动力革命

在纺织机革命的带动下，造纸、榨油、印刷等行业的工作机革命也发展起来。所有的工作机革命最后都遇到了动力的困难。因此，以工作机革命为开端的第一次工业革命，必然向动力机的革命迈进。

动力、能源在社会生产中的作用极为重大。人们最初只能用自己的双手，后来用风力、水力、畜力等自然力代替人力，当然是一种进步。

风力本身不需要成本，但不稳定，难以控制，不能广泛应用。水力易于驾驭。但受地区和季节的限制，不能随意相加，有时甚至枯竭。马主要用于交通运输以及矿井排水，但太昂贵，又麻烦。

在近代动力技术科学中，纽可门蒸汽机的诞生，展露了近代动力技术科学的曙光。它直接来源于采煤业和采矿业的推动。

早在公元 1 世纪左右，古希腊的发明家希罗曾运用蒸汽的力量，发明过一种玩具蒸汽机械。这种蒸汽机利用管口喷出蒸汽的反冲力，使带有喷气管的臂能在一个轴上旋转。

1601 年，意大利物理学家包尔塔设计和研制过一种利用蒸汽提水的机器。这是利用蒸汽对水面的压力和蒸汽冷凝产生的真空，把水从低水位通过管子吸引上来。

1643 年，意大利物理学家托里拆利经过专门的实验研究，证明了大气压力的存在。1654 年，德国的格里凯进行了著名的“马德堡半球实验”，这是把两个半空心球合在一起抽掉空气后形成一个真空球，然后用 I6 匹马拉这个球，结果无论怎样用力也拉不开，显示了大气压的巨大威力。

第一部活塞式蒸汽机是 1690 年由法国人巴本发明的。

巴本生于巴黎南部的布鲁斯，早年学习医学，曾作为惠更斯的助手进行大气压力和真空作用实验，他们还共同为路易十四的花园成功地设计了一种新型水泵。

1674 年，巴本应玻义耳之邀来到英国，并担任玻义耳的助手，即致力于蒸汽泵的实验设计。

巴本从炼铁场广泛用的那种活塞式风箱中得到启发，发明了一个带活塞的汽缸，汽缸里的活塞就像风箱里的活塞。

在实验的时候，将汽缸注入一定的水，放到火上加热，当水沸腾后，蒸汽即推动活塞慢慢上升。然后，撤去火源，汽缸内的蒸汽即慢慢冷凝，汽缸内便产生真空，在大气压力的推动下，活塞慢慢下降。

巴本从这个实验中认识到，由于蒸汽压力、大气压力和真空压力的相互作用，完全能推动活塞及其活塞杆，作往返的直线运动，这种运动产生的机械动力可以带动其他机械的运动。

为厂保证汽缸的安全，1680 年，巴本又发明了安全阀。

巴本第一次将汽缸、活塞机构、蒸汽冷凝形成真空原理，运用于蒸汽机，实现用蒸汽作为动力的理想，为以后活塞式蒸汽机的发展开辟了道路。

在 I7 世纪末 18 世纪初，随着矿产品需求量的增大，矿井越挖越深，许多矿井都遇到了严重的积水问题。为了解决矿井的排水问题，当时一般靠马力转动辘轳来排除积水，但一个煤矿需要养几百匹马，这就使排水费用很高而使煤矿开采失去意义。

发明家们对排水问题思考着解决的办法。英国的塞维里最早发明了蒸汽

泵排水。

塞维里是一位对力学和数学很感兴趣的军事机械工程师，又当过船长，具有丰富的机械技术知识。1698 年，他发明了把动力装置和排水装置结合在一起的蒸汽泵。塞维里称之为“蒸汽机”。

