蒸汽动力技术革命

产业革命前的英国社会

近代技术革命及产业革命（工业革命）于 18 世纪中叶在英国兴起，这决不是偶然事件，而是英国的社会经济与科学技术发展的必然结果。

从近代史看，封建主义解体和资本主义生产关系最早产生于西欧。在欧洲，从 5 世纪到 11 世纪是封建主义形成时期， 11 世纪到 15 世纪是封建主

义鼎盛时期， 16 世纪到 18 世纪是封建主义瓦解、资本主义形成时期。欧洲大陆很早就出现了资本主义萌芽，但当时欧洲各国大都处于松散的联邦状态，加之欧洲长年的宗教战争，缺乏和平稳定的社会发展环境，远离欧洲大陆的英国、受宗教战争的影响要小得多，社会较为稳定。

英国于 1688～1689 年经历了“光荣革命”后，成为一个君主立宪国，封建制度迅速解体，资产阶级在政治上获得了权力。国会很快废除了束缚手工

业和经济发展的各项条款，采取了保护私人财产、鼓励工商业发展、鼓励技术发明等一系列政策，极大地促进了英国资本主义的发展。文艺复兴以来的思想解放运动和以牛顿、胡克为代表的近代科学思想的传播，使 18 世纪的英国社会成为孕育新技术的最好土壤。

世纪到 16 世纪欧洲的海上探险和地理大发现，扩展了新兴的资产阶级的活动场所，欧洲经济中心从地中海和波罗的海沿岸移到大西洋沿岸各港口，英国海军舰队很快压倒了曾称霸一时的西班牙、葡萄牙和法国舰队，在世界范围内扩展殖民地。大英帝国为加强对殖民地的贸易和掠夺， 16 世纪

建立了东印度公司、非洲公司等特许公司，同时积极发展商船队，从 1545

年到 1629 年间，排水 100 吨以上的商船增长了 10 倍，后来虽因美国的独立

使英国在北美洲损失了 13 个殖民地，但在亚洲和非洲的殖民贸易和掠夺成为英国的原始资本积累的重要来源，为资本主义机器大工业生产方式的确立奠定了经济基础。

早在 15 世纪，英国新兴的贵族为了发展羊毛贸易，占领农民土地扩大牧场，爆发了“圈地运动”。失去土地的农民大量涌进城镇，这不但为英国工业发展提供了大批雇佣劳力，而且由于他们脱离了自给自足的小农经济，需要社会为他们提供大量的粮食和衣物，因而也扩大了国内的消费市场，促进了农牧业和手工业的发展。16 世纪后，首批资本主义工场手工业是在纺织、采矿、冶金业中建立起来的。在工场手工业作坊中，劳动分工精细，工具专业化，在这里集中了当时最优秀的技术人员和技术手段。第一次技术革命中的许多重大技术发明和技术改革，就是在这里由这些手艺高超的工匠们完成的。

近代技术的一个重要特点是其科学性在不断增强，而经验因素在不断减少。

在近代科学革命过程中，由于伽利略、牛顿、胡克等人的努力，与机械技术有关的数学、力学首先得以完成。18 世纪后热学的基本知识得以阐明，科学上的一系列重大成果，为第一次技术革命中的许多技术发明提供了科学依据。

世纪末，英国新兴的资产阶级对科学技术非常重视， 1650 年成立

了英国皇家学会。英国哲学家、政治家弗兰西斯·培根（F.Bacon 1560— 1626）提倡的重视科学实验的传统，对瓦特（J.Watt 1736—1819）等人的发明活动具有直接的影响。17 世纪钟表和磨坊技术的进步，为近代机械技术的发展提供了技术基础，在钟表和磨坊中发展而来的许多机构和机械原理，在后来的机械技术发明中得到直接应用。16 世纪欧洲大陆的宗教战争使许多新教徒流亡英国，英王伊丽莎白对移居英国的侨民提出准居的条件是，每名工匠必须为英国培养一名学徒。这一时期有数千名尼德兰人、法兰西人移居英国，其中许多人是具有熟练技术的工匠。

由于上述的优越条件，为英国产业革命（工业革命）奠定技术基础的近代第一次技术革命，就应运而生了。

纺织业的机械化

16 世纪以来，英国是欧洲重要的毛纺织业中心， “圈地运动”后畜牧业的发展及欧洲纺织工匠大量流入英国，使英国的毛纺织业有了空前进展，毛织品占英国出口总额的 1/3，畅销世界各地。随着东西方贸易的发展，印

