瓦特蒸汽机的创造

纽科门蒸汽机一直在社会上使用了半个世纪，而且制造了数百台投入生产，但是，总的结构却始终没有发生什么变化，它的发明人和经纪人纽科门，也没再对它有进一步的改革创新，这倒真有点如有的科技史家所分析的那样，是因为科学和科学家没有进入这一领域加以探讨的缘故。

历史进入 18 世纪中叶，将科学和科学家带入蒸汽机领域的，就是后来被大家所公认的蒸汽机发明家瓦特。

需要正式加以澄清的是，瓦特发明蒸汽机决不像传说中说的看见壶盖被蒸汽冲动而产生发明灵感那么简单。

而且我们已经从前面的故事中看到，瓦特蒸汽机决不是属于他独自一人

的发明。

现在我们就要讲到瓦特和蒸汽机发生接触的正题。

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。

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。

罗比森和瓦特谈起过蒸汽机，谈到人们已经实现了用蒸汽力代替人力、畜力作工的愿望，也谈到蒸汽力的应用将有远大的前景。罗比森认为，蒸汽机不仅只用来提水，还可以把安装在工厂中带动织布机，甚至也许应该将它装在车子上让它推动车轮转动。

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。

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。

这下子瓦特可高兴了。他终于见到了真实的蒸汽机，而且可以将它拆开来仔细看个究竟，再装配起来看它怎样工作。

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。

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！

又比如，瓦特发现，纽科门蒸汽机也太费燃料了。他对这种蒸汽机产生的蒸汽之大和工作汽缸之小的不成比例，感到惊奇，根据自己已经懂得的知识，进行了大量的试验和计算，发现用煤烧出的蒸汽，仅仅只有四分之一用在作功上，而那四分之三却白白浪费了。造成这种浪费的症结在什么地方呢？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。

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。

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。

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”。

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。

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。

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！

科学和科学家一旦进入蒸汽机的领域，果然使瓦特的认识得到了飞跃的突破：他需要解决的关键问题，原来是潜热消耗太多的矛盾，他需要的是循着这个思路，去找到解决这一矛盾的具体方法。

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？

瓦特的这一发明思维的产生，用他自己的话来表述就是：

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⋯⋯

这就是瓦特最早提出单设一个冷凝器，使它与汽缸分离的方案，也是他杰出的发明，甚至认为是一项划时代的发明，至于产生这一发明思维的过程，后来瓦特自己回忆说：

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。

可见，发明的灵感（现在也有人把它称做“顿悟”）在经过一段艰苦的冥思苦想、反复琢磨之后，确实会在某种轻松的状态下，突然间脱颖而出呢！

随着第一项的改进，很快促使瓦特完成他的第二项重大改进。那就是，瓦特很快发现，那始终保持着同蒸汽一样热的汽缸，里面蕴藏着具有极大动力的蒸汽，而且它产生的蒸汽将不是断断续续，而是可以一直连续不断的。瓦特认识到，“为了不必用水来防止活塞漏汽，为了在活塞下去时防止空气

冷却汽缸，那就必须使用蒸汽的张力作为动力，而不仅只是使用气压作为动力”。

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。”

经过这样一番改进，蒸汽不再仅仅是作为一种辅助的手段被加以利用，它本身就成了一种产生运动的积极力量——蒸汽真正成为推动机器的动力，纽科门蒸汽机变成为名符其实的蒸汽机。

1765 年，瓦特经过改进后试制出的模型实验以后表明，蒸汽机的热效率比纽科门的蒸汽机提高 4～6 倍，而耗煤量却节省四分之三。

1769 年，瓦特设计出可以“节约火力蒸汽机和燃料消耗”的分离冷凝器，并在这一年为他的这一划时代的发明获得了专利权。作为资本主义大工业动力机械的蒸汽机由此诞生了，工业革命由此成为可能。

让我们来比较一下瓦特改进的蒸汽机与纽科门的蒸汽机有什么根本上的区别。

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。

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。

瓦特和罗比森、布莱克这两位学者（罗比森后来也成为一位教授）的友谊非同一般。罗比森在他写的《蒸汽与蒸汽机》著作里曾记叙说，当他将瓦特引见给布莱克的时候，说起自己第一次见到青年瓦特时，就被瓦特的博学和智力敏捷所感动，还说：“我原本只希望找到一位工人，不曾想却碰到了一位哲学家。”罗比森还说：“每当我在工作中遇到疑难问题，就去找瓦特，无论什么问题，到了瓦特的手中，都会迎刃而解。”

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。