△天工巧匠瓦特和蒸汽机 

如果说,第一次工业革命的火炬是由飞梭,珍妮纺机等工作机的革命点燃的话,那么第一次工业革命的狂飙则是由瓦特对纽可门蒸汽机的革命兴起的。纽可门蒸汽机自1705年发明之后,即在矿山作为一种抽水泵的动力机使用。1712年前后,英国所有煤矿的抽水泵差不多都用上了蒸汽机。此外,在一些金属矿上也装上了蒸汽机。到了20年代初,这种新式的引擎还远销欧洲大陆上的一些国家。但是,由于当时的社会生产尚未对动力机产生更大的需求,所以纽可门蒸汽机问世之后,一直仅限于在矿山作为抽水泵的引擎使用。也正因如此,在它问世后的50多年里,仍然停留在原有的技术水平,一直未能得到什么发展。

瓦特(17361819年)生于苏格兰西部的格里诺克小镇的一个工人家庭。他的父亲、祖父和叔父都是技术工人。由于家里贫穷,他仅受到初等教育。然而,瓦特自幼非常勤奋,同时也极爱工艺。1754年,瓦特前往格拉斯哥的一家工场当了机械工学徒。但好学的瓦特深深地感到在格拉斯哥的工场里似乎学不到什么真正意义上的技术。他于是决心前往伦敦,当时英法之间爆发了一场战争,伦敦的局势动荡不安,瓦特只得重返格拉斯哥。1757年,瓦特来到一个机械车间当上了机修工,这个机械车间附属于格拉斯哥大学。此后,瓦特开始刻苦地学习机械技术。当时的机械技术,主要还是一些工匠传统和工匠经验,但其中已含有丰富的机械原理与机械工艺知识。这些经验和技术,为瓦特后来革新纽可门蒸汽机打下了坚实的技术基础。

到了50年代中后期,随着工作机革命的深入发展,动力机的革命已被提到第一次工业革命的议事日程,一些人开始着力于动力机的革命。而机修工瓦特则是其中的先驱者。在修理机器与仪表之余,瓦特于1759年即开始进行蒸汽技术的实验和研究。他曾利用从格拉斯哥大学的实验室找来一个巴本的蒸汽泵进行了一些蒸汽动力实验,这些初步的实验研究,使他对蒸汽机的动力技术有了最初的认识。瓦特所在的机修车间,与该校的一些教师与学生的关系颇为密切。当时,英国著名化学家布莱克也在格拉斯哥大学任教。1754年,布莱克从有关燃烧的实验与理论研究开始转入热化学和热学研究。1756年,布莱克首先将热与温度的概念区别开来,并提出了“潜热”与“比热”等新的热学理论。布莱克的这些理论成就,奠定了量热学以及整个热学的基础。布莱克是一个十分重视理论科学的实验基础的科学家。他也常去车间参观,并在参观中结识了瓦特。布莱克对这个年龄比他小八岁的机修工颇为赏识,从此他便成了瓦特的老师和朋友。在与布莱克的交往中,瓦特向布莱克学到了“潜热”和“比热”这些最初的热学理论知识, 同时也懂得了计算温度、热量与压力之间的相互关系。尽管布莱克在奠定最初的热学基础时所提出的“热质说”这一有关热的本质的理论是错误的,但这并不影响对热量,温度与压力之间的数据分析。如果说,瓦特的工匠技术为他以后革新纽可门蒸汽机打下了技术基础,对巴本的蒸汽泵的研究打下了最初的实验基础,那么,布莱克的热学理论则为他打下了一定的理论基础。从瓦特最初来到格拉斯哥大学的1757年开始,到1760年为止,在四年多的时间内,瓦特已成为一个不仅具有工匠的技术实践经验,而且具有学者的科学理论知识的青年机械师。

