了漏汽。其次,是扩大了应用范围。从给煤矿抽水,扩大到冶金、开采金属矿等。这时的蒸汽机燃料消耗只有原来的 1/3,功率也大为提高了。于是,求购订单接踵而来。到1780年,仅仅4年时间,就制造销售了40台,使瓦特精神上受到极大鼓舞,经济上的困难也大大缓解了。

  纽科门的蒸汽机工作原理很简单,锅炉B与汽缸C(同时也是冷凝场所)相通,当汽缸C中充满蒸汽时,冲挤活塞P向上移动,然后从水管W处喷浇冷水,使汽缸冷却,蒸汽冷凝,活塞P下降,带动和它上面相连的杠杆动作。如此反复加热锅炉里的水以获得蒸汽,再通过 W不断浇喷冷水以使蒸汽冷凝。汽缸与冷凝器同在一个容器里,受潜热的影响(100℃的水变成100℃蒸汽所需的热和100℃的蒸汽冷凝为100℃的水时所释放的热),造成燃料的很大浪费而做功的效率很低。

  随着社会的不断发展,人们的不满足感与日俱增,迫切需要寻找一种力气大得惊人,却又特别听人使唤的、不知疲劳的“大力士”,以帮助人们从事更多、更重的劳动。那么,最后找到了没有呢?是谁找到的呢?这就是我们要在下面讲的故事。

  1763年,包尔祖诺夫向他工作的柯雷文一伏斯克列森工厂厂长提出他的蒸汽机设计。按照包尔祖诺夫的想法,这部机器和一切只用来抽水的抽水机不同,应该能够保证不间断的工作。

  这里有个很困难的矛盾需要解决:用水蒸汽顶活塞往上做功时,必须使汽缸保持 100℃以上的高温,而为了使缸内产生真空,把活塞往下吸引,又要使汽缸冷却的温度越低越好。这个问题使瓦特伤透了脑筋。他像个呆子一样,走路想,吃饭想,睡觉也想。

  有什么办法能解决这个矛盾呢?这个问题日夜萦绕在瓦特的脑际。1763的5月的一个星期天的早晨,瓦特在格拉斯哥大学的草坪上散步,他突然冒出来了一个极为简单明了的想法——将汽缸里的蒸汽送到另外一个容器里去单独冷凝,不是同样可以达到既获得了可以做功的真空,又保持着汽缸里的温度不致下降,以致需要反复加煤使它不断增温吗?这样不就可以大大提高热的利用效率,节省大量燃料的消耗了吗?

  哥拉斯哥大学在当时是一所非常进步的学校,学术气氛不错,讲究平等,还能主动适应当时社会生产发展的需要,为当地工人开办夜大学,讲授自然科学知识,瓦特也常去听课。这个工匠出身的年轻人,由于长期的修理、制作劳动,练就了一双灵巧的手。又由于他从小就极其用心地学习自然科学知识,特别是大学良好的学术氛围的熏陶,使他具备了一般工匠所没有的智慧的头脑。他会法语、意大利语和德语,他除了物理、数学有很深造诣外,对化学、考古、法学、美学、诗歌等方面也有很好的修养,还特别对德国的哲学感兴趣。

  瓦特蒸汽机的创造

  前人的努力

  在月光学会上,威尔金森了解到瓦特的蒸汽机,在试制中多次失败,都是由于手工锤打的锡制汽缸,总是“嗤嗤”的漏气而不能达到真空要求。这一回,威尔金森为瓦特提供了一个蒸汽机的汽缸,这汽缸的外形制作是如此精巧,内部采用镗床镗得十分光滑,是手工锤打所望尘莫及的。特别是用钻孔机钻出的小孔,使汽缸与其他部件的接合达到了紧密而不透气的要求。瓦特所追求和要求的真空达到了,他的蒸汽机完全试制成功了,这时已是1774年。研究18世纪产业革命历程的历史学家甚至认为,如果威尔金森没有首先供给瓦特以他所需要的金属汽缸,那么瓦特就无法建造出他的蒸汽机。

  瓦特的智慧和天才来自他长期的实践和劳动,来自他的刻苦学习,来自欧洲十八世纪以来各种优秀文化、科学成果的哺育。而这一切,都为他后来的发明创造奠定了极为坚实的基础。

  这几点优点综合起来,使纽科门蒸汽机很快在矿业界被推广,不但在英国被采用,在欧洲大陆的其他国家也有采用的。因为一台纽科门蒸汽机所抽的水,等于50匹马所做的工作,蒸汽机不需要像马那样喂饲料、照管,所以费用只需用马抽水的六分之一。后来,纽科门蒸汽机不但成为矿业主的宠物,而且在运河边也用它给蓄水池和水闸供水,在城市用它供给饮用水。

  远古时代,人类的祖先是怕火的。当雷电引起了森林大火时,他们和其他动物一样纷纷逃走,以躲避这个能把整片森林吞掉的怪物。但后来,人们却认识了它,掌握了它,并利用它为自己服务:烧烤食物,取暖,烧掉树林和荒草然后开荒种地。这是人类学会利用的第一种伟大的自然力——火。这也成了人类最后脱离动物界的重要标志之一。

