跨越不列顛—工業(yè)革命的弄潮兒—詹姆斯·瓦特

1763年初夏的一個午后，在蘇格蘭格拉斯哥大學的儀器修理鋪里，28歲的機械師，或者說修理匠，詹姆斯·瓦特接到了來自格拉斯哥大學的特殊任務(wù)，維修一臺紐科門蒸汽機的教具模型機。

格拉斯哥大學

由于瓦特這幾年在維修學校精密儀器儀表所表現(xiàn)出的高超技巧和動手能力，校方?jīng)Q定死馬當活馬醫(yī)，將這臺被運到倫敦專業(yè)廠都沒修好的神秘機器送到小有名氣的瓦特修理鋪，希望他來試試。

格拉斯哥大學

紐可門蒸汽機

這位蘇格蘭青年絕不會想到，眼前這個名為蒸汽機的神秘大家伙竟會成為自己為之奮斗一生的事業(yè)，而這次歷史性的邂逅，也將名不見經(jīng)傳的詹姆斯·瓦特推到了歷史的舞臺中央。

此后，他對蒸汽機的一系列改進和發(fā)明創(chuàng)造，世人將“工業(yè)革命之父”的帽子牢牢戴在了瓦特的頭上，也被人們稱為“偉大的蒸汽魔法師”（the Great Steamer）。

無論如何，蒸汽機的歷史意義，無論怎么夸大也不為過，詹姆斯·瓦特對人類的貢獻完全擔得上這一系列殊榮。

詹姆斯·瓦特和他的蒸汽機

對于我們普通人來說，最能彰顯瓦特存在的就是我們每個月的電費賬單。電費賬單上會寫明用電量，它以千瓦時（kWh）為單位。其中的大寫字母W就是代表瓦特，它是功率的單位。

那么，瓦特又是如何讓人類進入“蒸汽時代”，讓英國迸發(fā)出工業(yè)革命的浪潮呢？

瓦特改進蒸汽機后，人類社會發(fā)展指數(shù)直接

燒開水梗

對于人類文明，一直流傳著一個燒開水的梗，即五彩斑斕的人類能源文明，就是建立在各種花式燒開水之上的。青銅時代，我們利用薪柴燒開水煮食物；白銀時代，我們利用煤炭燒開水—蒸汽機出現(xiàn)了；

燒開水

白銀時代，我們利用煤炭燒開水—蒸汽機出現(xiàn)了；

黃金時代，我們利用煤炭-石油燒開水發(fā)電；

沙特石油發(fā)電廠

王者時代，我們利用核能燒開水發(fā)電。

核能發(fā)電

總之，就是離不開燒開水。

蒸汽機極簡史

我們都知道，蒸汽機的工作原理通俗點講，就是燒開水產(chǎn)生膨脹的蒸汽，蒸汽推動活塞做功，進而讓與活塞連接的各種機械做往復(fù)式運動，向外輸出動力。

蒸汽機

這里，我們提到了一個非常關(guān)鍵的部件—活塞。

活塞

其實最早進入工業(yè)領(lǐng)域?qū)嵱玫恼羝麢C沒有活塞，這種蒸汽機叫塞維利蒸汽機，發(fā)明與十七世紀末，即我國的清朝康熙年間，并于1698年取得名為“礦工之友”英國發(fā)明專利。

塞維利蒸汽機

這種蒸汽機利用容器中熱蒸汽冷卻后形成的真空，即利用內(nèi)外壓強差將水從水井中抽取上來。當然，這種常壓下的蒸汽壓力很有限，只能抽取不超過6米深的水，且過程不連續(xù)，各個閥門的啟閉都需要人工完成。

塞維利蒸汽機示意圖

顯然，這種蒸汽機只是初步具備實用意義，但這也是人類利用非自然力進行生產(chǎn)的開端。

對于活塞，其實在塞維利蒸汽機出現(xiàn)的十幾年前，就由法國物理學家丹尼斯·巴本發(fā)明。這位仁兄發(fā)明了高壓鍋和安全閥，并在對高壓鍋的蒸汽研究中，提出了用蒸汽推動汽缸中活塞的構(gòu)想。

因此，巴本完成了后世蒸汽機基本工作原理的設(shè)計。當然，以當時的制造水平，這注定是無法實現(xiàn)的，其中最為關(guān)鍵的活塞和缸筒之間的密封。

對于十七世紀的人們來說，根本無解，因為用于制造精度較高的缸筒的機床，100年后才由英國人約翰·威爾金森在制造火炮炮筒時發(fā)明了較高精度鏜床。而借由威爾金森的鏜床幫助，同時期的詹姆斯·瓦特才得以將他對蒸汽機的改進設(shè)想由設(shè)計圖紙變?yōu)閷嵨铮斎?，這是后話。

