推動世界的蒸汽

近代蒸汽動力技術的產生，主要源于當時的社會生產的直接推動和當時的實驗科學的長期孕育。英國資產階級革命為資本主義的發(fā)展掃清了障礙，在工廠手工業(yè)的迅速發(fā)展中，社會需要促使了早期蒸汽機的問世。

在16世紀末和17世紀初，包爾塔進行了蒸汽壓力實驗，托里拆利和巴斯噶等進行了大氣壓力實驗，那末格里凱進行了真空作用實驗。這三大實驗基礎的相繼形成，使人們得以從實驗上開始認識蒸汽、大氣和真空的相互作用。而這些重大的實驗成果也就為早期蒸汽動力技術的產生奠定了牢固的實驗科學基礎。

最先把蒸汽動力技術的設想付諸實施的，是法國著名物理學家、工程師巴本。從1674年開始，巴本即致力于蒸汽泵的實驗設計。經過一段時間的實驗研究與理論探索，他從歐洲當時的煉鐵場廣泛使用的那種活塞式風箱中受到啟發(fā)，認為有可能把風箱變?yōu)槠祝扬L箱中的活塞變?yōu)槠字械幕钊Ｔ趯嶒灂r，他先將汽缸的底部注入少量的水，再把汽缸放到火上加熱。當汽缸內的水沸騰后，蒸汽即推動活塞慢慢上升；然后，又把火從汽缸下抽掉，汽缸內的蒸汽即慢慢冷凝。由于蒸汽的冷凝，汽缸內產生真空，在大氣壓力的推動之下，活塞又慢慢下降。

通過這一實驗，使巴本認識到，利用蒸汽壓力、大氣壓力、真空作用的交互作用，完全可以推動汽缸內的活塞及其活塞桿作往返的直線運動。而這種運動所產生的機械動力可以帶動其他機械的運動。在發(fā)明帶有活塞的蒸汽泵之后，考慮到蒸汽壓力大可能會使汽缸爆炸，巴本又在1680年發(fā)明了安全閥。這樣，第一臺可以把熱能轉變?yōu)闄C械能的實驗型的蒸汽泵，就于1680年在英國試驗成功了。

繼巴本之后，在近代蒸汽動力技術的發(fā)展中做出重要貢獻的是英國機械工程師賽維利。賽維利的蒸汽泵的設計原理源于包爾塔的蒸汽力原理。他的蒸汽泵的主要構件是汽缸與鍋爐。賽維利的汽缸與巴本的汽缸很不相同。賽維利的汽缸未采用活塞，只是在其中接有吸水管、排水管和進汽管。當蒸汽從鍋爐經過汽管進入汽缸后即使這部分蒸汽冷卻，而冷卻后造成的真空就把礦井中的水從吸水管中吸進來，此時再將蒸汽注入汽缸，這部分進入汽缸的蒸汽所產生的壓力就把水從排水管中排放出來。

后來，賽維利研究了巴本的蒸汽泵，在他的蒸汽泵中也采用了安全閥。1695年，賽維利制造出了幾臺這樣的蒸汽泵。這是近代蒸汽動力技術的第二次突破。

后來，紐可門研究了賽維利蒸汽泵，他認為賽維利蒸汽泵有兩大缺點。一大缺點是熱效率太低。紐可門在設計上作了重要革新：他不讓冷卻水直接進入汽缸，而是把冷卻水通過一個細小的龍頭向汽缸內進行噴濺。另一大缺點是賽維利蒸汽泵基本上還是一種水泵，而不是典型的動力機。針對這一點，他在賽維利蒸汽泵中引入了巴本的活塞裝置，這樣蒸汽壓力、大氣壓力和真空即可在交互作用下推動活塞裝置，蒸汽壓力、大氣壓力和真空即可在交互作用下推動活塞作往復式的機械運動。而這種機械運動一旦傳遞出去蒸汽泵也就成為了蒸汽機。

由于進行了上述三次研究和革新，一臺近代蒸汽機的完整藍圖基本上設計出來了。1705年，紐可門、考利和賽維利一道，終于試制出了第一臺真正算得上是動力機的蒸汽機。

在工業(yè)革命中，大量的發(fā)動機被應用，這促使作為機械員的瓦特對改進蒸汽機產生了興趣。瓦特自1764年開始改進紐可門蒸汽機的工作。他回憶說：“當年格拉斯哥大學把修理一臺紐可門蒸汽機的任務交給我。在修理的過程中，我深感它的不足，所以決心動手研制一種性能較好的蒸汽機。”

瓦特認為紐可門蒸汽機有兩大缺點：燃料耗量大而效率低，另外就是它只能作往返的直線動作。因此，除了用于礦井抽水之外，紐可門蒸汽機沒有其他用途了，而它浪費的蒸汽可達八成以上。

經過一番努力，瓦特發(fā)現了紐可門蒸汽機效率低的原因與解決方法：既然蒸汽具有彈性，只要把汽缸和另一個容器相連接，讓蒸汽接人其中，就不需一再冷卻汽缸而浪費許多熱量了。

瓦特緊接著設計了一個與汽缸分離的冷凝器，并在汽缸外面加了絕熱套，使汽缸保持在高溫工作狀態(tài)。一臺運作正常的蒸汽機終于“出爐”了!

在缺乏資金的情況下，瓦特當時向一名工廠老板貸款，但由于機件陳舊不合標準，冷凝器因蒸汽機不斷從活塞旁漏汽而無法正常操作，使得工廠老板停止對他的資助。

幸好瓦特得到著名鐵商博爾頓的賞識，出資與他成立了博爾頓一瓦特公司，讓他在無后顧之憂的情況下，專心從事蒸汽機的實驗和生產。

瓦特在新設計的蒸汽機上安裝曲軸、連桿等器件，使它更為自動化。這些重大的改進，使工廠和交通運輸等方面都能使用蒸汽機。因此蒸汽動力的巨大潛能被逐漸地發(fā)掘出來。