蒸汽机

蒸汽动力技术的产生,主要源于当时的社会生产的直接推动和当时的实验科学的长期孕育。英国资产阶级革命为资本主义的发展扫清了道路，在工厂手工业的迅速发展中，社会需要促使了早期蒸汽机的问世。在十六世纪末和十七世纪初，包尔塔进行了蒸汽压力实验，托里拆利和巴斯噶等进行了大气压力实验，那末格里凯进行了真空作用实验。这三大实验基础的相继形成，使人们得以从实验上开始认识蒸汽、大气和真空的相互作用。而这些重大的实验成果也就为早期蒸汽动力技术的产生奠定了牢固的实验科学基础。
最先把蒸汽动力技术的设想付诸实施的，是法国著名物理学家、工程师巴本(Denis Papin 1647-1712)。从1674年开始，巴本即致力于蒸汽泵的实验设计。经过一段时间的实验研究与理论探索，他从欧洲当时的炼铁场广泛使用的那种活塞式风箱中受到启发，认为有可能把风箱变为汽缸，而把风箱中的活塞变为汽缸中的活塞。在实验时，他先将汽缸的底部注入少量的水，再把汽缸放到火上加热。当汽缸内的水沸腾后，蒸汽即推动活塞慢慢上升；然后，又把火从汽缸下抽掉，汽缸内的蒸汽即慢慢冷凝。由于蒸汽的冷凝，汽缸内产生真空，在大气压力的推动之下，活塞又慢慢下降。通过这一实验，使巴本认识到，利用蒸汽压力、大气压力、真空作用的交互作用，完全可以推动汽缸内的活塞及其活塞杆作往返的直线运动。而这种运动所产生的机械动力可以带动其他机械的运动。在发明带有活塞的蒸汽泵之后，考虑到蒸汽压力大可能会使汽缸爆炸，巴本又在1680年发明了安全阀。这样，第一台可以把热能转变为机械能的实验型的蒸汽泵，就于1680年在英国试验成功了。 
继巴本之后，在近代蒸汽动力技术的发展中作出重要贡献的是英国机械工程师赛维利(T.Savery 1650-1715)。赛维利的蒸汽泵的设计原理源于包尔塔的蒸汽力原理。他的蒸汽泵的主要构件，是汽缸与锅炉。赛维利的汽缸与巴本的汽缸很不相同。赛维利的汽缸未采用活塞，只是在其中接有吸水管、排水管和进汽管。当蒸汽从锅炉经过汽管进入汽缸后即使这部分蒸汽冷却，而冷却后造成的真空就把矿井中的水从吸水管中吸进来，此时再将蒸汽注入汽缸，这部分进入汽缸的蒸汽所产生的压力就把水从排水管中排放出来。后来，赛维利研究了巴本的蒸汽泵，在他的蒸汽泵中也采用了安全阀。1695年，赛维利制造出了几台这样的蒸汽泵。这是近代蒸汽动力技术的第二次突破。 
后来，纽可门研究了赛维利蒸汽泵，他认为赛维利蒸汽泵有两大缺点。一大缺点是热效率太低。纽可门在设计上作了重要革新：他不让冷却水直接进入汽缸，而是把冷却水通过一个细小的龙头向汽缸内进行喷溅。另一大缺点是赛维利蒸汽泵基本上还是一种水泵，而不是典型的动力机。针对这一点，他在赛维利蒸汽泵中引入了巴本的活塞装置，这样蒸汽压力、大气压力和真空即可在交互作用下推动活塞装置，蒸汽压力、大气压力和真空即可在交互作用下推动活塞作往复式的机械运动。而这种机械运动一旦传递出去蒸汽泵也就成为了蒸汽机。 
由于进行了上述三次研究和革新，一台近代蒸汽机的完整蓝图基本上设计出来了。1705年，纽可门、考利和赛维利一道，终于试制出了第一台真正算得上是动力机的蒸汽机。
从巴本蒸汽泵到纽可门蒸汽机的早期蒸汽动力技术的发展，已最初向人类社会预告了即将兴起的第一次工业革命的信息，特别是预告了蒸汽时代的即将到来。 
在工业革命中，大量的发动机被应用，这促使作为机械员的瓦特对改进蒸汽机产生了兴趣。瓦特自1764年开始改进纽可门蒸汽机的工作。他回忆说："当年格拉斯哥大学把修理一台纽可门蒸汽机的任务交给我。在修理的过程中，我深感它的不足，所以决心动手研制一种性能较好的蒸汽机。" 瓦特当时告诉记者，纽可门蒸汽机有两大缺点：燃料耗量大而效率低，另外就是它只能作往返的直线动作。因此，除了用于矿井抽水之外，纽可门蒸汽机没有其他用途了，而它浪费的蒸气可达八成以上。 
经过一番努力，瓦特发现了纽可门蒸汽机效率低的原因与解决方法：既然蒸汽具有弹性，只要把汽缸和另一个容器相连接，让蒸汽接入其中，就不需一再冷却汽缸，浪费了许多热量了。 
瓦特紧接着设计了一个与汽缸分离的冷凝器，并在汽缸外面加了绝热套，使汽缸保持在高温工作状态。一台运作正常的蒸汽机终于"出炉"了! 