  博尔顿富有雄心壮志和大胆创造精神。他说他对任何机械方面的改进都感兴趣,他要使自己的贸易范围年年扩大,要为全欧洲工作,制造一切能够构成一般需要对象的商品:金、银、铜、包金、镀金、人造金、钢、白金、玳瑁……

  “平行四边形”的部件,改进了活塞杆与摇臂的联接方法,从而获得了第四项专利。

  至于瓦特,他对布莱克更是充满了尊敬和感激的心情,在他成名之后,他曾说:“我之所以能够有今天,多亏布莱克的巨大帮助。是他教给我物理学的理论和实验的。他始终是我的真正朋友和顾问。”有记载说,瓦特曾经用他那灵巧的双手,制造了一架小风琴送给布莱克,可见感情之深厚。

  瓦特仔细研究之后,发现这种蒸汽机最大的缺点是太浪费蒸汽。你看,汽缸外面光秃秃的,温度保不住,每运动一次,还要向缸里喷大量冷却水;为防漏气,还要在活塞上方注入密封水。这样汽缸内温度很难保持在 100℃以上,水蒸汽只好把大量能量消耗在加热汽缸壁上,真正做功的热能就很少了。据测算,纽科门蒸汽机只能利用1%的热量,就是说,烧100公斤煤,99公斤浪费掉了。

  尽管如此,纽科门还是和他的朋友卡尔合作,于1705年或1706年发明了他自己的蒸汽机。卡尔也只不过是一名小制造商和装配玻璃的工人,但也有人认为他是一个小农场主。总之,他也是当时在社会上不受重视的未曾受过正规教育的手艺人。

  刻苦攻关

  最早发现蒸汽的力量,并且利用这股力量制作出了第一台利用蒸汽力的器具的发明人,人们一致认为,要上推到公元60年前后的古希腊工程师希罗。

  这个机器在当时受到许多人的欢迎。但是它的缺点也是很严重的。因为,它还不是一种能在各个部门、各种场合普遍使用的、性能稳定的动力机械。而最后完成这一历史任务的,就是大名鼎鼎的瓦特。

  由于罗巴克破产的严峻现实,瓦特试制蒸汽机的工作再次中断,他不得不又背起自己的挎包,继续干着开挖运河的测量工作。

  但人们还不满足,总觉得这些被利用了的自然力缺点太多:火,只能利用它的热;风力有些靠不住,不用时刮得很大,用时又没有了;水力只能在有河的地方利用;至于牛马,虽然忠实可靠,可晚上它们还要休息。还有一点,就是当人们利用这些自然力为自己做有用的事时,总觉得它们力气还不够大。

  尽管纽科门蒸汽机还存在着这样那样的缺点或不足之处,但它毕竟是蒸汽机发展过程中一个重要的转折点。正是由于纽科门蒸汽机的出现,蒸汽机才真正在社会工业生产中展现出它那巨大的推动力量。

  艰苦的生活和繁重的劳动使瓦特再一次病倒,只好又返回家中。可是,迫于生计,病没好就又去了哥拉斯哥。他本想在该城搞点制造和修理的营生,但该城的“铁匠行会”因他不是本城居民而不允许他开业。这使瓦特陷于绝望之中。

  萨弗里是英国皇家工程师队的大尉军官,1650年出生于康沃尔,那里是出产铜矿的地方。萨弗里在那里亲眼目睹了矿工们在开采铜矿时遇到的困难:当矿井掘到一定深度的时候,地下水就会不断地渗透出来,涌满了整个坑道,矿工双腿都没在冷水中操作。为了排出坑道的积水,当时只有采用根据葛里克提出的真空提水的水泵用手压泵造成真空的办法提水。

  瓦特是个不知疲倦的发明家。为了适应生产的需要,必须设法把蒸汽机活塞及活塞杆的往复运动变为旋转运动。这样,便有可能在机械制造、纺织、交通等几乎整个工业部门得到广泛的应用。瓦特发明了包括“太阳——行星式齿轮”系统在内的多种转换方法,并在1781年获得了第二项专利。这时的蒸汽机使用范围更广了。

  就连19世纪的马克思,在他的为写经济学而写的笔记《机器·自然力和科学的应用 (蒸汽、电、机械的和化学的因素)》中,也高度评价了瓦特的贡献。马克思强调指出:

  那时候还没有发明用电呢,矿井中为了排水,人们就用马来拉动抽水机。可这是很不合算的,养马要花很多钱,马干一阵还要休息,为了连续不断抽水,就要轮班换马。因此,有的煤矿单单为了抽水,就要养四五百匹马!

  致英格兰矿业界诸位企业家先生:

  呼唤大力士

  当祭坛的火熄灭以后,空气的压力恢复正常,安装在旋转轴下方的配重E就会下坠,同时拉动着以相反方向绕着的绳,使旋转轴朝着相反的方向转动,殿门又徐徐关闭。

  1763年的一天,机会终于来了。学校将一台坏了的纽科门蒸汽机模型交给瓦特修理。已对这种蒸汽机的构造了如指掌的瓦特并不满足于照原样把它修好,而是对它深入细致地进行了研究。瓦特从此走上了长达数十年的改进、研究、制造、经营蒸汽机的道路。世界也因瓦特的杰出贡献而完成了伟大的第一次工业革命。

  “欠了多少债?”

