本文格式為Word版，下載可任意編輯——天工巧匠瓦特和蒸汽機(jī)從學(xué)徒到機(jī)師

假使說，第一次工業(yè)革命的火炬是由飛梭、珍妮紡紗機(jī)等工作機(jī)的革命點(diǎn)燃的話，那么第一次工業(yè)革命的狂飆則是由瓦特對紐可門蒸汽機(jī)的改革興起的。紐可門蒸汽機(jī)自1705年發(fā)明之后，即在礦山作為一種抽水泵的動力機(jī)使用。1712年前后，英國所有煤礦的抽水泵差不多都用上了蒸汽機(jī)。但是，由于當(dāng)時(shí)的社會生產(chǎn)尚未對動力機(jī)產(chǎn)生更大的需求，所以紐可門蒸汽機(jī)問世之后，一直僅限于在礦山作為抽水泵的引擎使用。在它問世后的50多年里，依舊停留在原有的技術(shù)水平，一直未能得到什么發(fā)展。

瓦特(1736—1819年)生于蘇格蘭西部的格里諾克小鎮(zhèn)的一個(gè)工人家庭。

當(dāng)時(shí)，家家戶戶都是生火燒水、做飯。童年時(shí)，瓦特在廚房里看祖母做飯。灶上壺子里的水一開，壺蓋就啪啪作響，不停地往上跳動。通過長時(shí)間觀測，他發(fā)現(xiàn)，只要蒸汽不住地往上冒，壺蓋就不停地跳動。他還把杯子、調(diào)羹遮在水蒸汽噴出的地方。瓦特終究弄明白了，是水蒸汽推動壺蓋跳動，這水蒸汽的力量還真不小呢。此后，如何利用蒸汽的力量成了瓦特一生的追求。

由于家里貧苦，瓦特僅受到初等教育。然而，瓦特自幼十分勤奮，同時(shí)極愛工藝。1754年，瓦特前往格拉斯哥的一家工場當(dāng)了機(jī)械工學(xué)徒。但好學(xué)的瓦特深深地感到在格拉斯哥的工場里似乎學(xué)不到什么真正意義上的技術(shù)，于是決心前往倫敦，當(dāng)時(shí)英法之間爆發(fā)了一場戰(zhàn)爭，倫敦的局勢動亂擔(dān)憂，瓦特只得重返格拉斯哥。

1757年，瓦特來到一個(gè)機(jī)械車間當(dāng)上了機(jī)修工，這個(gè)機(jī)械車間附屬于格拉斯哥大學(xué)。此后，瓦特開始刻苦地學(xué)習(xí)機(jī)械技術(shù)。這些經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，為瓦特后來革新紐可門蒸汽機(jī)打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

在修理機(jī)器與儀表之余，瓦特于1759年開始進(jìn)行蒸汽技術(shù)的試驗(yàn)和研究。他曾利用從格拉斯哥大學(xué)的試驗(yàn)室找來一個(gè)巴本的蒸汽泵進(jìn)行了一些蒸汽動力試驗(yàn)，這些初步的試驗(yàn)研究，使他對蒸汽機(jī)的動力技術(shù)有了最初的認(rèn)識。

假使說瓦特的工匠技術(shù)為他以后革新紐可門蒸汽機(jī)打下了技術(shù)基礎(chǔ)，那么，布萊克的熱學(xué)理論則為他打下了一定的理論基礎(chǔ)。從瓦特最初來到格拉斯哥大學(xué)的1757年開始，到1760年為止，在四年多的時(shí)間內(nèi)，瓦特已成為一個(gè)不僅具有工匠的技術(shù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而且具有學(xué)者的科學(xué)理論知識的青年機(jī)械師。

研究紐可門蒸汽機(jī)

在初步具備一定的技術(shù)基礎(chǔ)、試驗(yàn)基礎(chǔ)與理論基礎(chǔ)之后，瓦特產(chǎn)生了革新紐可門蒸汽機(jī)的猛烈愿望。當(dāng)時(shí)，人們把紐可門蒸汽機(jī)稱為“火機(jī)〞，雖然它在礦山已普遍使用，但在大學(xué)還不易見到。