度棉布大量输入英国，成为英国当时风行一时的畅销货。只要纺织仍以手工操作，英国人就无法与手艺精巧、工资又低的印度人竞争。英国为抵制印度棉织品的竞争， 1700 年国会通过议案严禁棉织品进口，国内对价格低廉的棉织品需求的增加引起了棉织品价格的飞涨。

英国的棉纺织业是在 1665 年由尼德兰的安特卫普移民传入的新兴工业，无论是纺纱还是织布都是作为家庭副业由农妇手工完成的，所使用的纺织机械是已应用了几百年的手工机械，效率极低，根本无法与毛纺织业竞争。

1733 年，兰开夏的织布工约翰·凯伊（J.Kay1704—1764）发明了“飞梭”，一般认为，这一发明是英国产业革命的导火线。旧式的织布机的梭子是由织布工用手传递的，效率低而且布幅宽度也受限。凯伊将梭子固定在一个小滑车上，把小滑车置于水平滑槽中，滑槽两端有木制梭箱，两个梭箱由一个手柄的两条引绳牵引。织布工只要左右牵动引绳，使梭箱交替动作，就可以使梭子在经纱中穿插运行。这项发明使织布速度提高了一倍多，布幅宽度也不受限制了。但是这项发明并没能很快得到应用，当地织布工强烈反对他的这一发明，指责他在夺他们的饭碗，几次袭击他的住所，他被迫逃往曼彻斯特，藏在羊毛袋子里乘船逃亡法国，死于异乡。

后来凯伊发明的飞梭还是逐渐得到推广。1760 年，他的儿子罗伯特·凯伊发明了上下梭箱，进一步提高了飞梭性能。此后飞梭在英国得到普及。

使用飞梭后，一个织工需有 10 个纺纱工提供棉纱，使纺纱与织布的比例失去平衡，织布速度加快，棉纱供不应求而造成“纱荒”。为此，英国政府大力奖励纺纱，甚至在监狱、孤儿院中动员纺纱。

1735 年。木匠怀亚特（J.Waytt 1700—1766）和法国逃亡者的儿子保罗（L.Paul ？—1759 ）发明了利用快速旋转的纱筒与纺锤相配合进行纺纱的纺纱机。1741 年由保罗出资在伯明翰建了一个小工厂，雇了 10 个女工照看着一台用两头驴子拉动的纺纱机。当时纺纱机是用木材制造的，强度有限，因此机件时常损坏，工厂第二年即告破产。1742 年，这项专利被《绅士杂志》主编爱德华·凯普买去，在诺萨福担建立了一个安装有 5 台设备的工厂，雇

佣了 50 名工人。但由于机器不完善，开工经验不足，工厂维持困难，后于

1764 年被阿克莱特买下。这个工厂是英国最早的工厂，是现代意义上的工厂的始祖。

棉纺织业中的矛盾一直延续到 18 世纪 60 年代， 1761 年“英国奖励工

艺协会”悬赏发明一种能同时纺 6 根纱的并由一个人操纵、看管的机器。此间，在英国出现了几项重大的发明。木匠兼织布工哈格里夫斯

（J.Hargreaves1745—1778）于 1764 年发明了“珍妮机”——多轴纺纱机。理发师阿克菜特（R. Arkuright 1732—1792）1768 年在一位钟表匠的帮助下发明了机械纺纱机。由于它以水车力动力，所以也叫水力纺纱机。瓦特于 1765 年对蒸汽机进行了重大改革，发明了单设冷凝器的蒸汽机。1766 年斯米顿（J. Smeaton 1724—1792）使用了高炉鼓风机。这些发明使纺织业、动力工业、冶金业发生了重大变革，同时也是一般认为英国产业革命开始于18 世纪 60 年代的原因。

手摇纺纱车只有一个纱锭，是横装的。哈格里夫斯发明的珍妮机开始时有 8 个纱锭，是竖装的，并用棍条代替人工牵引纱线，后来增加到 80 个纱锭。哈格里夫斯也遭到了许多发明家同样的灾难，他的家被人捣毁，后来被迫迁居诺丁汉，在那里出售珍妮机。

珍妮机结构简单，造价低廉，即使最小型的也可抵得上七八个工人的劳动效率，因此很快取代了手工纺车而推广开来。哈格里夫斯死后 10 年，英

国已拥有 2 万台珍妮机。这样一来，不但解决了长期的纱荒，而且降低了布匹价格，引起社会对布匹的使用量进一步加大。但是，至此为止的纺纱机和织布机主要还是以人力为动力的，这些发明只不过是提高了家庭作坊的工作效率而已。

