6 瓦特和蒸汽机的发明

一、 瓦特生平
瓦特1736年1月19日生于英国格拉 斯哥。父亲是熟练的造船装备工人 ，后来经商。母亲出身于名门贵族 ，在瓦特幼年时代，不仅教瓦特学 习语文和数学，还培养他观察思考 的兴趣和动手实践的能力。瓦特从小体弱多病，上学 后，他不爱剧烈活动，时常独自沉思默想。有一次瓦 特看到水壶的水开了，蒸汽把壶盖冲的卟卟地响，他 盯着水壶盖呆了一个小时，这是他第一次对蒸汽发生 了浓厚的兴趣。
念这位伟大的发明家，国际单位制中功率以瓦特为 单位。 1824年，在他逝世5周年时，伦敦公众为他 在有名的威斯敏斯特大教堂树立了一座纪念碑。 1832年，人们在格拉斯哥市乔治广场塑造了一座瓦 特铜像。同样，格拉斯哥大学的博物馆里也有着瓦 特的大理石雕像（系瓦特儿子所送）。
二、瓦特和蒸汽机
蒸汽机是一项改变了工 业发展进程的技术创新。 人类对蒸汽的认识和利用 ，经历了一个漫长的历史 过程。最早可追溯到古希 腊数学家希罗于1世纪发 明的汽转球，不过它只不 过是一个玩具而已。 1690年，法国人巴比首先发明了第一台活塞式蒸汽 机，他的设计思想很新颖，汽缸中加热产生蒸汽，推 动活塞上升到顶端，然后汽缸降温，活塞又被推回， 于是装置就运转起来。但他未能制成实用的蒸汽机。
瓦特17岁时，父亲经商失败，家道 衰落。他先是到一家钟表店学手艺 ，后来到伦敦的当代有名的机械师 学技术；他21岁时当修理工， 后
来他结识了著名化学家布莱克和物理学教授鲁比森； 从他们那里学到许多科学理论知识。也是在这里，他 开始了对蒸汽机的研究。
一、 瓦特生平
早在公元前2世纪，人类对蒸汽的 认识和利用已有一定的知识，到瓦 特生活的时代，已经有“纽可门蒸 汽机”。但这种蒸汽机、燃料消耗
3 发现问题
瓦特辛辛苦苦造出了几台蒸汽机， 但效果反而不如纽可门蒸汽机，甚 至四处漏气，无法开动。尽管耗资 巨大的试验使他债台高筑，但他没 有在困难面前怯步，继续进行试验 。当布莱克知道瓦特的奋斗目标和 困难处境时，他把瓦特介绍给了自 己一个十分富有的化工技师罗巴克。当时罗巴克是一 个十分富有的企业家，他在苏格兰的卡隆开办了第一 座规模较大的炼铁厂。虽然当时罗巴克已近50岁，但 对科学技术的新发明仍然倾注着极大的热情。他对当 时只有三十来岁的瓦特的新装置很是赞许，当即与瓦 特签订合同，赞助瓦特进行新式蒸汽机的试制。
1 蒸汽机的历史
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。
1 蒸汽机的历史
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。
二、瓦特和蒸பைடு நூலகம்机
在 17 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 的塞维利最早发明了蒸汽泵排水。塞维利是一位对力 学和数学很感兴趣的英国军事机械工程师，又当过船 长， 具有丰富的机械技术知识。 。
3 发现问题
由于瓦特的这种蒸汽机仍不够 理想，销路并不广。当瓦特继 续进行探索时，罗巴克本人已 濒于破产，他又把瓦特介绍给 了自己的朋友、工程师兼企业 家博尔顿，以便瓦特能得到赞 助继续进行他的研制工作。博尔顿当时经四十多 岁，是位能干的工程师和企业家。他对瓦特的创 新精神表示赞赏，并愿意赞助瓦特。
一、 瓦特生平