在初步具一定的技术基础、实验基础与理论基础之后,瓦特产生了革新纽可门蒸汽机的强烈愿望。当时,人们把纽可门蒸汽机称为“火机”,虽然它在矿山已普遍使用,但在大学还不易见到。要革新纽可门蒸汽机,首先必须研究纽可门蒸汽机。幸运的是,1761年,在瓦特的要求下,同时也在布莱克的支持下,格拉斯哥大学从伦敦借来了一台需要修理的纽可门蒸汽机供瓦特研究使用。瓦特正式开始了革新纽可门蒸汽机的研究工作。自从那台纽可门蒸汽机从伦敦运到格拉斯哥大学之后,瓦特立即对它的机械结构与工作原理进行了细致的研究。他发现它有两大明显的缺点:一是它的耗煤量大,热效率低;二是它所传送出来的动力只能作往返运动。正是这两大缺点阻碍了它的进一步推广使用。可是,要找到纽可门蒸汽机的热效率低的原因在哪里却不是一件容易的事。他发现,当蒸汽进入汽缸后,温度即上升到100℃,可是为了得到真空,必须马上在汽缸内将蒸汽用冷水喷注冷凝。当冷水喷入汽缸后,汽缸内的温度即下降到20℃。这样一开一降,活塞才能完成一个冲程的往返动作。而这样一个冲程中,热量遭到两次浪费。当蒸汽进入汽缸时,它必须花费足够的热量使汽缸本身的温度由20℃上升到100℃;当冷水进入汽缸时,冷凝水又带走了大量的热量。这样一热一冷,热量浪费极大。瓦特运用布莱克的热学理论,对那台纽可门蒸汽机的作功过程进行了测量和分析,确认这正是纽可门蒸汽机热效率低的主要原因。这时,借来的纽可门蒸汽机归还期到了,机器被运走后,瓦特没有样机继续进行实验,只得进行一些理论的探索。在理论研究中,瓦特再次钻研了布莱克的热学理论,通过对纽可门蒸汽机热效率的进一步理论分析,使瓦特进一步看清了纽可门蒸汽机的汽缸内冷这一最主要的缺点。

发现问题是一回事,可是要解决它,还要有待于许多艰苦而繁琐的探索工作的完成。此后又经过两年多的努力,到了1765年春天,有一次出外散步时,瓦特灵感猝发,想到既然纽可门蒸汽机的热效率低是由于蒸汽在汽缸内冷凝造成的,反过来,为什么不能让作功后的蒸汽在汽缸外冷凝呢?这样,瓦特便产生了采用分离冷凝器的最初设想——绝对巧妙的一个想法。在产生采用分离冷凝器的最初设想之后,瓦特立即付诸实践,在同年设计了世界上第一台带有分离冷凝器的蒸汽机。按照设计,冷凝器与汽缸之间用一个调节阀门相连,通过阀门控制,使它们既能连通,又能分开。这样,既可把作功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,但却避免了汽缸在一热一冷过程中的热量消耗。瓦特认为不出意外的话,这种新的蒸汽机的热效率将是纽可门蒸汽机的热效率的三倍!从理论上看,瓦特的这种带有分离冷凝器的蒸汽机显然优于纽可门的蒸汽机。

设想终究是设想,要把理论上的东西成为实际上的东西,要把想象的蒸汽机变成真实的蒸汽机,不知要遇上多少困难。而瓦特知难而上,开始了研制新式的蒸汽机和工作。资金、设备、材料、技工这些是开展工作所必需的,可是,瓦特本人只有35磅的年薪,除去用来买面包的那部分以外,所剩无几。就在这时好友布莱克向瓦特伸出了友爱之手,他把瓦特介绍给自己的一个朋友:化工技师罗巴克。罗巴克是一个富有的企业家。1760年,罗巴克又在苏格兰的卡隆开办了第一座规模较大的炼铁厂。罗巴克当时已近50岁,他以对科学技术发明的热情与瓦特进行合作。他对当时只有30来岁的瓦特的雄心壮志深表赞赏。罗巴克与瓦特一拍即合,瓦特终于又能开展他的研究工作了。从1766年开始,在三年多的时间内,瓦特解决了材料和工艺等方面的种种困难,终于在1769年生产了第一台样机。同年,瓦特以发明分离冷凝器,获得他在革新纽可门蒸汽机的过程中的第一个专利。瓦特的第一个设想终于实现了。第一台带有分离冷凝器的蒸汽机虽然试验成功了,但是同纽可门蒸汽机相比,除了热效率有显著提高之外,在作为动力机而带动其他工作机的性能方面,仍未能取得实质性的进展。这就是说,瓦特的这种蒸汽机,还是无法作为真正的动力机。这一切预示着改良蒸汽机是一条漫长而艰苦的道路。由于瓦特的这种蒸汽机仍不够理想,所以在试制成功之后,销路并不好。由于研究工作的巨大耗费,此时罗巴克本人已濒于破产,无力对瓦特继续进行经济上的资助。瓦特在这一段时间内颇有失望之感甚至感到绝望。