在缺乏资金的情况下，瓦特当时向一名工厂老板贷款，但由于机件陈旧不合标准，冷凝器因蒸汽机不断从活塞旁漏汽而无法正常操作，使得工厂老板停止对他的资助。 
幸好瓦特得到著名铁商博尔顿的赏识，出资与他成立了博尔顿-瓦特公司，让他在无后顾之忧的情况下，专心从事蒸汽机的实验和生产。 
瓦特在新设计的蒸汽机上安装曲轴、连杆等器件，使它更为自动化。这些重大的改进，使工厂和交通运输等方面都能使用蒸汽机。因此蒸汽动力的巨大潜能被逐渐的发掘了出来。 
　　纽可门蒸汽机问世以后，就被广泛的应用于社会生产的各个行业。但是在世界上引起重大变革的是瓦特蒸汽机。 
当然，瓦特蒸汽机的历史影响是在它问世后半个多世纪内逐渐发生的。然而，它的历史影响正是以它的发明问世为历史起点的。从八十年代初开始，以蒸汽机为主要标志的第一次工业革命，首先在英国，然后在西方各国迅猛发展起来。在生产方式上，瓦特蒸汽机的发明，为最终实现由工场手工业向机器大工业的变革提供了强大的杠杆。自此之后，首行在英国，其后在法国、德国、荷兰、瑞典等国家，都先后实现了由工场手工业转变为机器大工业的这场生产方式的大变革。由于生产方式的变革，整个社会生产面貌也为之一新。当瓦特蒸汽机革新成功以后，英国当时正急切需要动力的第一次工业革命得到了适用广泛的强大的动力机，从此，第一次工业革命以更加迅猛的声势向前发展。 
采矿业，纺织业和冶金业是当时的工业革命的主要行业。在采矿业中，1783年，英国著名的康沃尔采矿中心的所有纽可门蒸汽机几乎全部为瓦特蒸汽机的取代。随后，在其他金属矿区、在煤矿，原有的纽可门蒸汽机也相继被瓦特蒸汽机所取代。 
在纺织业中，1785年，诺定昂郡建立了英国的第一座蒸汽纺织厂。由于采用瓦特蒸汽机作为原动机，使纺织厂打破了必须建在河谷地区的地理条件的限制，使纺织业的发展进入了一个新的时期。 
在冶金业中，从1790年开始，许多炼铁厂相继采用蒸汽机来开动更大的鼓风机，来为更大的高炉提供更大的风力。在此之前，炼铁工人达比已在1780年发明焦炭炼铁法。新的燃料加上新的动力，使高炉越建越大，产量越来越高。1788年，英国的生铁产量为61300吨，而在各炼铁厂相继采用蒸汽机后，到了1796年，英国的生铁产量即猛增到125000吨。 
由于社会生产对瓦特蒸汽机制需求量越来越大，这也使以蒸汽机的制造为主体的机器制造业也随之发展起来。自此之后，车床、刨床、钻床、磨床等各种机床制造工业以及纺织，采矿、冶金、运输等各种工种工作机的制造业也相应地发展起来。以农业机械为例，在十八世纪末和十九世纪初，在英国的许多大农场就相继出现了播种机、收割机、打谷机、割草机等多种农业机械。尽管这些最农业机械都是以人力或畜力为动力的，但它们却是瓦特蒸汽机在推动第一次工业革命的深入发展中结出的技术果实。这说明，第一次工业革命的风暴不但在工业领域迅速发展，而且迅速地波及到工业以外的其他领域。
另外，在科学技术上，在生产关系上，瓦特蒸汽机的发明也起到了重要作用。瓦特蒸汽机的发明，第一次大规模地把热能转变为机械能，这就直接推动了科学、热力学和能量转化方面的基础理论的研究，同时了直接推动了纺织、采矿、冶金、机械等各类技术科学的发展。 
瓦特蒸汽机的发明，也为生产关系的革命提供了有力的杠杆。自此之后，由于机械大工业的迅速发展，社会日益分成两大明显对立的阶段：无产阶级和资产阶级。机器大工业反无产阶级一次又一次抛向街头，无产阶级革命也就一次又一次发生，从而把西欧一些主要资本主义国有推向了一个新的社会发展阶段。

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