塞维里蒸汽泵的工作原理，是利用密闭容器内蒸汽凝结形成的真空，用大气压力把低水位的水，通过吸人管压人容器，然后再用蒸汽将容器中的水压向高处排出。

这是一种没有活塞的蒸汽机，虽然燃料消耗很大，也不太经济，但它是人类历史上第一台实际应用的蒸汽机。这样，蒸汽动力技术基本完成了从实验科学到应用技术的转变。

1705 年，英国的纽可门设计制成了一种更为实用的蒸汽机。

纽可门生于英国达特马斯的一个工匠家庭，年青时在一家工厂当铁工。从 1680 年起，他和工匠考利合伙做采矿工具的生意，由于经常出人矿山，非常熟悉矿井的排水难题，同时发现塞维里蒸汽泵在技术上还很不完善，便决心对蒸汽机进行革新。

为了研制更好的蒸汽机，纽可门曾向塞维里本人请教，并专程前往伦敦，拜访著名物理学家胡克，获得厂一些必要的科学实验和科学理论知识。

纽可门认为，塞维里蒸汽泵有两大缺点，一是热效率低，原因是由于蒸汽冷凝是通过向汽缸内注人冷水实现的，从而消耗了大量的热；二是不能称为动力机，基本上还是一个水泵，原因在于汽缸里没有活塞，无法将火力转变为机械力，从而不可能成为带动其他工作机的动力机。

对此，纽可门进行了改进。

针对热效率问题，纽可门没有把水直接在汽缸中加热汽化，而是把汽缸和锅炉分开，使蒸汽在锅炉中生成后，由管道送人汽缸。这样，一方面由于锅炉的容积大于汽缸容积，可以输送更多的蒸汽，提高功率；另一方面由于锅炉和汽缸分开，发动机部分的制造就比较容易。

针对火力的转换，纽可门吸收了巴本蒸汽泵的优点，引人了活塞装置，使蒸汽压力、大气压力和真空在相互作用下推动活塞作往复式的机械运动。这种机械运动传递出去，蒸汽泵就能成为蒸汽机。

纽可门通过不断地探索，综合了前人的技术成就，吸收了塞维里蒸汽泵快速冷凝的优点，吸收了巴本蒸汽泵中活塞装置的长处，设计制成了气压式蒸汽机。

纽可门蒸汽机，实现了用蒸汽推动活塞做一上一下的直线运动，每分钟往返 16 次，每往返一次可将 45.5 升水提高到 46.6 米。该机即被用于矿井的排水。

但是在实际操作过程中，感到很不方便的是，向汽缸内喷冷汽和蒸汽阀门的开关必须由人手操作。后来，由贝顿对龙头和阀门的结构提出改进意见，把龙头手柄与阀门开关用绳索连接起来，基本上实现了对龙头和阀门的自动控制。

从 1712 年起，英国大部分煤矿和金属矿都安装了纽可门蒸汽机，特别是深矿井。蒸汽机的使用给英国的煤矿主带来了丰厚的利润，使深层煤矿得到进一步开采。英国北部有些煤矿较深而被积水淹没，濒临绝境，采用纽可门蒸汽机后，改变了这种局面，矿井很快恢复了生产。

但是，纽可门的蒸汽机也有很大缺陷，就是蒸汽损耗严重，热效率依旧

不高。因此耗费的煤炭量很大，除了用在燃料价格便宜的煤矿收益较大外，很难成为各种工业通用的动力机。

即使在煤矿使用，开动这种蒸汽机每天要用 50 匹马来运送所需的煤炭，这些马匹食用的饲料开销也很大，结果从矿山上赚来的钱也被马吃掉了不少的一部分。

为了解决十分紧迫的工业动力问题，发明家和生产者都在不断地探索。机修工瓦特是其中成就卓著的伟大发明家。

1736 年詹姆士·瓦特生于英国造船业中心格拉斯哥附近的格林诺克，父亲是一个熟练的造船装配工人，祖父和叔父是机械工人。由于家庭环境的影响，少年的瓦特就熟悉了一些机械方面的知识。由于家庭贫穷，瓦特身体也不好，在受完初等教育后就辍学了。1754 年，瓦特的父亲经商失败而破产，瓦特就走上社会，先在格拉斯哥当机械工学徒，不久到伦敦当学徒。由于他勤奋学习，又有一定的基础，在努力实践的基础上，还没出师就能制造难度较大的航海仪器、经纬仪等仪器。