高壓鍋和安全閥

既然已經(jīng)有了巴本的設(shè)計藍圖，1712年，蘇格蘭鐵匠托馬斯·紐科門終于搞到精度勉強能用的活塞，以此發(fā)明了活塞式蒸汽機，即紐科門蒸汽機。

紐科門蒸汽機

紐科門蒸汽機利用活塞這一關(guān)鍵部件實現(xiàn)了蒸汽機自動循環(huán)運行。即蒸氣由鍋爐進入汽缸，在蒸氣壓力的作用下，汽缸中的活塞被頂至缸筒頂端，隨后打開冷水閥將冷水噴入氣缸，冷卻蒸氣形成真空，在大氣壓的作用下活塞被重新壓回去，完成一個工作循環(huán)，這種蒸汽機每分鐘可以循環(huán)往返16次，因此工作效率和實用性大大提升。

紐科門蒸汽機，需要人來操縱閥門

當時的英國采礦業(yè)，特別是煤礦，已發(fā)展到相當大的規(guī)模，單純依靠人力、畜力已難以滿足排除礦井地下水的要求，而現(xiàn)場又有豐富而廉價的煤作為燃料盡管煤耗頗高和只能直線往復(fù)運動，但對于用在煤礦抽水而言，這都不是問題，畢竟應(yīng)用場景在煤礦，煤炭量大管飽。

紐科門蒸汽機抽水原理

瓦特的發(fā)現(xiàn)

話說瓦特小師傅面對這臺紐科門蒸汽機模型，盡管從未見過這種機械裝置，當好歹也在格拉斯哥大學里修了7年精密儀器，和學校教授、學生們混了個臉熟，也借此機會旁聽學習了大量科學理論，特別是布萊克教授的潛熱理論。（潛熱是物質(zhì)發(fā)生相變過程中吸收或釋放出來的熱量，在這個過程中雖然熱量有變化，但是溫度是不變的。）

必須介紹一下，這位布萊克教授澄清了熱量和溫度是兩個不同的概念，由此提出了我們初高中階段物理書上著名的比熱容理論。

當理論和實物相遇，再結(jié)合瓦特小師傅的心靈手巧、刻苦專研，這臺蒸汽機還真被他給修好了。

機會確實只留給有準備的人。如果僅僅只是修完了事，恐怕歷史就會改寫。

瓦特小師傅正是這個有準備的有心人。他不僅修好了這臺紐科門蒸汽機，還精心研究了這種熱機的工作原理和耗煤量大但是效率低的癥結(jié)所在。

詹姆斯·瓦特

瓦特發(fā)現(xiàn)，這種蒸汽機的工作循環(huán)共有4個步驟，即加熱—膨脹—冷卻—收縮。在這一循環(huán)下，活塞可以循環(huán)往復(fù)運動。

這種紐科門蒸汽機有三個主要缺點：第一，活塞每被推動一次，汽缸里的蒸汽都要先冷凝，然后二次加熱進行下一次推動，從而使得蒸汽80%的熱量都耗費在維持氣缸的溫度上面；第二，做功的是大氣壓，所以無法提高工作壓力，也就難以提高輸出功率；第三，只能單向做功。

可以說，瓦特的余生都在燃燒著他的聰明才智對上述這三個缺點進行改進克服。

詹姆斯·瓦特塑像

自然和自然規(guī)律隱匿在黑暗之中。上帝說:“讓牛頓降生吧!”于是一片光明。

瓦特的橫空出世

對于50多年都沒取得改進的蒸汽機，上帝說：“讓瓦特來吧”于是一片光明。

對于當時的瓦特而言，第一個缺點是最先解決的。即想要提高熱效率，蒸汽的加熱膨脹和冷凝必須分開在兩個獨立的空間。

冷凝器的發(fā)明，圖中C缸

靈感突至的瓦特設(shè)計了一個獨立的容器去冷卻蒸汽，即分離式冷凝器。于是，紐科門蒸汽機在被發(fā)明了50多年后，迎來了一次最為關(guān)鍵性的改進。

所以說，方向和努力很重要，但有時方向更為重要。這50多年一定有很多能工巧匠在研究蒸汽機，但由于方向不對，都淹沒在歷史長河中。而年輕的瓦特運用科學原理找對了方向，加上他的勤勉，成功自然而然。