詹姆斯· 瓦特（1736 — 1819） 是英国著名的发明家，是工 业革命时的重要人物。1776 年制造出第一台有实用价值 的蒸汽机。以后又经过一系 列重大改进，使之成为“万 能的原动机”，在工业上得 到广泛应用。他开辟了人类利用能源新时代，标志 着工业革命的开始。后人为了纪念这位伟大的发明 家，把功率的单位定为“瓦特”。
3 发现问题
在产生这种设想以后，瓦特在同 年设计了一种带有分离冷凝器的 蒸汽机。按照设计，冷凝器与汽 缸之间有一个调节阀门相连，使 他们既能连通又能分开。这样， 既能把做工后的蒸汽引入汽缸外 的冷凝器，又可以使汽缸内产生 同样的真空，避免了汽缸在一冷一热过程中热量的消 耗，据瓦特理论计算，这种新的蒸汽机的热效率将是 纽可门蒸汽机的三倍。从理论上说，瓦特的这种带有 分离器冷凝器的蒸汽机显然优于纽可门蒸汽机，但是 ，要把理论上的东西变为实际上的东西，把图纸上的 蒸汽机变为实在的蒸汽机，还要走很长的路。
1 蒸汽机的历史
最初的真空蒸汽机 被用来将矿井里的水 抽出来。纽科门的蒸 汽机将蒸汽引入气缸 后阀门被关闭，然后 冷水被撒入汽缸，蒸 汽凝结时造成真空。 活塞另一面的空气压 力推动活塞。在矿井中联结一根深入竖井的杆来驱 动一个泵。蒸汽机活塞的运动通过这根杆传到泵的活 塞来将水抽到井外。
1 蒸汽机的历史
4 合作研发
博尔顿经常参加社会活动，他是 当时伯明翰地区著名的科学社团“ 圆月学社”的主要成员之一。参加 这个学社的大多都是本地的一些科 学家、工程师、学者以及科学爱好 者。经博尔顿的介绍，瓦特也参加 了圆月学社。 在圆月学社活动期间，由于与化学家普列斯特列等 交往，瓦特对当时人们关注的气体化学与热化学有了 更多的了解，为他后来参加水的化学成分的争论奠定 了基础。更重要的是，圆月学社的活动使瓦特进一步 增长了科学见识，活跃了科学思想。
3 发现问题
1764年，格拉斯哥请瓦特 修理一台纽可门式蒸汽机，在 修理的过程中，瓦特熟悉了蒸 汽机的构造和原理，并开始钻 研蒸汽机。他通过大量实验以 及根据格拉斯哥大学教授布莱 克提出的潜热、比热理论进行 分析，对旧式蒸汽机进行深入研究，找出了旧式机器 效率低的主要原因：除了漏汽、散热等造成热量的浪 费外，主要缺陷在于每一冲程都要用冷水将汽缸冷却 一次，从而消耗了大量热量，使绝大部分蒸汽没有被 有效利用。
量大、效率低，只能往复地沿直线运动，不能在各种 生产部门广泛使用。瓦特总结了前人的经验，经过反 复改革和试验，花了十年的精力，终于发明了新型蒸 汽机。
一、 瓦特生平
1767年，瓦特与表妹玛格丽特· 米勒结婚，此后他们共养育了6个孩 子。1785年被选为伦敦皇家学会会员 ，1806年还被授予格拉斯哥大学法学 博士，1814年被选为法兰西科学院外 籍院士。1819年，83岁的瓦特在家中
3 发现问题
从1766年开始，在三年多的时 间里，瓦特克服了在材料和工 艺等各方面的困难，终于在 1769年制出了第一台样机。同 年，瓦特因发明冷凝器而获得 他在革新纽可门蒸汽机的过程 中的第一项专利。第一台带有冷凝器的蒸汽机虽然试 制成功了，但它同纽可门蒸汽机相比，除了热效率有 显著提高外，在作为动力机来带动其他工作机的性能 方面仍未取得实质性进展。就是说，瓦特的这种蒸汽 机还是无法作为真正的动力机。
一、 瓦特生平
瓦特因为身体不好，在文法学校没 毕业就退学了。此后，他没进过正 规学校。他在家坚持自学，钻研了 天文学、化学、物理、解剖学等多 门科学，还掌握了拉丁文、希腊文
、法文、德文和意大利文。同时，又经常向父亲工场 里的工人和技师学习技术、制作各种机械模型和从事 化学、电学试验。
一、 瓦特生平