  如此说来,人不是很没用了么?然而,摆在我们眼前的事实是,大自然正在被人类一步步征服;说到动物,哪一个也不是人的对手。这是为什么呢?因为人类有智慧,有科学技术。

  不过后来事情的发展给博尔顿提供了可以继续进行这个计划的机会,因为罗巴克破产了,他欠博尔顿的1200英镑。博尔顿很大方地提出他可以放弃罗巴克的这笔债务,只要罗巴克将他与瓦特合作的合同转让给他。事情就这样定下来了,博尔顿成为第二位与瓦特的合作者,他俩签定了上次与罗巴克签订的内容相同的合同。

  就人的体力来说,跟大自然的种种力量比较起来,那简直是微不足道的。狂风,能把巨大的树木连根拔起;地震,能在瞬间毁灭一个城市……就是跟自然界的许多动物比较起来,人身体的那点力量也不值一提。论打架,如果人手中没有武器,狮子、老虎能不费吹灰之力把人撕得粉碎;论干活,一头牛、一匹马差不多能顶十来个人。

  这样一个包括了科学家、制造家、企业家和新兴的职业工程师的不同身份的人聚集在一起讨论学术上的问题,也议论和研究商业上的合作,当然是一个综合性的学术组织,它反映了18世纪工业革命时期出现的科学与技术的合作,是一种历史上少见的新气象。

  人们还学会利用风力和水力。用风驱动帆船在水上航行;利用河里流动的水驱动水轮,然后带动水磨磨面,或带动其他机械为人类做许多工作。

  纽科门蒸汽机

  人们多么需要一个又听话,又能一天到晚不停地干活的“大力士”为自己出力啊!

  包尔祖诺夫的遭遇

  幸好,哥拉斯哥大学的布莱克教授收留了他,让他当了修理、制造教学仪器的工人。布莱克教授和当时在该校任副校长的著名经济学家亚当·斯密独具慧眼,看中了这个心灵手巧的年轻人,并全力支持他的工作,甚至专门给他房间做工作室和出售产品的店铺。

  萨弗里是很擅于进行宣传鼓动的,他认为,自己的这项发明可以有多种用途:用来抽干沼地,排出矿井中的积水,供给城市和人们的用水、扑灭火灾、推动磨轮等等。加上他为自己发明的蒸汽机的名字起到很能引起矿业主和矿工们的好感,他对自己专利的申请又写得是那么入情入理,富有诱惑力,于是首先被矿业主在矿井上使用。首先是应用在康沃尔郡的一个铜矿里,后来又被用在斯塔德耶郡的一个煤矿里。

  人类智慧有一个最大的特点,就是能够利用大自然的力量来为自己的生存服务。

  为了避免任何无益的冷凝,蒸汽对活塞发生作用的那个汽缸,必保持着经常和蒸汽本身一样热……。为了获得必要的空隙,冷凝必须发生在一个单独的容器里,这里的温度按照需要降到足够低的程度,而汽缸的温度却不受到影响……

  詹姆斯·瓦特,出生于英国苏格兰的格林诺克城。祖父是教航海学的教师,父亲是一个熟练的修理、装配工人。瓦特幼年在家即受到良好的教育。上学时,他的数学成绩特别优秀。可惜,因从小体弱多病,没毕业就退学了。但他却在家自学了天文、化学、物理等多种知识,还从父亲那里学得了木工、机械制造、仪器修理等多种工艺技术。

  “为什么停止?”罗巴克问。

  1712年,一个铁匠出身的英国人,名字叫纽科门,他在总结前人经验教训的基础上,制出了一台利用水蒸汽力量做功的机器,还给它取了个名字:

  由于这样一些不足之处,加上纽科门和卡尔两人都出身寒微,所以科学家对他们的发明并没有给以高的评价,但这并不影响他们取得了事实上的成功。从1711年起,纽科门已经建立了自己的生产蒸汽机的公司,公司的名字叫“用火使水升高的发明权所有人公司”。由于纽科门蒸汽机只是利用低压锅炉的汽缸在冷凝时所形成的真空 (低压),而没有利用蒸汽的张力,所以不需要像萨弗里的蒸汽机那样,将机器建在矿井下,也不需要很多的照管,已经具有较大优越性;再说,没有利用蒸汽的张力,这点虽可认为是一不足之处,但在当时的条件下,它却不必担心由于蒸汽压力而使锅炉爆炸的危险,又具有可以确保安全生产的另一大优点。

  “大气压力蒸汽机”。当纽科门把它用于煤矿抽水时,一台机器竟能顶上二三十匹马的力量,而且只要换人不断烧火操作,它可以不休息地昼夜干活。

  瓦特为自己改进的蒸汽机制出了模型以后,他就决定要在模型的基础上试制样机。但他在格拉斯哥大学只是实验室的一名仪器修理工。没钱,瓦特咬紧牙关租了朋友的一间地下室,又由罗比森和布莱克提供了一些帮助,瓦特又请了几名助手,就四处去买材料,在地下室里敲敲打打试制起来。

