热力学第一定律蒸汽机的革命

热力学第一定律就是能量守恒与转化定律，它的诞生是以一定的社会物质生产条件为前提的。蒸汽机的改进和广泛应用，对蒸汽机中能量转换问题的探讨，是人们通向能量原理的重要桥梁之一。

16、17 世纪以来，随着工场手工业的发展，煤逐渐代替了木材而成为主要燃料，从而推动了煤矿的开采。为了解决矿井的排水问题，各个矿山都要养许多马，用马轮番拖动排水泵。在 17 世纪初，英国一些矿山养马达五百匹以上，这是既麻烦又费钱的，于是就刺激人们提出利用蒸汽动力的要求。

实际上，古代早就知道了热和蒸汽能产生动力，在我国古代和古希腊都曾经出现过把热能转化为机械能的小型装置。公元前，亚历山大里亚的赫隆就是把蒸汽作为动力制成他的“小涡轮”的。旋转空心球上装有对称的两个弯管喷口，进入球中的蒸汽由方向相反的两个喷口射出，球就绕轴旋转。当时人们只是用这种装置来作游戏耍乐；教堂则利用它来哄骗信徒——把火放在祭坛上时教堂的门就“自动”打开，使礼拜者感到惊愕。到了 16 世纪以后，人们才从生产需要出发先后设计和研制蒸汽动力装置。

1696 年，英国矿山技师托马斯·萨弗里提出一种被称为“矿工之友”的蒸汽水泵。它是由蒸汽锅炉、汽缸、冷水箱、抽水管和排水管组成的。抽水时是依靠汽缸内蒸汽冷凝的真空吸力，排水时靠锅炉内蒸汽的压力。这个机器的所有阀门都是由人力来控制操作的。它的热损失大，运行可靠性很低，工作起来速度很慢；同时由于需要高压蒸汽，锅炉和管道常常漏气，还容易发生爆炸。整套装置只有安装在深井内才能工作，一旦发生故障，极易被井水淹没。因此，这种机器没有被广泛采用，不过它的出现已经是了不起的技术发明。

在这之前，曾作过惠更斯的助手的法国人丹尼斯·巴本，受到惠更斯研究的“火药机械”的启发，产生了用蒸汽代替火药作为动力的想法，于 1690 年制成了一具有汽缸和活塞的实验性蒸汽机。水在汽缸内直接被加热变成蒸汽，推动活塞上升；在活塞到达顶点时，再向汽缸内喷水，蒸汽凝结而降低压强，活塞就下降。

巴本的研究报告使英国的托巴斯·纽可门受到很大启发，在英国皇家学会的鼓励下，纽可门研究了萨弗里和巴本设计的简单的蒸汽机，1705 年发明了自己的大气压力式蒸汽机，并于 1712 年应用于矿井排水和农田灌溉。纽可门的蒸汽机结构，封闭的圆筒式汽缸里的活塞，系于摇杆的一头，摇杆的另

一头连接着排水泵。蒸汽借助水泵连杆的重量推动汽缸内活塞上升，切断蒸汽后，向汽缸内喷入冷水，蒸汽冷凝，活塞下降，于是摇杆带动水泵抽水，由于它可以通过摇杆将蒸汽动力传给其他工作机，并不只限于抽水，所以它是一个广义上的把热转变为机械力的原动机，是蒸汽机发展史上的一次重大突破。但是，这种机器仍然有耗煤量大、动作慢、效率低、较笨重等缺点，而且只能作往复直线运动，限制了它的应用。

世纪初英国的纺织、冶金、军火、造船等工业迅速发展。以纺织业首先兴起的技术改革大大提高了生产力的水平，动力不足的问题也日益尖锐地反映出来。真正有巨大工业效用的蒸汽机，就是在这种社会需要的推动下在英国首先实现的。

蒸汽机的革命是由詹姆斯·瓦特完成的。瓦特自幼就在他父亲的熏陶下培养了器械制造的才能，20 岁时到伦敦学会了制造船舶器械的工艺。1760 年，他在格拉斯哥大学开设一间修理店，修理各种仪器。他在修理纽可门机的过程中熟悉了它的结构并了解了它的缺点。瓦特把纽可门机的耗煤情况告诉了格拉斯哥大学教授布莱克，布莱克则用他发现的量热学原理解释了纽可门机耗煤量过大的道理。他指出，纽可门机有相当大的热量和时间的浪费，原因是冷凝系统和汽缸合为一体，活塞在完成每一次冲程时，汽缸都必须冷却一次；在作下一个冲程时，又要通入蒸汽重新加热汽缸和活塞，所以大量的热量（因而燃料）白白地浪费了。在布莱克的启发下，瓦特开始去寻找一个克服这个缺陷的办法。

瓦特在汽缸外面单独装上一个冷却废汽的冷凝器，从而使汽缸始终保持在高温状态。1769 年，瓦特终于制成了单向作用的新蒸汽机，它比功率相同的纽可门机省煤四分之三左右，这当然是十分明显的优点。瓦特的这一成就，是自觉地应用当时的热学理论指导实践的结果，显示了科学理论的作用。

瓦特没有在这个成绩面前止步，他看到由于蒸汽只从一面推动活塞，仍然造成了燃料和时间的浪费。能不能让蒸汽从两面交替地推动活塞呢？这个想法在 1782 年实现了。这种双向作用的蒸汽机的汽缸在活塞的两侧是密闭的，活塞上下的空间利用阀门轮流与蒸汽输入管道以及排气管道接通，使活塞以更大的动力作往复运动。后来瓦特利用一种特殊形式的齿轮传动机构，把活塞的直线运动转变为旋转运动，使这种动力机有了广泛的用途。瓦特还在机器上装上飞轮和离心式调节器，使蒸汽机在发生颤动和负载变化时仍能保持稳定转动。第一批双向作用的蒸汽机的功率为 20～50 匹马力，燃料消耗只及同样功率的纽可门机的七分之一。这立即吸引了顾主的兴趣，很快就在英国的纺织、采矿、冶金和交通等方面得到广泛应用，而且被输出到欧美其它国家。

世纪中期，蒸汽机得到了进一步的改进，高压蒸汽机也被制造出来，其功率达到三万马力以上。这时，无数烟囱的黑烟，宣告了蒸汽时代的来临！蒸汽技术的成就，为热转化为机械运动作出了令人信服的证明，从古代发现的摩擦生热开始，到蒸汽机的出现，热与机械运动的转化完成了一个循环。因此，蒸汽机的发明和应用，为能量守恒原理的确立提供了一个重要的前提。