但是，艰苦的学徒生活，繁重的体力劳动，使瓦特劳累过度，在 1756

年 8 月病倒了，不得不回家休养。为了生计，瓦特病还没有好就去格拉斯哥，想经营仪器制造和修理，由于当地行会限制未果。

1757 年，瓦特经人介绍，到格拉斯哥大学修理教学仪器。瓦特由此结识了该校的一些教师和学生，如布莱克教授和大学生鲁宾逊，并成为亲密的朋友。瓦特修理仪器时，正好实验室里有一架巴本的蒸汽泵，他就用这架蒸汽泵进行一些蒸汽动力实验，和该校的一位物理学教授一起进行蒸汽技术的实验研究，并探讨如何改进蒸汽机的问题。

1763 年，格拉斯哥有一台纽可门蒸汽机坏了，大学请伦敦一位仪表工来修理，但没有修好。第二年，瓦特接受了这一工作。

瓦特在修理纽可门蒸汽机时，对这种当时最先进的蒸汽机进行了深人的研究。这台蒸汽机的主要缺点是耗煤量太多，热效率低，那么燃煤的热量跑到哪里去了呢？

通过对这台纽可门蒸汽机的机械结构和工作原理的解剖分析，他发现，当蒸汽进人汽缸后，温度即上升到 100℃，为了得到真空，又要立即向汽缸喷人冷水而冷凝，汽缸内的温度下降到 20℃左右。就这样一升一降，活塞才能完成一个冲程的往返动作。

热量消耗太多的原因就在这每一冲程中，既要向汽缸喷人冷水使之变凉，又要向汽缸内输送蒸汽使之变热，这样，大部分热量就用来加热汽缸了。瓦特请人经过精确的计算，结果是 75%的蒸汽用来加热汽缸，只有 25%的蒸汽用来作功。

同时，蒸汽经冷凝后温度仍然较高，真空度不好，也影响了蒸汽机的效能。

抓住了问题的症结，就要寻求解决的办法。瓦特认为：“为了更有效地利用蒸汽，以下两点都是必须的：第一，汽缸要始终保持蒸汽进人时的温度；第二，当冷水喷人汽缸，蒸汽被冷凝时，汽缸又被冷却到 100℃以下。

为了使以上两个相互矛盾的要求都能实现，就不能直接采用纽可门机原来的方法。改进的方案直到 1765 年才由瓦特设想出来，将汽缸和另一个冷凝蒸汽的容器用连接件接通，缸内的蒸汽就像有弹性的液体一样，将会直接而迅速地流入空的容器，如果用喷水或其他方法使容器保持低温，那么蒸汽就

会继续进入容器直到全部凝结成水。

瓦特立即着手实验，并收到预期的效果。他把将蒸汽引入另外的冷凝蒸汽的容器叫做冷凝器。

此后，瓦特在蒸汽机结构中做了改进，即封堵敞开式汽缸的端部，留下通过活塞的缸孔，用蒸汽压力代替大气压力推下活塞。这样在接近地面处的大气压力为一个大气压，利用蒸汽后，就可提升到任意个大气压，所以输出的力比纽可门蒸汽机大得多。

瓦特的这些技术设想和发明，包含在他的 1769 年专利说明书中。这是瓦特关于蒸汽机的第一项专利。

巧妙的设想为瓦特打开了通向成功的大门。但是要把设想变为现实并不是轻而易举的，可能会遇到难以想象的困难。

那时，英国的工业界很少有人能够按照比较复杂的图纸，准确无误地加工各种机器零件。要制造出瓦特设计的蒸汽机，需要有昂贵的金属材料。先进的机构加工设备、熟练的机械加工和装配工人，才能制造出高精度的汽缸、活塞和其他零配件。