格拉斯哥喬治廣場的瓦特像

對于發(fā)明冷凝器這個過程，瓦特這樣說道：“我在一個晴朗的午后去散步，從夏洛特大街的盡頭步入草原，路過古老而狹小的洗衣房，那時，我正在思考著發(fā)動機的事，當走到家畜小棚時，忽然閃現(xiàn)出下面
這種念頭：水蒸汽是彈性體。因此，它能依靠自己的力量流入真空。
如果把汽缸和廢汽貯罐用管道連接起來，水蒸汽也許會流入廢汽貯罐而冷凝，這就不必像以前那樣使汽缸冷卻導(dǎo)致水蒸汽在汽缸內(nèi)冷凝了?！?/p>

瓦特的跌宕起伏

有了設(shè)計還不行，建造蒸汽機模型需要大量資金。

在一生的摯友布萊克教授的推薦下，瓦特認識了約翰·羅巴克，一個對蒸汽機非常感興趣的鋼鐵商人。在他的資助下，1768年瓦特制成了一臺設(shè)有分離式冷凝器的單動作蒸汽機（活塞單方向推動做功）并于1769年取得英國專利。

瓦特改進的蒸汽機

但是，說話最怕說但是……

要將這種蒸汽機模型建造成實際工業(yè)用機，還有很長的路要走。汽缸和活塞的加工工藝問題一直是瓦特制造新蒸汽機面臨的巨大困難，漏氣問題不解決，工作效率就很難讓人滿意。由于遲遲進展不順，迫于養(yǎng)家糊口的需要，生活窘迫的瓦特被迫改行土木工程師，做了8年多的運河測量員。

蒸汽機模型

在此期間，瓦特遭遇人生中的雙重打擊，陷入低谷。為他生下6個兒女的妻子難產(chǎn)去世，而一直為他提供資金支持的羅巴克也因為金融危機的影響而破產(chǎn)。

可以說，這一刻，瓦特的生活和事業(yè)可用破碎來形容。不過羅巴克也算仗義，盡管自己無力再支持瓦特的蒸汽機，但他介紹了伯明翰的大商人馬修·博爾頓，這個商人也是蒸汽機愛好者。

伯明翰

于是，羅巴克和瓦特的合伙公司債務(wù)和專利所有權(quán)轉(zhuǎn)移至馬修·博爾頓。

博爾頓邀請瓦特前往伯明翰，和他一起繼續(xù)新蒸汽機的事業(yè)，并承諾為瓦特提供一切資金和技術(shù)上的支持。

瓦特和他的蒸汽機

由此，瓦特和博爾頓開始了他們長達25年堪稱典范的合作。

瓦特精于技術(shù)和各種奇思妙想，但不善商業(yè)，而博爾頓懂技術(shù)、更重要的是具備商業(yè)頭腦。他清晰地認識到，瓦特蒸汽機的光明未來，所以愿意傾盡家財與瓦特合伙研發(fā)蒸汽機。

為紀念這兩個偉大人物的突出貢獻，2011年3月，英國央行把詹姆斯·瓦特和馬修·博爾頓的肖像印在新版50英鎊紙鈔上，并配以瓦特的蒸汽機和博爾頓在索霍的工廠圖片。

博爾頓和瓦特

這兩個人的黃金組合，讓人不禁想到喬布斯和沃茲尼亞克。一個鉆研技術(shù)，一個富有前瞻性和商業(yè)頭腦。

喬布斯和沃茲尼亞克

曙光

有了博爾頓的資金、人脈和各種社會資源，瓦特的蒸汽機事業(yè)很快又走上正軌。

一直困擾瓦特的活塞和汽缸的密封，在博爾頓的介紹下，由約翰·威爾金森運用他改進火炮炮管加工精度時所發(fā)明的精密鏜孔加工機床，幫助瓦特得到了他所設(shè)想的汽缸筒壁加工精度。

1776年，瓦特的新蒸汽機終于在多方努力下，制造成功并投入工業(yè)生產(chǎn)。

為進一步提高效率，瓦特繼續(xù)為這臺蒸汽機的汽缸外設(shè)置了絕熱層、用油潤滑活塞、抽氣泵等多種新措施，大大降低了蒸汽消耗量，耗煤量只有紐科門機的1／4，動作也更迅速。

紐科門蒸汽機和瓦特蒸汽機的產(chǎn)量

當然，瓦特改進的這種蒸汽機可以說是紐科門機的加強版，還是只能提供直線往復(fù)運動，因此，其用途依舊是在煤礦抽水。盡管用途比較單一，但這款蒸汽機還是為瓦特贏得了大量煤礦安裝訂單，也由此賺到了人生的第一桶金。