  不平凡的身世

  这是因为,瓦特进入格拉斯哥大学以后,结识了不少学者,接触了不少科学的仪器,他的知识领域大大丰富,他的眼界也大大开拓了。特别是他在进入格拉斯哥大学以前就结识了年轻的大学朋友罗比森——他现在已读硕士学位了——给了他不少帮助。

  17岁那年,父亲经商失败,家道中落,瓦特被迫外出谋生。他来到伦敦,很幸运地做了著名技师摩尔根的学徒。有名师指点,加上勤奋好学,基础又好,还没出师就能制造难度很大的经纬仪、四分仪、罗盘等仪器了。

  当然,萨弗里真正投入生产的蒸汽机比这个原理图要复杂得多。

  在瓦特之前,就有过许多人去寻找这个“大力土”,但结果都不太理想。一些人开始想到了水蒸汽。人们都有这种经验:当一锅水被烧开时,不管盖子有多紧,水蒸汽都会冲出来,怎么也挡不住。如像现在的高压锅,气憋久了,还会发生爆炸。可见水蒸汽的劲儿不小。一些人还发现,在一个很热的密闭容器内的水蒸汽如果冷却变成了水,盖子是很难打开的(如现在人们常用来沏茶的带盖的玻璃杯,水凉后盖子极难打开)。这是因为容器内产生了真空,外边的空气想进去补充,把盖子压紧的缘故。

  瓦特向罗比森提出了自己的问题,罗比森带瓦特去请教了格拉斯哥大学的布莱克教授。布莱克是化学教授,但却对热的研究很感兴趣。

  博尔顿排除掉所有的怀疑和议论,坚定地要与瓦特合作。于是,瓦特在罗巴克那里试制的机器,因为没有达到预期的效果,已经被搁置了多时,现在它们被拆卸下来,运到了博尔顿的索霍工厂,瓦特立即着手进行修复工作,通过博尔顿所培养的熟练工人的帮助修理,终于在1774年11月,这台瓦特精心设计的蒸汽机能接近正常的运转了。

  正是由于蒸汽机的汽缸制造工艺问题得以顺利解决,蒸汽机达到了预期的要求,威尔金森立即向瓦特定做了一台蒸汽机,这台蒸汽机不是用来在矿井中提水,而是用来给他的高炉鼓风。这是瓦特蒸汽机第一次由提供抽水的动力发展为为其他的目的而提供动力。

  布莱克和瓦特讨论了纽科门蒸汽机费燃料多而作功少的问题,认为用潜热的理论可以找出根本的原因。

  威尔金森在承接制造大炮加工任务的时候,发明了一种钻孔机给大炮钻孔,钻的孔的精确度可以达到所需要的精密要求,可以将铁板与铁板之间通过铆钉而互相紧密地联接成不留丝毫空隙的整体。

  确实,瓦特对蒸汽机的改进以及以后所作出的种种发展,从技术上说都是十分重要的发明。但他更大的贡献,也可以说是他的天才,是表现在他的思想的开拓和活跃。他将蒸汽机的功能从希罗的蒸汽旋转球玩具,从巴本烂骨锅的烹调炊具,以至从萨弗里和纽科门的单纯提水工具等功能单一的、狭隘的思路中解放出来,不再将蒸汽机说成是用于某一特殊目的的发明,而是极力设法使它成为可以用之于任何一种领域、任何一种机器上的动力。这种动力使自己的发展犹如自己所任意支配的力量一样不可抵抗,它使一切工业都作用一种共同的动力,尤其是使用一种人创造的动力,这就使一切工业的发展不再像风力、水力那样受自然条件的制约,又都要服从一般的法则。蒸汽机的改善,对于采矿、冶金、纺织和运输等各个方面都产生了同样巨大的影响,这种影响促使社会的生产面貌发生了革命性的变化,同时也不可避免的渗透到社会各阶层的人们的生活和观念的变化中去。

  在修理的实践过程中,瓦特发现纽科门蒸汽机并不像他渴望和仰慕已久的蒸汽机那样完美,而存着不少明显的缺点。

  从上面介绍的包尔祖诺夫设计蒸汽机的过程中,我们还可以看到,在当时的沙皇俄国,官僚主义十分严重,什么都要经过官员的审查批复,而那帮官员其实什么也不懂,成事不足,败事有余。相比较来说,在当时的西欧,他们已经经历了资产阶级革命,资产阶级已经获得他们的权利,虽然他们在自己的个人奋斗中都经历了不同的艰难困苦和坎坷曲折,但一般来说,那大多是来自于经济实力方面的较量,而对自己所感兴趣和十分热爱的发明事业,尽可能独立自主地去充分发挥自己的聪明才智,去钻研试制,而不致于受到这样那样来自官僚主义的无知的干预。

  比如说,纽科门蒸汽机并不符合蒸汽机这个名称,因为它并没有利用蒸汽的张力,就像萨弗里蒸汽机那样;它仅只利用了气压的压差,严格地说,还不如叫气压机更名实相符些。瓦特认为,如果已经烧出了那么多的蒸汽而让张力白白散失,仅仅只利用了它的气压差,这未免太“大材小用”,也未免太浪费了,因为蒸汽本身的力量几乎是无可限量的呀!

