借鉴、改进与提高

--从巴本、萨弗里到纽可门和瓦特的蒸汽机

1、蒸汽机的背景

随着工业的发展，传统的生物能源木材明显不足，煤开始被作为燃料被广泛使用，煤的开采业因而越来越热，但让矿主头痛的问题就是矿井的排水问题，矿井越来越深，排水需要大量的人力畜力，英国的有些矿井需要500匹马力才开动提水水泵，迫使人们尽快地研制矿井用以排水的动力机械。

蒸汽作动力古已有之，亚历山大里亚的希罗普曾利用蒸汽的反冲力做过一个玩具，罗马林琴学院的创始人之一波尔塔在《神灵三书》中提出可以让蒸汽的压力使水提升，而蒸汽冷却后形成的真空又可以将水从低处吸进来。虽然他设计的只是一种实验器械，没有什么用途，但他的构想以及他当时未意识到的原理十分重要。

2、巴本的高压锅与第一台蒸汽机

17世纪上半叶，大气压力和真空概念已广为人知，但这一物理概念用于实际的还不多见。法国工程师巴本1671年结识惠更斯后，对实验物理学发生了浓厚的兴趣，协助惠更斯做了不少的大气压和真空实验，1674年成功地改进了波义尔的空气泵，被波义尔邀请到伦敦跟随波义尔系统学习气体力学。

1679年巴本研制出了一种“蒸煮器”，这种炊锅完全密封，食物极易煮烂，他用这种高压锅给查理二世做了一顿菜，把不太容易熟的骨头煮得烂熟，味道极其鲜美，因而于1680年当选为皇家学会会员。

1690年，巴本在蒸煮器的基础上制成了第一台带活塞的蒸汽机。气缸底部有少量的水，将气缸加热时所产生的蒸汽推动活塞至顶端，再将热源撤除，里面的蒸汽必定冷凝形成真空，于是，气缸在大气压力的作用下下落，下落过程可以提供动力。

3、萨弗里与蒸汽泵

英国当时的矿井排水问题迫在眉睫，政府多次悬赏征解，英国工程师萨弗里在蒸汽机的基础上发明了蒸汽泵。因为要抽水，它没有活塞，蒸汽泵由气缸和三根导管组成，一根导管通往蒸汽锅炉，另外两根分别是进水管和出水管，蒸汽进入气缸后注凉水冷却形成真空，将水吸入，第二次通入蒸汽则将气缸中的水压出。萨弗里1698年获得了该项发明专利，蒸汽泵投入使用，被称为“矿工之友”。

因为当时的锅炉不能安全地提供高压蒸汽，萨弗里的蒸汽泵就不可能将水提得很高，以至于热效率太低。

4、纽可门的蒸汽机

萨弗里的蒸汽泵问世，马上吸引了当时还是铁匠的纽可门，他决心在此基础上制造出更好的蒸汽机来。为此，他专门拜访了年迈的胡克，学习有关物理知识，由于萨弗里本人一起探讨改进方案，最终于1705年造出了一台热效率比较高的蒸汽机。

这台蒸汽机吸收了巴本和萨弗里的蒸汽泵的优点，有一个带活塞的气缸，同时蒸汽由另外的锅炉输入。他的创造是在气缸里增加了一个冷水喷射器，提高冷凝速度。与萨弗里的蒸汽泵不同：依靠大气压力而不是蒸汽压力，不存在高压蒸汽危险。

纽可门的蒸汽机很快就投于使用，效果良好，当时的煤矿基本上都用上了这种新式的蒸汽机。

半个世纪后，工业生产对动力的需求空前增长，纽可门机只适用于矿山抽水，急需新的动力设备。

5、瓦特的蒸汽机

瓦特，出身于工人家庭，从小当学徒，学习机械制造，后来自己想开业，但因学徒年限不够，只得在格拉斯哥大学谋得一个机修工的职位。瓦特在格拉斯哥大学认识了著名的物理学家布莱克，他在工作的同时开始深入地钻研热学知识。1763年，他受命修理格拉斯哥大学一台纽可门蒸汽机。他在维修这台机器的过程中，仔细地研究了纽可门机的结构，发现纽可门机的热量损失太大，需要改进。

1765年，瓦特想出了在气缸之后再加一个冷凝器的方法，冷凝器与气缸之间用一个可调节阀门相连，高温蒸汽注入气缸时阀门关上，做功后打开阀门，蒸汽则马上被引入冷凝器冷却，之后，冷凝器和气缸内均形成真空，活塞在大气压下做功，之后关上阀门，重新将冷凝器抽成真空，重复前一过程。1769年瓦特制造出第一台样机，并获得冷凝器的发明专利。

瓦特机的热效率成倍提高，但他不满足，继续改进。1781年，他用一个齿轮装置将活塞的直线往复式运动转化为轮轴旋转运动，1782年，又设计了双向气缸，使蒸汽轮流从活塞两端进入，热效率又增加了一倍，后来又发明了离心调节器，可以调节输入的蒸气量。瓦特机成了可用于一切机械的万能“原动机”。1800年，瓦特选入皇家学会，格拉斯哥大学授予名誉博士学位。

蒸汽机的改进，也使整个世界发生了变化，古老的人力畜力被蒸汽动力所代替，大规模的生产不仅成为可能，而且成为必要，各种工业在瓦特机的带动下，迅猛发展起来，机械制造业也空前繁荣。