阿克莱特制成水力纺纱机后，即于 1771 年利用德温特河的湍急水流为动力，在曼彻斯特的克罗姆福德开办了以水力为动力的纺纱厂，由此开创了“工厂”这样一种生产组织形式。1779 年，这个工厂拥有几千个纱锭并雇佣了 300 名工人。在历史上虽然一般认为阿克莱特是一个狡猾的善于剽取他人发明成果的商人，但是他所创办的工厂却是近代大工厂生产制的起点，18 世纪末和19 世纪初兰开夏郡和德比郡的工厂都是按照他的工厂模式建立起来的。

阿克莱特的水力纺纱机纺出的纱很结实但较粗，多轴纺纱机纺出的纱虽然很细，但是强度不足。1785 年，兰开夏的一名工匠克朗普顿（S. Crormpton 1753—1827）综合了上两种纺纱机的优点，发明了一种称做“骡机”（mule，走锭纺纱机）的纺纱机。这种纺纱机可以同时转动 300 到 400 个纱锭，能够纺出既纤细结实又均匀的纱来，这种机器无论是在纺纱速度上还是在纺纱质量上都是极为完善的。18 世纪 90 年代初，已经有 34 万人在新的机械纺纱厂中劳动，由此使织布业可以提供远比当时名噪世界的印度棉布更好的布来。1785 年，英国的棉布年产量已达到 5 万匹之多。

纺纱机的进步和织布业的相对落后又引起了纺织业的新的不平衡。这种状况一直到 1785 年由牛顿大学文学博士，一直在乡间研究医学和农学的牧师卡特赖特（E.Cartwright 1743—1823）发明了用水车带动的自动织布机，并经过多年改革后才算解决。这种织布机在 1804 年经拉德克利夫和赫拉克斯二人作了进一步的改革，并用钢铁结构取代了原来的木结构后，纺织业的改革才基本完成。

纺织业的机械化，引起了技术的一系列连锁反应，净棉机、梳棉机、漂白机、染整机先后被发明出来，而且棉纺织业的机械化很快即影响到毛纺、化工、染料、冶金、采煤、机械制造等部门。但是由于这些机器最初是由水车带动的，工厂只能建在远离城市的水源丰富、水流湍急的河流旁边。交通不便、运输困难、水轮机装置费用极高、地主借机哄抬地租、水流因季节又有变化等诸多因素都极大地影响到工厂的进一步发展，因此寻求一种新的不受上述条件制约的动力机，就成为当时一个急需解决的重大的技术课题。

蒸汽机的发明与改进

蒸汽机以及后来的许多热机的基本结构，是由法国物理学家巴本

（D.Papin 1647—1712）受物理学家惠更斯（C.Huygens 1629—1695）指导后于 1698 年前后设计的。巴本是一位清教徒，因逃避政治迫害而流亡英国和德国。这种热机仅有汽缸和活塞，利用装在汽缸中火药的爆燃，或从外部加热汽缸中的水生成的蒸汽驱动活塞做功，然后利用蒸汽冷凝造成真空，借助大气压力使活塞降下来。由于当时缺少精密的机械加工工具，而且汽缸和锅炉兼用一个容器，因此虽然设计思想上是正确的，但却没能实际应用。17 世纪末 18 世纪初，英国在燃料方面正处于从木材向煤炭过渡的阶段。煤的开采量逐年增加，矿井愈挖愈深，地下水渗出也愈来愈严重。当时英国煤矿主

要是用马作为抽水动力，有的矿山竟有几百匹马，效率很低，费用昂贵，严重地阻碍了矿山的进一步发展，因此矿井排水就成为当时急需解决的一个问题。

1698 年，英国陆军工程军官托马斯·塞维利（T.Savary 1650—1715）发明了一种叫做“矿山之友”的可以实际使用的蒸汽抽水机，但是它动作缓慢，输出功率不大，而且汽缸时常有爆炸危险，很难普及。后来经过铁匠纽可门（T.Newcomen1663—1729）等人对蒸汽抽水机做了进一步改革之后，才开始应用于矿山抽水。这种蒸汽抽水机采用了活塞和汽缸结构，工作时打开汽缸与锅炉联通的阀门，向汽缸中充入蒸汽，把活塞顶起来，之后关闭阀门，向汽缸喷射冷水使汽缸中蒸汽凝结而形成真空，靠大气压力将活塞压下而做功。由于需要反复用蒸汽加热汽缸，再用冷水冷却汽缸，因此消耗燃料极大，费用也很昂贵。但是，它比使用马为动力抽水还是便宜得多。例如安装在考文垂附近的一台蒸汽抽水机，同 50 匹马做的功一样多，但费用与之相比只占 1/6。这样一来，纽可门的蒸汽抽水机很快在英国、法国、德国的矿山普及开来，而经英国土木技师斯米顿（J.Smeaton 1724—1792）改进后的纽可门机，一直到 18 世纪末还在大量使用。