  我的努力所能达到的成功,大部分应当归功于他 (指罗巴克)的友好的鼓励,他对科学发现的关心,他敏于想出这些发现的应用。他对商业和工业有深邃的认识,他的远大的眼光,他的热心的、慷慨的和积极的气质。

  对于排除矿井和煤坑中的积水,只要采用这种发动机,它就可充分表现出自己是能够提升水的,不但简便易行而且节省费用。我不怀疑,几年之内,它将使矿业的生产,达到今天效率的两倍,如果达不到三倍的话,从而矿业的生产成为我们王国中不可低估的一部分财源。再说,当前我们王国大量出口的铅、锡和煤,是在花费了大量的排水开支和矿工们忍受了一言难尽的排水痛苦和困难的情况下才取得的,那么,只要一旦采用了这种在各个方面都适于矿井需要的发动机,开支大大节省,效率大大提高,矿业的出口量岂不将大大提高吗?

  据说,包尔祖诺夫还研究出了给锅炉自动添水的装置。和维持蒸汽机不间断地动作的装置,使他设计的蒸汽机的全部零件都能够经常“自己保持运动”。

  直到 18世纪才陆续有人申请用煤或用煤加工出的焦炭作为炼铁的燃料,这样铁的生产才逐渐出现一些转机。

  水变成蒸汽所需吸收的热和蒸汽冷凝所需释放的热,都被称做“潜热”。

  ……鉴于瓦特对蒸汽和蒸汽机进行研究,以便改良这种非常重要的机器,已经费了好几个年头并耗费了他的大部分资财;鉴于通过这些研究,已经实现了非常重要的改良,但由于制造那样复杂的机器所固有的困难,以及由于必需的试验所要求的长时间,以致他不能在1774年年底以前完成他的发明;鉴于要用必要的细心来制造这些机器以及能以公道的价格出卖机器,大概要花费很大的款项来组织工厂和配备适当的设备;又鉴于要使相当多的公众能够清楚地了解发明物的效用及使用发明物与自己相关的切身利益,这也还需要有好几年的时间,所以上述专利证书所定的期限可能在詹姆斯·瓦特按照他的劳动和他所发明的价值来收获利益之前完全消失……,因此规定……

  默多克后来成为索博工厂中负责安装、检查、修理蒸汽机的工头,在《简明不列颠百科全书》及阿西莫夫著作《古今科技名人辞典》中,都为他单立了条目,认为他也是一位发明家。

  瓦特加以改进的蒸汽机,目的就是要使汽缸始终保持着它的高温,以免蒸汽散失,造成燃料的浪费,所以不能再沿用纽科门蒸汽机中采用的水封闭活塞的手工艺土办法,它要求一种精密的机器造型,它要求有金属造成的汽缸,汽缸的内壁必须光滑,才能使活塞与汽缸之间吻合得十分严密而又能活动自如;它要求金属与金属的各个衔接的地方必须衔接得十分坚固,而“关节”处又能进退灵活。正是这种材料和工艺的严格要求使瓦特试制蒸汽机过程进展不顺利,用手工锻打出来的金属汽缸和各种部件,总是协调不好,达不到预期的要求,汽缸与活塞之间吻合不严密,一工作就“嗤嗤”地漏气。

  包尔祖诺夫来到工厂以后,看到那里的机器都是由水轮推动着慢悠悠的转动,于是想到要创造一种蒸汽发动机去代替那粗陋、笨重的水轮。用他自己的话说,就是要“推翻水的领导权”。为了实现这个伟大的理想,并证明小小的蒸汽机可以具有比水轮更多的优越性,他先从用在冶金炉旁的鼓风炉开始革新,他发明了一种圆筒形鼓风器。

  使人感到失望的是,萨弗里的“矿工之友”在实际应用的过程中,并没有达到他所表白的那样高的效率。它并不能将水升到矿井中所需要的高度,又因为它没有安全阀的装置,而如果将蒸汽的压力再加大一些,又很容易造成锅炉团承受不住这么大的压力而发生爆炸。可在当时的条件下,人们又还没有找到具有足够耐压力的材料和高超的技术来制造出耐压的锅炉,又缺少测量显示出锅炉内压力的装置,可以及时预防,保证安全。再者它的锅炉受热面积太小,在冷凝过程中造成的燃料浪费十分严重,如果用它来给城市居民供水,费用又太昂费,所以,“矿工之友”蒸汽机只用在有的花园式私人住宅中进行装饰性喷水,因为这不需要很大的功率,提升的高度也不大,效果还可以。

  1763年,瓦特终于得到了这个机会:格拉斯哥大学有一台教学用的纽科门蒸汽机坏了,虽然曾经把送到伦敦去找名匠修理过,可取回来后不久又不运转了,于是送给瓦特修理。

  这一切都使深爱仪器和模型的瓦特产生了强烈的兴趣,他从罗比森那儿借到了不少关于蒸汽机的图纸和资料进行琢磨。这种探讨从1759年起就开始了。可惜他一直没能真正看到纽科门蒸汽机——看到它的结构以及它是如何工作的。