这些条件瓦特都不具备。他有的只是 35 镑的年薪，为了试制一名试验用的冷凝器，他已经变卖了所有值钱的东西而一贫如洗了。但瓦特并没有因失败和贫穷而消沉，仍然在孜孜不倦地奋斗着。

当布莱克教授得知瓦特的处境时，将他推荐给工厂主罗巴克，双方签订了合同：罗巴克向瓦特提供研制费用，获得瓦特的专利和 2/3 生产利润。这一合同开辟了科学研究和工业生产相结合的道路。

通过努力，瓦特在 1769 年制造出第一台装有分离冷凝器的蒸汽机，比纽可门的蒸汽机在热效率上提高了 2/3，但在性能上还无法作为真正的动力机，没有引起社会的关注。

1772 年，英国经济萧条，不少企业倒闭，罗巴克也破产。瓦特又孤立无援，颇感失望，但他看到已经克服了纽可门蒸汽机热效率低的缺点，现在所要解决的是把蒸汽机怎样变为普遍的动力机。

“成功的路已走了一半，难道前功尽弃吗？” “绝对不能！”

瓦特的伟大就在于他不断地克服困难，促使理想走向现实。

1774 年，罗巴克把瓦特介绍给自己的企业家朋友博尔顿，从而使瓦特的研制工作能够继续进行。

1775 年，著名机械工程师威尔金森发明了能精密加工炮筒的镗床。用这一技术对汽缸内壁进行精加工，使之与活塞严密配合以减少漏气，大大提高了蒸汽机的功率。

1781 年，瓦特研制出了被称为“太阳和行星”的齿轮联动装置，终于把活塞的往返直线运动转变为轮轴的旋转运动。旋转的轮轴可以通过齿轮或链条带动任何工作机，实现了革新纽可门蒸汽机的第二次飞跃。年底，瓦特获得了第二个专利。

1782 年，瓦特试制出带有双向装置的新汽缸。以前制造的蒸汽机都是单汽缸，蒸汽从一面推动活塞，还是有些浪费。双向汽缸是蒸汽从两面交替地推动活塞，功率比原来提高了 1 倍。

瓦特还首次把蒸汽缸的蒸汽由低压蒸汽改为高压蒸汽。

双向高压蒸汽机发明后，纽可门蒸汽机完全成为瓦特蒸汽机，瓦特获得

了第三个专利，从而实现了他在革新纽可门蒸汽机中的第三次飞跃。从此，瓦特蒸汽机成为一切工作机的动力机。

1784 年，瓦特以他对纽可门蒸汽机革新的全部成果综合组装的蒸汽机，获得第四个专利。在这个专利说明书中，瓦特详尽地说明了这种新式蒸汽机的种种性能和优点，并把它说成是一种万能的动力机。

瓦特从 1757 年到格拉斯哥大学修理教学仪器而接触蒸汽机开始，到1784

年完成了他各种革新成果的综合组装为止，经历了 20 多年的漫长历程。在这段时间里，虽然有无数的挫折和失败，但他那种不屈不挠的精神，不达目的誓不罢休的毅力，终于实现了对纽可门蒸汽机的彻底革命。

瓦特蒸汽机发明后，对工业革命的发展起了巨大的推动作用。蒸汽机作为一种不可抗拒的力量，迅速广泛地进人煤矿、铁矿、纺织、冶金、机械等行业，在全世界范围内掀起了一场工业大革命，推动了社会生产力的惊人发展。

从科学技术上看，瓦特蒸汽机的发明，表明科学理论对技术发展的促进作用，第一次把热能转变为机械能；同时技术进步也推动了科学的发展。

蒸汽机的使用引起人们对热现象的广泛兴趣，推动了热学、热力学和能量转化方面的基础理论的研究。