蒸汽机的发明和运用

18世纪40年代的一个寒冷冬天，在苏格兰格林洛克镇的一座房子里，一个小男孩正站在熊熊炉火面前，对着一只沸腾的开水壶出神，他怔怔地看着白色水蒸气从壶嘴和壶盖开缝的地方不断喷出，壶盖被顶起又落下，发出有节奏的“嗒、嗒”声，百思不得其解。这时他的奶奶走了进来，他连忙迎上去问道：“奶奶，水怎么会把壶盖顶起来呢？”“傻孩子，水开了，就有许多气冒出来，是气把盖子顶起来的呀。”“哦，气的力量真大呀！”小男孩若有所思地闪了闪眼睛。这个爱思考问题的小男孩，名叫詹姆士•瓦特，后来成为人类第一台具有实用价值的蒸汽机的发明者，并开创了人类的一个新时代——蒸气时代。

瓦特出生于1736年1月19日。他的父亲是一名造船工匠，并且经营各种海运，有一个修理厂。其母是一位有着丰富知识的家庭妇女。瓦特生来体弱，性格孤僻，经常请假不能正常上学，因此，功课也不是很好。但他的求知欲非常强烈，特别喜欢几何学。由于身体不好，瓦特中学没有毕业，就退学回到家中自学。瓦特后到父亲的工厂里学习技术，操作各种工具。经过几年的磨炼，他先后学会了木工、金属冶炼和加工、机械制造、仪器修理等多种工艺，为后来的发明打下了坚实的基础。

1753年，瓦特的父亲经商失败，接着母亲去世，家中一贫如洗。17岁的瓦特被迫外出谋生，到格拉斯哥一家钟表店当学徒。两年后又到达伦敦，在著名机械师摩尔根门下为徒。1756年，他回到了苏格兰，瓦特本想自己开业制造器械，但是由于他的学徒年限不够，不符合市政当局的要求，只得经朋友介绍，在市政当局管辖的格拉斯哥大学当了一名修理教学仪器的工人。不久，一位商人向格拉斯哥大学捐赠了一大批天文仪器，但很破旧，不能正常运转。瓦特主动承担了修理这些仪器的任务，并很快修复了。一位教授由衷地称赞道：瓦特是一个机械知识丰富，非常机敏和具有过人才能的年轻人。

1763年，又有人给格拉斯哥大学送来了一台损坏了的蒸汽机模型。瓦特被指派为全权负责修理，让这台机器发动起来，供学生做实验用。谁也没有想到这竟成为瓦特在人类历史上留下伟大功绩的开端。

蒸汽机是一种利用水蒸气把热能转变成机械能的动力装置。人类对蒸气的认识和利用，经历了一段较长的历史。英国君主立宪制确立后，英国的工业迅速发展，珍妮纺纱机和水力纺纱机等机器的使用日益广泛，但动力问题却成为扩大机器生产的“瓶颈”。1705年，英国铁匠钮可门制成了可用于矿井抽水的“钮可门蒸汽机”。但因存在着燃料消耗过多，只能往复直线运动，且温度无法控制的缺点，未能在其他生产部门广泛采用。

瓦特主持修理的正是一台“钮可门蒸汽机”，他接受这一任务后很快就把这台钮可门发动机模型修好了。但他对此并不满足，通过这次修理，瓦特对蒸汽机的结构、性能和存在的问题有了更多的了解，并且产生了浓厚的兴趣，像着了迷一样。他观察到钮可门发动机的活塞从根本上说是用机械的力量取代了人的双手，但是一分钟只能往返10次，工作效率极低。他决心改进蒸汽机的设计。

瓦特开始学习蒸汽机的原理，根据发动机的原理来考虑问题。他又研究了蒸气的性质，从蒸气和燃料的消耗等具体问题开始研究，然后扩大到热的移动和发动机的关系等抽象问题上。他进行了多次实验，但仍没有想出一个改良“钮可门蒸汽机”效率的具体办法。

在一个晴朗的星期天下午，瓦特正在郊外散步，但他的脑海里仍然在思考着蒸汽机问题。突然他脑中闪出一个念头：加装一个蒸气冷凝器，就可以弥补蒸气在汽缸里冷却凝聚而过多浪费热量的重大缺陷。他马上辞去了在格拉斯哥大学的工作，全身心地投入了试制样机的工作。在租借的地下室里，瓦特和他的助手经过反复试验，终于在1768年制成有分离冷凝器的单动式蒸汽机，第二年获得专利申请。瓦特的蒸汽机比钮可门的蒸汽机有更显著的优点：它的安全性更可靠，运动更迅速，燃料耗费也减少了75%。大家都夸奖瓦特的发明。

“不！它只是单动式的。我还要制造联动式的，让它更圆满地运转！”瓦特并不满足于自己的成就。

1774年，瓦特因妻子去世，从苏格兰迁居伯明翰。在制造商波尔顿的支持下，继续进行蒸汽机的制作和改进工作。1781年，瓦特采用了行星齿轮机构，使蒸汽机从往返运动变为旋转运动。1782年，瓦特制造了更为完善的联动式蒸汽机，功效提高4倍。1784年他又发明了平行连杆机构，使蒸汽机具有更广泛的应用性。一年后，英国出现了第一座采用蒸汽机作为动力的纺纱厂。1788年瓦特发明了离心调速器和节气阀。1790年，制成汽缸示动器，最终完成了对蒸汽机的整个发明过程。从此，性能优越的瓦特蒸汽机完全取代了老式钮可门发动机。

从技术角度而言，瓦特蒸汽机与钮可门发动机有着质的差别，钮可门发动机的活塞运动一部分靠蒸气推动，另一部分靠外界的大气压力推动。而瓦特蒸汽机采用密封气缸，活塞运动完全靠蒸气的推力，所以才堪称世界上第一台蒸汽机。此外，把离心调节器用于蒸汽机，创造了动力单位——马力，也是瓦特的功劳，离心调节器是一种通过过程本身的变化来控制过程的装置。自动化的兴起虽然是20世纪以后的事，但它起始于瓦特。调节器这个词，通过希腊语，为我们提供了一个现代语——控制论。

从研究方法的角度来看，瓦特没有进入当时手工艺人的行列，也未受过高等教育。但他找到了观察认识和研究探索蒸汽机的新道路，就是从科学和实用两个方面去分析发动机是如何工作的。这是现代技术专家所特有的研究方法，因此我们把瓦特称之为第一位现代技术专家一点也不过分。

瓦特的发明，使人类获得了一种把热运动转化为机械运动的机械装置，从而满足了社会对动力能源的需要。工厂开始了大规模的生产，工厂工人取代了手艺工人。1807年，美国人富尔敦把瓦特的蒸汽机装在轮船上，从此轮船通航世界；1814年，英国人史蒂芬逊把瓦特的蒸汽机装在机车上，从此铁路交通遍及五大洲。蒸汽机的广泛使用，最终促成了英国和欧洲的工业革命，引起了社会生产力的惊人发展。它是科学技术史上具有伟大意义的第一次技术大革命。

人们为了纪念瓦特的伟大发明，把发电机和电动机的功率计算单位称为“瓦特”，简称为“瓦”，并一直沿用至今。