对蒸汽机进行了划时代改革的是瓦特，由于瓦特的努力，使蒸汽机成为一种万能的动力机械，因此导致了近代技术的全面变革，为早期工业化奠定了有力的技术基础。

瓦特对蒸汽机的改革和一系列发明，绝不是凭一时灵感，更不是传说中他看到了水在茶壶里沸腾而受到的启示。瓦特出身于建筑师家庭，他虽然没进过正规学校，但是勤奋好学。因发表《国富论》而闻名的亚当·斯密雇佣瓦特担任格拉斯哥大学仪器制造师，从此之后他便结识了几位著名科学家，并听过他们的课，还掌握了法语、意大利语和德语三门外语，研究过力学、化学、法学、美学。1763 年，他在修理纽可门蒸汽机模型时，发现其效率很低，只运行二三个冲程就不动了；他运用物理学家布莱克（J. Black 1728

—1799）关于“潜热”、“比热”的理论，认识到纽可门蒸汽机效率低的原因在于蒸汽冷凝时汽缸也要随之降温而浪费掉大量的热能。后来他经过仔细的计算，发现竟有 4/5 的蒸汽消耗在重新加热的汽缸上。1765 年 5 月间，他制成了将冷凝器单独设置的蒸汽机模型，经计算其热效率可以提高 4 倍，并

于 1769 年获得了专利。但是这种蒸汽机也存在着不少问题。首先，这仍然是一种直线往复式的机器，即由活塞联杆直接带动其他机构沿直线方向往复运动做功；其次，它仍然利用蒸汽冷凝形成的真空，借助大气压力完成活塞移动；此外，由于当时缺乏精密加工设备，因此活塞与汽缸尺寸误差很大，为防止漏汽而不得不经常用破布堵塞。

1765 年以后，瓦特先后与企业家罗巴克（J.Rcrebuck1718—1794 ）博士及博尔登（M. Boulton 1728—1809）合作，致力于在工厂中生产蒸汽机。1775 年以后，在瓦特等人的努力下，把仅供抽水用的往复式蒸汽机改革成可以作为工厂动力源使用的万能动力机械。这几项改革是：1775 年机械师威尔金森（J. Wilkinson 1728—1808）为了加工瓦特蒸汽机的汽缸而发明了镗床，使活塞与汽缸的误差缩小到 2～3 毫米，从而提高了蒸汽机的热效率。1782 年瓦特发明了双向送汽蒸汽机，即将蒸汽从汽缸两侧交替送入推动活塞作功，而不再靠大气压力了； 1784 年又设计了行星齿轮结构，把蒸汽机的往复运动变为旋转运动；1788 年瓦特将在风磨上早已使用的离心调速器应用到

蒸汽机上，保证了蒸汽机转速的稳定。自此以后，蒸汽机不再单纯用于矿井抽水而成为可以广泛应用的万能动力机了。

1783 年，威尔金森工厂最早使用瓦特蒸汽机驱动蒸汽锤；1785 年，纺织厂开始采用蒸汽机做动力，随后织布厂、磨粉厂、铁工厂、木工厂等大量应用了蒸汽机。到 1800 年，英国已拥有了 321 台蒸汽机。

1800 年，瓦特专利到期以后，许多人对蒸汽机做了进一步改革。美国的伊万斯（O.Evans 1755—1819）和英国的特列维西克（R.Trevithick1771

1833 ）发明了高压蒸汽机； 1803 年英国的沃尔夫（ A.Wolff 1766—1837）又发明了多级膨胀型蒸汽机。这些发明使蒸汽机进一步缩小了体积，提高了热效率，拓展了蒸汽机应用范围。蒸汽机已经广泛地应用到纺织业、冶金业、机械制造业、酿造业等部门。

蒸汽机的发明和应用，引起技术发展的根本性变革。

它使社会生产的技术基础出现了质的飞跃，完成了人类基本生产手段由工具向机器的转变，正如恩格斯所说的：“17 世纪和 18 世纪从事制造蒸汽机的人们，谁也没有料到，他们所创造的工具，比其他任何东西都更会使全世界的社会状况革命化⋯⋯”①