3 发现问题
这一时期，英国工匠斯米顿也在 考虑改进蒸汽机的问题。但他和 瓦特各自是按照完全不同的思路 分别改进过纽可门的蒸汽机。斯 米顿采用的纯粹是靠经验办法， 有条不紊、一个一个的试验样机 ，不改动基本的设计，只是改变 各个零部件的尺寸。就这样，他把纽可门蒸汽机的效 率提高了一倍。瓦特在1765年的一个星期日外出散心 的时候突然想到他的解决办法。他的想法是，纽科门 蒸汽机的主要缺陷在于每一冲程都要用冷水将汽缸冷 却一次，从而耗了大量热量，使绝大部分蒸汽没有被 有效利用。
1 蒸汽机的历史
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 压入容器，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。 但受当时材料和技术的 限制，无法推广。
2 纽可门机的缺陷
纽可门通过把压缩 蒸汽通入一个圆筒能 够产生局部真空，于 是大气压力就可以推 动圆筒里的活塞。那 样的蒸汽机，要把一 个大汽缸交替着加热 、冷却，当然是效率 极低，烧起煤来浪费非常大。但是，纽科门的蒸汽 机起初是用于煤矿，那里的煤价甚低，使用起来还是 合算的，所以很快便被广泛采用。不过，对煤的大量 浪费毕竟是那种机器的严重缺点，特别是用于别的地 方时成本就太高，因此迫切需要提高蒸汽机的效率。
1 蒸汽机的历史
纽可门及其助手卡 利在1705年发明了大 气式蒸汽机，用以驱 动独立的提水泵，被 称为纽科门大气式蒸 汽机。这种蒸汽机先 在英国，后来在欧洲 大陆得到迅速推广。 纽科门大气式蒸汽机的热效率很低，这主要是由于 蒸汽进入汽缸时，在刚被水冷却过的汽缸壁上冷凝而 损失掉大量热量，只在煤价低廉的产煤区才得到推广 。
3 发现问题
瓦特发现这种蒸汽机的两大缺 点：活塞动作不连续而且慢； 蒸汽利用率低，浪费原料。以 后，瓦特开始思考改进的办法 。针对这一缺陷，瓦特提出了 减少蒸汽消耗、提高热机效率 的两项措施：一，为了使汽缸始终保持蒸汽所必须具 有的温度，必须在汽缸外加上绝热外套或用其他方法 对汽缸加热；二，使作功后的蒸汽尽可能快地冷却， 液化成水并要使这一过程在汽缸外进行。
1 蒸汽机的历史
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，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。
安然与世长辞了。在瓦特的讣告中，对他发明的蒸汽机 有这样的赞颂：“它武装了人类，使虚弱无力的双手变 得力大无穷，健全了人类的大脑以处理一切难题。它为 机械动力在未来创造奇迹打下了坚实的基础，将有助并 报偿后代的劳动。”
一、 瓦特生平
瓦特终生刻苦学习，孜孜不倦地 致力于科学事业，在前人成就的 基础上，发明了蒸汽机，为人类 科学技术的发展作出了划时代的 贡献。他生前对人类的科学事业 作出了杰出的贡献，各国人民怀
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。
二、瓦特和蒸汽机
塞维利修改了巴本的设 想，于１６９８年，设计 发明了第一台实际应用于 矿井抽水的蒸汽机，第一 次真正把蒸汽变成了工业 动力。这是一种有一定意 义的实用无活塞式蒸汽机 。这种机器在矿井中得到应用，被称为“矿山之友 ”。但是这种机器还是有许多缺陷必须克服：它的热 损失极大，效率很低；由于靠大气压力汲水，使其工 作受到限制；而且也很不安全。