  从1774年制成第一台蒸汽机算起,到 1780年瓦特44岁的7年里,瓦特和博尔顿一共制造了4O台蒸汽机。不过博尔顿经营蒸汽机的方法很不同一般,每台蒸汽机并不是像我们现在理解的那样,是将一台机器完全造好经过检验合格以后才出厂的。当时他们只是接受需要定购蒸汽机厂家的定货,而后向定货厂家提供图纸,至于蒸汽机的各个零部件,则根据图纸上的要求分别向有关的翻砂厂家和炼铁厂家去定制,比如汽缸,瓦特和博尔顿就常推荐定货厂家到威尔金森的工场去定制,因为他那里的钻机的精确度可以说是无敌的。至于瓦特和博尔顿合作经营的索霍工场,主要由博尔顿承担提供技术熟练的工人和加工制造那些需要特别精心制作的机械零件;等一切部件都准备好了,由瓦特去担任技术指导,博尔顿则组织工人安装机器。所以,博尔顿将瓦特和自己称作是“蒸汽机的设计人和安装人,也是利用他们的发明物的厂家的企业顾问”。至于收费,他们只向买主收取购买机器的材料、制作和安装费用;至于利润,他们要求买主从比使用同等马力的火力机所获得的节省燃料费的三分之一,比如说,如果使用市面上一般的具有同等马力的火力机一年要花费500英镑的燃料费,现在用瓦特蒸汽机所用燃料只需花费200英镑就够了,那节省下来的300镑燃料费当中,分出100英镑给瓦特和博尔顿他们,而使用的厂家还可以净得益200英镑。

  虽然瓦特在成功以后,将他产生单加设置一个冷凝器的发明设想说得那么轻松:只不过是他在一个星期天的下午,在一处安静而又僻静的草地上散步,从这头走到那头的功夫,就完成了。而事实上,将这一创造性的设想变成事实,特别是成为进入市场的商品,却经历了一段非常艰辛、困难的历程。

  当然,就默多克对蒸汽机的贡献来说,他也发明了许多与蒸汽机有关的机件。

  博尔顿产生了强烈地愿望要与瓦特合作,1769年,他写信给瓦特详细表达了自己的设想。他说:“我认为要充分利用您的发明,就必须有钱,必须十分细心地去实现和拥有广阔的贸易关系。要保证您的发明投产成功,就决不能让一般的机匠去制作,因为那些无知又没有经验的机匠,在设备缺乏的情况下,只会把您的发明做糟。……而我们可以专门招雇并培训一些优秀的工人,把最好的工具交给他们,然后让他们去制作这世界还只有这唯一一台的蒸汽机。这样,在执行过程中,我们可以节约大约百分之二十,而质量则可以达到请专门的科学仪器制造者才能制出来的水平。”

  蒸汽机并不创造大工业,但是,它为大工业提供了动力。特别是当1784年瓦特对自己提出的将蒸汽机由直线运动转变为圆周运动的专利申请书时,已经预见到蒸汽机必将转化为一切机器的动力的光辉前景。他在那份申请专利的说明书上提示说,利用蒸汽机的活塞联结杆或冲模连接起来可以锻造铁和其他金属的可能性。

  说它是综合性的学术组织,是因为参加这个学会的成员不拘一格,既有当时很知名的科学家和哲学家,如当时就很有声望的医生、诗人和哲学家伊拉斯莫斯·达尔文(他是提出进化论的达尔文的祖父),化学家普利斯特列

  然而,采用这种方法提水,并不能一次就达到将水提到所需要的高度,而需要在几个高度安装几台水泵,接力提水,可以想象得到,要想在狭窄、黑暗的坑道里安装几台水泵,它的难度肯定很大,费用也是很可观的。

  瓦特由于体质一直虚弱,影响到他的性格常表现出迟疑、犹豫、懦弱和对自己缺乏信心,每当不利情况发生的时候,罗巴克总是以无比的热情在一旁鼓励他,推动他前进。

  在这样的背景下,社会迫切需要找到一种能代替马力去排水的其他办法,这时,当然就会有人开动脑筋去寻求。

  由前苏联科技史学家奥尔洛夫主编的《俄罗斯科学发明史话》中,相当详细而又感慨万分地记载了包尔祖诺夫的业绩和他发明的蒸汽机,认为它是

  至于希罗发明的那种会转动的空心球,也并不是一点用处也没有。这也是一个很巧妙的设计,而且它并不一定要靠蒸汽来推动,只要受到内部流体力量的冲击,就能转动。现在已经根据这种原理制造出一种可以旋转喷水的喷灌器,而用于驱使喷灌器的喷头转动的那股动力,已不是蒸汽的力,而是有压力的水流。当你走到公园的草坪上,看见喷灌器的喷头在旋转着绕着圆圈喷水的时候,不妨留住脚步仔细地观察一下它的结构,想一想它的基本原理竟是在大约2000年前,一位名叫希罗的古希腊学者发明的,那个时代还远远没有建立物理学的理论体系哩!

  当时人们已经有了用水力去推动的磨、纺纱机等等,都是利用大小不同的齿轮和曲柄,将水力从直线运动转换成旋转的运动才能作为动力使用。但是怎样才能达到使蒸汽机的活塞杠杆所进行的直线运动转换成圆周运动呢?

  然而不管怎么说,人类从此进入了一个新的时代,人类的文明也由此发展到一个新的阶段。至于它所产生的积极影响和消极影响,则要由后人来不断解决,历史的巨轮不以人的主观意志为转移,而是按着事物发展的规律阔步前进!

