瓦特:工业革命的旗手

  库斯·斯通的这幅画是根据瓦特的表妹讲述的故事而绘。瓦特似乎在很小的时候就对蒸汽着迷,用餐时,瞧着从茶壶里冒出的蒸汽在银调羹上凝结成水滴,他感到非常惊奇。

  有一个流传很广的故事说,詹姆斯·瓦特(1736—1819)小时候因看到火炉上烧的水开后,水壶壶盖被蒸汽掀动而受到启迪,意识到蒸汽的力量,并导致了蒸汽机的发明。这一传奇固然有趣,但却简化乃至掩盖了科学发明的曲折历程及其真实的历史条件。

  事实上,以蒸汽为动力使引擎运行的概念在两千多年前的古埃及时期就有了,而由瓦特的同胞托马斯·纽科门(1663—1729)发明的一种蒸汽机,早在瓦特出生之前也已问世。——瓦特的故事,就从1763年讲起吧。

  那年的某一天,正在英国格拉斯哥大学兼任教具实验员和仪器修理工的瓦特接到一项任务:给一台运转不灵的纽科门蒸汽机模型动动“手术”。他在拆装、研究这台老式机器时注意到其效率很低,在设计上似乎很不合理。

  纽科门蒸汽机的基本原理是将压缩蒸汽通入一个圆筒型汽缸中并冷凝,产生局部真空,于是借助大气压力就可以推动汽缸里的活塞带动装置工作(比如从矿井里抽水)。不过,在这一过程中,汽缸要交替着加热、冷却,燃煤浪费极大。

  能不能让汽缸一直保持不冷而活塞又能照常工作呢?27岁的瓦特下决心改进蒸汽机。他认识到问题的症结是:在汽缸内反复冷凝既费时又耗能,且真正用于做功的热能很少。因此,需要找到一种在蒸汽冷凝之后保持汽缸壁热度的方法。

  1765年的一天午后,瓦特在散步时突然想到,为什么不能把汽缸里的蒸汽引到别处去冷却呢?这样不就既可保持汽缸温度,又可使蒸汽冷却产生真空吸力吗?根据这个思路,他设计了把冷凝过程从汽缸中分离出来的分离式冷凝器。

  这个发明上的巨大飞跃,在蒸汽机的发展中起到了关键性作用。随后,瓦特又对汽缸进行了很大的改进:包上厚厚的保温层,给汽缸加盖,给活塞加密封垫圈。上述成果使蒸汽机的效率大大提高,并使瓦特获得了第一项专利。这项专利权是“一种新的在火力发动机中减少蒸汽和燃料消耗的发明方法”。

  在完善他新设计的蒸汽机的过程中,瓦特付出了艰辛的努力。由于家境贫寒和体弱多病,出生于造船技工家庭的瓦特并没有受过完整的正规教育。有关机械制造和物理学方面的许多知识,他几乎都是通过自学和在生产实践中习得的。

  1765年至1767年这几年间,瓦特历经无数次失败,许多投资都打了水漂,甚至把投资人都搞破产了。他自己一度也曾负债累累、心灰意冷。但妻子一直鼓励他说:“即便此事不成,他事终会如愿。”

  1773年,瓦特的妻子不幸病逝,此前他们的两个孩子也先后夭折。“决不放弃希望!”想起妻子生前对他的鼓励,瓦特更加坚定了信心:“我知道苦难自有周期,但我必须承受更多。”此时,他也更加清晰地意识到,控制能量是技术、经济和物质进步的关键所在。所幸,不久他即遇到了知音,一个颇有眼光的合作伙伴、伯明翰一家大型制造业业主马瑟·博尔顿。

  智慧与资本的有效结合大大推动了新型蒸汽机的研制进程。通过行星齿轮和惯性飞轮,瓦特将活塞的往复运动变为旋转运动;通过使用平行四边形运动杆,又把汽缸单向做功变为双向做功。这些关键的技术革新极大地提高了蒸汽利用效率。

  瓦特研制的蒸汽机因为实用性强且马力充足,而使它能够在机械制造、纺织、交通等几乎整个工业部门得到了广泛的应用,并使这些领域发生了深刻的变革。不久之后,蒸汽机又被应用于火车与轮船。世界进入了“蒸汽机时代”。

  瓦特蒸汽机为第一次工业革命提供了机械动力,使得他在推动工业革命的全面爆发方面扮演了重要的角色,他由此也被誉为“工业革命的旗手”“创造出19世纪的人”。在长达150年的时间里,世界靠蒸汽运转。这种状况一直持续到电力发动机的出现。后来问世的内燃发动机和汽油发动机使蒸汽机退出了运输系统,然而,蒸汽机的历史功勋不可磨灭。

  1785年,瓦特因蒸汽机改进的重大贡献,被选为英国皇家学会会员。他还取得了其他一些成就。例如发明气压表、汽动锤、平行传动装置,引入了第一个功率单位——马力。后人为了纪念他,将功率的单位称为瓦特(“W”)。

  晚年的瓦特,生活富足,誉满全球。他是幸运的,在他那个时代,很少有哪个发明家能够同时做到钱袋鼓鼓而又备享殊荣。他以勤勉奋斗、光辉灿烂的一生,铸就了一个时代的科学精神,成为一个时代的精彩写照。

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