幸運(yùn)的是，1761年，在瓦特的要求下，格拉斯哥大學(xué)從倫敦借來了一臺需要修理的紐可門蒸汽機(jī)供瓦特研究使用。瓦特正式開始了革新紐可門蒸汽機(jī)的研究工作。

自從那臺紐可門蒸汽機(jī)從倫敦運(yùn)到格拉斯哥大學(xué)之后，瓦特馬上對它的機(jī)械結(jié)構(gòu)與工作原理進(jìn)行了細(xì)致的研究。他發(fā)現(xiàn)它有兩大明顯的缺點(diǎn)：一是它的耗煤量大，熱效率低；二是它所傳送出來的動力只能作來回運(yùn)動。正是這兩大缺點(diǎn)阻礙了它的進(jìn)一步推廣使用。

可是，要找到紐可門蒸汽機(jī)的熱效率低的原因在哪里卻不是一件簡單的事。他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)蒸汽進(jìn)人汽缸后，溫度即上升到100℃，可是為了得到真空，必需馬上在汽缸內(nèi)將蒸汽用冷水噴注冷凝。當(dāng)冷水噴入汽缸后，汽缸內(nèi)的溫度即下降到20℃。這樣一開一降，活塞才能完成一個(gè)沖程的來回動作。而這樣一個(gè)沖程中，熱量遭到兩次浪費(fèi)。當(dāng)蒸汽進(jìn)入汽缸時(shí)，它必需花費(fèi)足夠的熱量使汽缸本身的溫度由20℃上升到100℃；當(dāng)冷水進(jìn)入汽缸時(shí)，冷凝水又帶走了大量的熱量。這樣一熱一冷，熱量浪費(fèi)極大。

瓦特運(yùn)用布萊克的熱學(xué)理論，對那臺紐可門蒸汽機(jī)的作功過程進(jìn)行了測量和分析，確認(rèn)這正是紐可門蒸汽機(jī)熱效率低的主要原因。這時(shí)，借來的紐可門蒸汽機(jī)歸還期到了，機(jī)器被運(yùn)走后，瓦特沒有樣機(jī)繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，只得進(jìn)行一些理論的摸索。在理論研究中，瓦特再次鉆研了布萊克的熱學(xué)理論，通過對紐可門蒸汽機(jī)熱效率的進(jìn)一步理論分析，使瓦特進(jìn)一步看清了紐可門蒸汽機(jī)的汽缸內(nèi)冷這一最主要的缺點(diǎn)。

采用分開冷凝器

發(fā)現(xiàn)問題是一回事，可是要解決它卻不簡單。又經(jīng)過兩年多的努力，1765年春天，有一次出外溜達(dá)時(shí)，瓦特靈感突發(fā)，既然紐可門蒸汽機(jī)的熱效率低是由于蒸汽在汽缸內(nèi)冷凝造成的，反過來，為什么不能讓做功后的蒸汽在汽缸外冷凝呢?這樣，瓦特便產(chǎn)生了采用分開冷凝器的最初設(shè)想——這是一個(gè)絕對巧妙的一個(gè)想法!

在產(chǎn)生采用分開冷凝器的最初設(shè)想之后，瓦特馬上付諸實(shí)踐，在同年設(shè)計(jì)了世界上第一臺帶有分開冷凝器的蒸汽機(jī)。依照他的設(shè)計(jì)，冷凝器與汽缸之間用一個(gè)調(diào)理閥門相連。通過閥門控制，使它們既能連通，又能分開。這樣，既可把做功后的蒸汽引入汽缸外的冷凝器，又可以使汽缸內(nèi)產(chǎn)生同樣的真空，但卻避免了汽缸在一熱一冷過程中的熱量消耗。瓦特認(rèn)為不出意外的話，這種新的蒸汽機(jī)的熱效率將是紐可門蒸汽機(jī)的熱效率的三倍!