  也有材料说,瓦特觉得这种转变的方式没有什么创新,为这个去申请专利,就好比对一把本来是用来切面包的刀,现在申请专利说可以用它来切干酪一样,不见得能被获准享有发明的专利权。

  过去人们在介绍瓦特发明蒸汽机的事迹时,往往只写到他在格拉斯哥大学草坪上散步得到了将冷凝器与汽缸分开的灵感为止,几乎很少有人提到罗巴克与蒸汽机的关系。然而写作《18世纪产业革命》的法国历史学家保尔·芒图却认为,瓦特与罗巴克签订的“这份合同,在蒸汽机史上开辟了一个时代。蒸汽机正是在这种情况下才得以走出了实验室,进入它即将加以改造的工业世界中去,这多亏了罗克巴的大胆创造精神”。

  布莱克教授在当时最著名的发现是“潜热”理论,而对瓦特思想难题最大的理论启发,也正是来自潜热理论。

  瓦特说,“在某些情况下,我打算使用蒸汽的膨胀力(张力),它和现在一般的蒸汽机是通过气压去推动活塞做功的原理相同。这样,即使是在不可能获得足够数量的冷水时进行冷凝的条件下,蒸汽机也仍旧可以完成它的工作。”

  “大约总有1000多镑了吧?”

  瓦特的伟大天才表现在,他在1784年4月获得的专利说明书中,预见到蒸汽机的一切可能用途,并指出利用它来建造机车、锻造金属的可能性。

  再看瓦特改进的蒸汽机,锅炉B与汽缸E相通,汽缸E中充满汽后通往冷凝器C,再从W处向C喷浇冷水使蒸汽冷却。冷凝器的充汽与冷凝带动与之相连的活塞P上下运动,活塞P再带动和上面相连的杠杆动作。这样汽缸与冷凝器分开,汽缸可以永远保持必须的高温,而单使蒸汽冷凝冷凝器可以不间断的工作。这样不但节省了大量的燃料,也可使蒸汽机的工作不再断断续续,节省了大量的时间,大大提高了效率。

  萨弗里将自己发明的机器模型,于1698年夏天在汉普顿宫呈献给威廉三世。他将自己发明的这种机器称为“矿工之友”(实际上,将它翻译为“矿业主之友”会更合适些,因为受益的实际上是矿业的主人即企业家们)。

  至于威尔金森,由于蒸汽机的制作和生产他也成为瓦特、博尔顿的亲密伙伴。因为在此之后所生产的蒸汽机的汽缸基本上都是由威尔金森的工厂所提供。

  正是在月光学会中,一位学者告诉博尔顿,何必舍近求远,向美国去求教能人呢?月光学会中正有一位研究蒸汽机的工程师,他就是瓦特。这位学友把这个信息告诉了瓦特,建议瓦特务必去拜访一下博尔顿。这样瓦特与博尔顿就成了朋友。交谈中互相得到了很多启发。

  包尔祖诺夫去世几天以后,这台蒸汽机才正式启动。这台蒸汽机在开始的头几个月里,它为炼铁炉送去鼓风,工作运转良好。可是后来发现,活塞和汽缸之间吻合得不那么紧密,他那无知的上司,按照手工业式的思维方式,下令在活塞上面包上一层桦树皮,以消除活塞与汽缸之间的空隙,结果当然更糟,因为“树皮极不驯服,有孔的地方开始大量流水”。

  威尔金森是一位性格上很有特点,事业上又很有开拓精神的工业实业家。关于他的故事,及他在工业革命中的其他贡献,下面我们将继续介绍。

  他设计发明了一种利用蒸汽的抽水机。这台蒸汽机的工作原理,简单地说,是这样的:锅炉B里的水烧开以后,蒸汽从上面的管道送出,通过汽桶T,蒸汽挤压着汽桶里的水从通向上方的P'管中排出,待汽桶T里的水排空,蒸汽又冷凝以后,汽桶T变成真空状态,大气压力就会挤压着地下水从通向下方的P管中涌上来,将汽桶T灌满。在这种循环的过程中,从锅炉B到汽桶T,连通的管道有一阀门,可以启开通入蒸汽,也可以关闭不让蒸汽进入。而与汽桶T相通的P管和P'管,则都有一个单向阀门,只能让水流进和流出。

  布莱克教授的“潜热理论”指出:当物质从一种状态转到另一种状态的过程中,需要吸收或放出热量。比如说,当100℃水转变为100℃的蒸汽,虽然同是100℃的温度,但100℃的火必需再吸收足够的热量才能转变为100℃的蒸汽,而当100℃的蒸汽重新冷凝为100℃的水时,又需要将在汽化时所吸收的热重新释放出去,为了使蒸汽放热就需要在汽缸外面浇泼很多的冷水。

  1767年,瓦特曾去博尔顿的索霍工厂参观,瓦特很赞赏那里的冶金工作完善;而博尔顿,对瓦特正在探索的蒸汽机更是向往不已。第二年,博尔顿又专门请瓦特到工厂里来,和瓦特进行过仔细的探讨。