中国有句古语:“天将降大任于斯人也,必先苦其心智,劳其筋骨。”瓦特并没有在失望中沉沦下去。他欣喜地看到,纽可门蒸汽机的热效率低这一大缺点已为他所克服。现在的主要问题是,如何克服纽可门蒸汽机只能作往返运动这一缺点,把蒸汽机变成能带动各种工作机的原动机。罗巴克对科学的热心并没有变,他又将瓦特介绍给自己的朋友,工程师兼企业家博尔顿,以便使瓦特的研制工作能够继续进行下去。博尔顿当时40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,并表示愿意把罗巴克的那份股份买进来,以资助瓦特继续进行新式蒸汽机的研制工作。博尔顿是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,大都是该地的一些科学家、工程师、学者以及其他一些科学爱好者。例如,创立生物进化论的达尔文的祖父——医生兼博物学家伊·达尔文(17311802);英国陶器事业的奠基人、高温计的发明者,后来成为皇家学会会员的韦奋伍德,气体照明的发明家默多克(17541839),化学家普列斯特等人,都曾是这个学社的主要成员。

经过博尔顿的介绍,瓦特也加入了圆月学社。以后的事实证明,这使他受益匪浅,在圆月学社活动期间,瓦特和化学家普列斯特等人的交往,使他对当时人们关注的气体化学和热化学有了更多的了解,并进行了一些初步的实验研究。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。瓦特自与博尔顿合作之后,博尔顿即在资金、设备、材料和人力各方面给予大力资助。从1775年开始,瓦特即致力于生产这种带分离冷凝器的蒸汽机。到了1776年,瓦特终于组装出了两台。但是,由于这种蒸汽机比他在1769年试制的那种蒸汽机的样机并没什么显著的改进,所以也没有引起社会的关注。

瓦特在1776年组装出的两台蒸汽机虽然仍不成功,但耗资却不少。瓦特因此债台高筑,博尔顿也因此濒于破产。这时,瓦特的一个朋友为他在俄国找到了一个年俸为1000英镑的职务,劝他到俄国去工作,以摆脱当时的经济困境,但是,瓦特所想到的仍然是他的蒸汽机。博尔顿虽然因资助瓦特而近于破产,但他仍然给瓦特以慷慨的资助。由于瓦特本人具有百折不挠的毅力,同时也由于博尔顿具有舍身相助的精神,终于使瓦特的新式蒸汽机的研制工作得以继续进行下去。自1769年试制出那台带有分离冷凝器的样机之后,瓦特即已看到,热效率低已不再是他的蒸汽机的最主要的弊病,而活塞仍只能作往返的直线运动才是它的根本局限。在1776年组装那两台带有分离冷凝器的蒸汽机时,瓦特已感到解决这一问题的紧迫性。1781年,在参加圆月学社的活动中,瓦特听到会员们谈到天文学赫舍尔在当年发现的天王星以及由此引出的行星绕日的圆周运动的消息,也许是这个消息启发了他,也许是钟表中的齿轮的圆周运动启发了他。他想,如果能把活塞的往返直线运动转变成旋转的圆周运动,那不就可以使动力源源不断地传给任何工作机吗?同年,他研制出了一套被称为“太阳和行星”的齿轮联动装置,凭藉这套装置他终于把活塞的往返直线运动转变为轮轴的旋转运动。由于有了这种齿轮联动装置,旋转的轮轴可通过齿轮或链条带动任何工作机。为了使轮轴的旋转增加惯性,从而使圆周运动更加均匀,瓦特还在轮轴上加装了一个大飞轮。由于对传动机的这一重大革新,瓦特的这种蒸汽机才真正成为能带动一切工作机的动力机,才真正成为开动一切工作机的万能机。这一成果大大增加了蒸汽机的实用性。1781年底,瓦特以发明带有齿轮和拉杆的机械联动装置获得了第二个专利,从而实现了他在革新纽可门蒸汽机过程中的第二次飞跃。