瓦特蒸汽機

萬能原動機問世

故事進行到現(xiàn)在，好像瓦特改良老式蒸汽機已經(jīng)完成了。如果僅僅滿足于此，恐怕歷史又要改寫了。

商業(yè)嗅覺敏銳的博爾頓當然無法滿足于只在煤礦使用，他要求瓦特繼續(xù)研究，想辦法擴大這種蒸汽機的適用范圍，比如改直線往復(fù)運動為圓周運動，這樣蒸汽機就可以為當時已存在的絕大多數(shù)機器提供動力。

意識到這種近乎無窮無盡的應(yīng)用場景和無窮無盡的訂單，博爾頓和瓦特可謂激動得說不出話。

說干就干。瓦特帶領(lǐng)公司的機械工程師們開始研究。顯然，第一個容易想到的是曲柄連桿機構(gòu)。

曲柄連桿機構(gòu)

但是，該結(jié)構(gòu)專利在當時已被約翰·斯蒂德所注冊。當瓦特找到他時，斯蒂德竟然要求瓦特分享分離式冷凝器的專利，才許可瓦特使用他的專利。這種企圖，當然被瓦特所拒絕。

想要繞開這種顯而易見的結(jié)構(gòu)專利，在當時還是非常困難的，瓦特也由此陷入被動。

曲柄齒輪機構(gòu)

時代呼喚英雄，正當瓦特苦苦思索無果之時，瓦特手下的工程師威廉·默多克站了出來。1781年，他創(chuàng)造性得發(fā)明了一種“太陽與行星”的曲柄齒輪傳動機構(gòu)，并以瓦特的名義成功取得發(fā)明專利，從而幫助瓦特繞開了曲柄連桿傳動專利的限制。

瓦特蒸汽機

從此，天高任鳥飛，海闊憑魚躍。瓦特的蒸汽機終于可以輸出圓周運動，其應(yīng)用范圍大大擴展。

瓦特蒸汽機構(gòu)造

從此，瓦特的思路仿佛一下子徹底打開了。

1782年，瓦特發(fā)明了雙向汽缸，這使得高壓蒸汽可以從活塞兩端進出，從而推動活塞雙向運動，這樣的發(fā)明使得瓦特的蒸汽機告別了以往的大氣式結(jié)構(gòu)，進入高壓蒸汽時代，這樣的結(jié)果就是輸出的動力更加強勁，瓦特為這種雙作用式的蒸汽機申請了發(fā)明專利。

雙作用氣缸推動活塞運動

1784年，瓦特設(shè)計了三連桿這一平行運動連桿結(jié)構(gòu)以保證汽缸推桿和氣泵的直線運動。

平行運動連桿機構(gòu)

1788年，為了自動控制蒸汽機的運轉(zhuǎn)速度，瓦特設(shè)計了節(jié)氣閥門和離心調(diào)速器。

節(jié)氣閥和離心調(diào)速器

為了顯示高壓蒸汽的壓力值，瓦特發(fā)明了能夠顯示壓力值的指針氣壓計。

萬能原動機

這6年間的一系列發(fā)明創(chuàng)造，使得瓦特的蒸汽機效率提升為紐科門機的5倍，這種終極版本的蒸汽機被稱為萬能原動機。

蒸汽時代

很快，造紙廠、面粉廠、棉紡廠、煉鐵廠、釀酒廠等等都開始需求他的萬能原動機。

磨坊外的蒸汽機

到了1790年，瓦特已經(jīng)是一個非常富有的人。在11年的時間里，除了制造蒸汽機獲利，他還獲得了7.6萬英鎊的專利使用費，這在當時是一筆巨額的財富。

瓦特蒸汽機在紡織、采礦、冶煉和交通運輸?shù)确矫娴玫搅藦V泛應(yīng)用，極大地推動了英國和歐洲的第一次工業(yè)革命，使世界進入了“蒸汽時代”。而伴隨蒸汽時代來臨的，同時還有鋼鐵時代以及機械制造大工業(yè)時代。

蒸汽時代

由于在科學技術(shù)上的貢獻，1785年被選為倫敦皇家學會會員；1806年被授予格拉斯哥大學法學博士頭銜；1814年被選為法國科學院外籍院士。

1819年8月，詹姆斯·瓦特在伯明翰附近的希斯菲德逝世，享年83歲。瓦特被安葬在了伯明翰的漢茲沃思教區(qū)教堂，此前他的傳奇商業(yè)合伙人馬修·博爾頓也葬于此。

詹姆斯·瓦特墓地

“因為他把難以估量的利益帶給了他的國家和整個人類。他賦予人類孱弱的雙手……以無窮的力量……并為未來所有機械動力的奇跡奠定了極為可靠的基礎(chǔ)，必將澤被后世。”

傳奇的詹姆斯·瓦特，偉大的蒸汽魔法師！