  由于矿井的积水都在井下,当人们为利用蒸汽机去抽提矿井的水的时候,活塞只需作上下垂直移动,利用可形成的真空和大气压力,就可达到将矿井中的水挤压抽取到井上的目的,但是如果指望蒸汽机作为其他用途的动力,那么,垂直运动就显然是达不到这个目的的。

  至于说到蒸汽机在理论上和实践上都取得重大突破,这个问题,要等到将近半个世纪以后,由瓦特对它进行深入地研究,并和当时的物理学家进行探讨以后,才发生了根本性的变化。

  瓦特的勘察工作进行得胜任而又愉快,如果不是在这期间出来一位热心的实业家罗巴克,那么,瓦特发明的蒸汽机也许像其他运气不佳的发明家那样,被搁置起来,直到他死后若干年才被发掘,才被认识。

  这时是1766年,经过与瓦特的接触,他们签订了一份合同:罗巴克代瓦特偿还1000镑的债务,允许瓦特使用罗巴克的卡伦铁工厂设备,向瓦特提供继续研究的资金,帮助瓦特去申请他的蒸汽机专利和推广使用——事成之后,所获得的利润,罗巴克得三分二,瓦特得三分之一。

  据记载,包尔祖诺夫设计的蒸汽机模型,早已复制出来珍藏在巴尔纳乌尔矿业博物馆里。

  根据文献的记载,这台蒸汽机的工作原理大体上是这样的:水在金属锅炉里烧沸,蒸汽通过分汽装置分别从管道中通向两台立式汽缸里,汽缸里的活塞受到蒸汽的推动,将动作传到与活塞相联接的杠杆上,而这些杠杆的另一端与风箱的活塞直相连接,这样,汽缸的活塞不断动作,通过杠杆与蒸汽活塞相连接的风箱活塞也不断推拉,起到不断向炼铁炉送风的作用。

  希罗最著名的发明是用蒸汽推动的空心球。空心球是用铜做的,上面连着两个空心的、方向相反的弯管,把这个空心球卡在连通着蒸汽的管道上,当球下面的器皿里的水烧沸腾起来的时候,蒸汽进入那个空心球,然后从装在空心球上的两根弯管的管口喷了出来,因为两个管口的方向相反,两股相反的力形成一股扭力,这股扭力就会推动着空心球不停地迅速转动。

  诉讼进行了好几年,瓦特和博尔顿决不妥协,最后他们终于胜诉,一下子收到了长期拖欠的应付使用款3万英镑之多。

  有没有比较简便而又省力的方法制造真空呢?这个问题一直萦绕在一位名叫萨弗里的工程师的脑际。

  萨弗里在他的专利申请书中,用带有浓厚的宣传色彩的语言介绍自己的发明及动机,他写道:

  甚至在《大不列颠百科全书》中,威尔金森不但占有一个条目,条目里还明确写下:他“发明了一种钻孔机,对瓦特蒸汽机的成功起了重要作用”。

  瓦特在格拉斯哥大学正式挂起了修理仪器的招牌以后,陆续送来修理的教学仪器和摸型不少。有一天,瓦特接到一台蒸汽机模型请他修理,它就是纽科门蒸汽机模型。这可真叫瓦特喜出望外。

  罗巴克也是懂得科学的人,一听布莱克教授的介绍,立即意识到这是一个很有前途的发明,忙问什么地方可以定购,布莱克却告诉他,瓦特已经停止了他的试制。

  要知道,发明家常是比较清贫无资金,又比较内向不善于经营开拓市场的那样一种人。

  瓦特在这一设想成功后,立即动手制作了一台有单独冷凝器的蒸汽动力模型,这个模型的冷凝器总是冷的,并且借助一台抽气机使它始终保持着真空,使它保持着理想的工作状态。而用来加热的汽缸,则用一个汽套使它的热量不致散发出去。这台实验性的模型动作起来,表现出良好的工作效率。于是瓦特确信,根据自己的理论设计的模型制造出来的蒸汽机,一定能超过他曾经修理过的纽科门式蒸汽机,甚至可以预期,它的工作效率将是纽科门蒸汽机的2~3倍。

  瓦特从布莱克的“潜热”理论中获得了启发:纽科门蒸汽机的要害就在那蒸汽缸上面。它的汽缸既容纳从锅炉里喷出来的蒸汽,然而,当蒸汽注满以后,又要立即喷上冷水,使蒸汽冷凝才能产生真空利用气压的压差去推动杠杆。这样,汽缸一会儿需要加热到充满蒸汽的程度,一会儿又要浇凉到使蒸汽完全冷凝的程度,更何况将浇开的水加热成水蒸汽,还需要相当多的“潜热”,那当然得多烧很多的煤啦!再说,这样用冷水去浇汽缸而使蒸汽冷凝的方法,所得到的冷凝效果也是不充分的,原来那没有产生做功作用而白白烧掉的四分之三的煤,都消耗在既作为汽缸,又完成冷凝功能,一物两用的汽缸兼冷凝器上面啦!

  1766年5月,包尔祖诺夫设计的蒸汽机终于制造成功,不幸的是,5月6日那天,包尔祖诺夫在异常繁重的劳动和穷困的折磨下死去了,他只活了38岁。

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