瓦特在1781年试制成功的带有齿轮联动装置的蒸汽机由于加上了轮轴和飞轮,使得蒸汽机在把活塞的往返直线运动转变为轮轴的旋转运动时,要多消耗不少无谓的能量。这样,使得蒸汽机的效率仍大打折扣,动力也因此而受到限制。为了进一步提高蒸汽机的效率,增大蒸汽机的动力,瓦特在发明齿轮联动装置之后,对汽缸本身进行了分析和研究。他发现,他虽然把纽可门蒸汽机的内部冷凝变成了外部冷凝,使蒸汽机的热效率有了显著的提高,但他的蒸汽机中的蒸汽在推动活塞的冲程工艺上,与纽可门蒸汽机中的冲程工艺并没有什么两样。他的蒸汽机与纽可门蒸汽机一样,仍然是让蒸汽从一端进入,从另一端排出。这仍然是一种蒸汽的单向运动。他想,如果让蒸汽能够轮流从活塞两端进入和排出,就可让蒸汽推动活塞向上运动,也可让蒸汽推动活塞向下运动吗。这样,活塞在一上一下的一个冲程中,就可获得相等于原来两倍的动力。那么,它的效率和动力也将增加到原来的两倍。1782年,瓦特根据他的双向进入和排出蒸汽的设计,试制出了一种带有双向装置的新汽缸,把原来的单向汽缸组装成双向汽缸,并首次把引入汽缸的蒸汽由低压蒸汽改为高压蒸汽,从而又实现了他在革新纽可门蒸汽机过程中的第三次跃进。

带有飞轮和齿轮联动的双向高压蒸汽机发明之后,纽可门蒸汽机才完全演变为瓦特蒸汽机。1782年,瓦特以发明双向装置和引入高压蒸汽而取得他在革新纽可门蒸汽机过程中的第三个专利。自此之后,瓦特蒸汽机才真正成为一台工作机的原动机。

在研制蒸汽机的道路上,瓦特就像一匹不知疲倦的奔马,在蒸汽机领域不停地耕作着。如果从他最初接触纽可门蒸汽机的1761年算起,他经历了21年的漫长岁月。在21余年的时间内,瓦特虽然多次受挫,屡遭失败,但仍以对科学的执着和百折不挠的精神和毅力,通过对纽可门蒸汽机的三次大革新,终于实现了对纽可门蒸汽机的彻底革命。把那种最初仅仅能用于矿井抽水的蒸汽机,变成了即将翻转整个世界的“蒸汽机”,使人类社会由手工劳动时代进入了蒸汽机时代。1784年,瓦特又以带有飞轮、齿轮联动装置和双向汽缸装置的高压蒸汽机综合组装,取得了他在革新纽可门蒸汽机过程中的第四个专利。在第四个专利说明书中,瓦特详尽地说明了他的新式蒸汽机的种种性能和种种优点。特别是尽力避免把他的蒸汽机说成是一种特殊的工作机,而力求说明他的新式蒸汽机是一种万能的动力机,以使人们增加对新式蒸汽机的性能的认识和了解。