但要把這種設(shè)想變成真實(shí)的蒸汽機(jī)，不知要遇上多少困難。但瓦特知難而上，開始研制新式蒸汽機(jī)。資金、設(shè)備、材料、技工這些是開展工作所必需的。可是，瓦特本人只有35磅的年薪，除去用來買面包的那部分以外，所剩無幾。

在失敗中不斷完善

經(jīng)過多方努力，在各方好友的幫助下，從1766年開始，在三年多的時(shí)間內(nèi)，瓦特解決了材料和工藝等方面的種種困難，終究在1769年生產(chǎn)了第一臺樣機(jī)。同年，瓦特以發(fā)明分開冷凝器獲得他在革新紐可門蒸汽機(jī)過程中的第一個(gè)專利。

瓦特的第一個(gè)設(shè)想終究實(shí)現(xiàn)了。第一臺帶有分開冷凝器的蒸汽機(jī)雖然試驗(yàn)成功。但是同紐可門蒸汽機(jī)相比，除了熱效率有顯著提高之外，在作為動力機(jī)而帶動其他工作機(jī)的性能方面。仍未能取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。瓦特的這種蒸汽機(jī)，還是無法成為真正的動力機(jī)。

由于這種蒸汽機(jī)仍不夠理想，銷路并不好，致使幫助他研究的好友羅巴克瀕于破產(chǎn)，無力對瓦特繼續(xù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)上的資助。瓦特在這一段時(shí)間內(nèi)感到了絕望。

但羅巴克對科學(xué)的熱心并沒有變，他又將瓦特介紹給自己的朋友——工程師兼企業(yè)家博爾頓，以便使瓦特的研制工作能夠繼續(xù)進(jìn)行下去。博爾頓是位能干的工程師和企業(yè)家。他對瓦特的創(chuàng)新精神表示贊揚(yáng)，表示愿意資助瓦特繼續(xù)進(jìn)行新式蒸汽機(jī)的研制工作。

博爾頓是伯明翰地區(qū)著名的科學(xué)社團(tuán)“圓月學(xué)社〞的主要成員之一。參與這個(gè)學(xué)社的，大都是該地的一些科學(xué)家、工程師、學(xué)者以及其他一些科學(xué)愛好者。

經(jīng)過博爾頓的介紹。瓦特也參與了圓月學(xué)社，這使瓦特受益匪淺。在圓月學(xué)社活動期間，瓦特和化學(xué)家普列斯特等人的交往。使他對當(dāng)時(shí)人們關(guān)注的氣體化學(xué)和熱化學(xué)有了更多的了解，并進(jìn)行了一些初步的試驗(yàn)研究。

更重要的是，圓月學(xué)社的活動使瓦特進(jìn)一步增長了科學(xué)見識，活躍了科學(xué)思想。瓦特自與博爾頓合作之后，博爾頓即

在資金、設(shè)備、材料和人力各方面給予大力資助。從1775年開始，瓦特即致力于生產(chǎn)這種帶分開冷凝器的蒸汽機(jī)。到了1776年，瓦特終究組裝出了兩臺。但是，由于這種蒸汽機(jī)比他在1769年試制的那種蒸汽機(jī)的樣機(jī)并沒什么顯著的改進(jìn)，所以也沒有引起社會的關(guān)注。

瓦特在1776年組裝出的兩臺蒸汽機(jī)雖然仍不成功，但耗資卻不少。瓦特因此債臺高筑，博爾頓也因此瀕于破產(chǎn)。這時(shí)，瓦特的一個(gè)朋友為他在俄國找到了一個(gè)年俸為1000英鎊的職務(wù)，勸他到俄國去工作，以擺脫當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)窘境。

但是，瓦特所想到的依舊是他的蒸汽機(jī)。博爾頓雖然因資助瓦特而近于破產(chǎn)，但他依舊給瓦特以大方的資助。由于瓦特本人具有百折不撓的毅力，同時(shí)也由于博爾頓具有舍身相助的精神，終究使瓦特的新式蒸汽機(jī)的研制工作得以繼續(xù)進(jìn)行下去。

自1769年試制出那臺帶有分開冷凝器的樣機(jī)之后，瓦特即已看到，熱效率低已不再是他的蒸汽機(jī)最主要的弊病，而活塞仍只能作來回的直線運(yùn)動才是它的根本局限。在1776年組裝那兩臺帶有分開冷凝器的蒸汽機(jī)時(shí)，瓦特已感到解決這一問題的緊迫性。

蒸汽原動機(jī)誕生

1781年，在參與圓月學(xué)社的活動時(shí)，瓦特聽到會員們談到天文學(xué)赫舍爾在當(dāng)年發(fā)現(xiàn)的天王星以及由此引出的行星繞日作圓周運(yùn)動的消息，可能是這個(gè)消息啟發(fā)了他，可能是鐘表中的齒輪的圓周運(yùn)動啟發(fā)了他。他想：假使能把活塞的來回直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)的圓周運(yùn)動，不就可以使動力源源不斷地傳給任何工作機(jī)嗎?

同年，瓦特研制出了一套被稱為“太陽和行星〞的齒輪聯(lián)動裝置，憑藉這套裝置他終究把活塞的來回直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)檩嗇S旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。由于有了這種齒輪聯(lián)動裝置，旋轉(zhuǎn)的輪軸可通過齒輪或鏈條帶動任何工作機(jī)。為了使輪軸的旋轉(zhuǎn)增加慣性，從而使圓周運(yùn)動更加均勻，瓦特還在輪軸上加裝了一個(gè)大飛輪。由于對傳動機(jī)的這一重大革新，瓦特的這種蒸汽機(jī)才真正成為能帶動一切工作機(jī)的動力機(jī)，才真正成為開動一切工作機(jī)的萬能機(jī)。

這一成果大大增加了蒸汽機(jī)的實(shí)用性。1781年底，瓦特以發(fā)明帶有齒輪和拉桿的機(jī)械聯(lián)動裝置獲得了其次個(gè)專利，從而實(shí)現(xiàn)了他在革新紐可門蒸汽機(jī)過程中的其次次飛躍。

瓦特在1781年試制成功的帶有齒輪聯(lián)動裝置的蒸汽機(jī)由于加上了輪軸和飛輪，使得蒸汽機(jī)在把活塞的來回直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)檩嗇S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)，要多消耗不少無謂的能量。這樣，使得蒸汽機(jī)的效率仍大打折扣，動力也因此而受到限制。

為了進(jìn)一步提高蒸汽機(jī)的效率，增大蒸汽機(jī)的動力，瓦特在發(fā)明齒輪聯(lián)動裝置之后，對汽缸本身進(jìn)行了分析和研究。他發(fā)現(xiàn)，他雖然把紐可門蒸汽機(jī)的內(nèi)部冷凝變成了外部冷凝，使蒸汽機(jī)的熱效率有了顯著的提高，但他的蒸汽機(jī)中的蒸汽在推動活塞的沖程工藝上，與紐可門蒸汽機(jī)中的沖程工藝并沒有什么兩樣——然是讓蒸汽從一端進(jìn)入，從另一端排出。這依舊是一種蒸汽的單向運(yùn)動。他想，假使讓蒸汽能夠輪番從活塞兩端進(jìn)入和排出，就可讓蒸汽推動活塞向上運(yùn)動，也可讓蒸汽推動活塞向下運(yùn)動。這樣，活塞在一上一下的一個(gè)沖程中，就可獲得相等于原來兩倍的動力。

1782年，瓦特根據(jù)他的雙向進(jìn)入和排出蒸汽的設(shè)計(jì)，試制出了一種帶有雙向裝置的新汽缸，把原來的單向汽缸組裝成雙向汽缸，并首次把引入汽缸的蒸汽由低壓蒸汽改為高壓蒸汽，從而又實(shí)現(xiàn)了他在革新紐可門蒸汽機(jī)過程中的第三次躍進(jìn)。

帶有飛輪和齒輪聯(lián)動的雙向高壓蒸汽機(jī)發(fā)明之后，紐可門蒸汽機(jī)才完全蛻變?yōu)橥咛卣羝麢C(jī)。1782年，瓦特以發(fā)明雙向裝置和引入高壓蒸汽而取得他在革新紐可門蒸汽機(jī)過程中的第三個(gè)專利。自此之后，瓦特蒸汽機(jī)才真正成為一臺工作機(jī)的原動機(jī)。

在研制蒸汽機(jī)的道路上，瓦特就像一匹不知疲憊的奔馬，在蒸汽機(jī)領(lǐng)域不停地耕作著。假使從他最初接觸紐可門蒸汽機(jī)的1761年算起，他經(jīng)歷了21年的漫長歲月。在21余年的時(shí)間內(nèi)，瓦特雖然屢屢受挫，屢遭失敗，但仍以對科學(xué)的執(zhí)著和百折不撓的精神和毅力，通過對紐可門蒸汽機(jī)的三次大革新，終究實(shí)現(xiàn)了對紐可門蒸汽機(jī)的