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(xué)的儀器修理鋪里，28歲的機(jī)械師，或者說修理匠，詹姆斯·瓦特接到了來自格拉斯哥大學(xué)的特殊任務(wù)，維修一臺紐科門蒸汽機(jī)的教具模型機(jī)。

格拉斯哥大學(xué)

由于瓦特這幾年在維修學(xué)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(dāng)活馬醫(yī)，將這臺被運(yùn)到倫敦專業(yè)廠都沒修好的神秘機(jī)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(xué)

紐可門蒸汽機(jī)

這位蘇格蘭青年絕不會想到，眼前這個名為蒸汽機(jī)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(jī)的一系列改進(jìn)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(jī)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(xiàn)完全擔(dān)得上這一系列殊榮。

詹姆斯·瓦特和他的蒸汽機(jī)

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(fèi)賬單。電費(fèi)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(jìn)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(jìn)蒸汽機(jī)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(jī)出現(xiàn)了；

燒開水

白銀時代，我們利用煤炭燒開水—蒸汽機(jī)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(jī)極簡史

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

蒸汽機(jī)

這里，我們提到了一個非常關(guān)鍵的部件—活塞。

活塞

其實(shí)最早進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域?qū)嵱玫恼羝麢C(jī)沒有活塞，這種蒸汽機(jī)叫塞維利蒸汽機(jī)，發(fā)明與十七世紀(jì)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(jī)

這種蒸汽機(jī)利用容器中熱蒸汽冷卻后形成的真空，即利用內(nèi)外壓強(qiáng)差將水從水井中抽取上來。當(dāng)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(jī)示意圖

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

對于活塞，其實(shí)在塞維利蒸汽機(jī)出現(xiàn)的十幾年前，就由法國物理學(xué)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(jī)基本工作原理的設(shè)計。當(dāng)然，以當(dāng)時的制造水平，這注定是無法實(shí)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(jì)的人們來說，根本無解，因?yàn)橛糜谥圃炀容^高的缸筒的機(jī)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(jī)的改進(jìn)設(shè)想由設(shè)計圖紙變?yōu)閷?shí)物，當(dāng)然，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(lán)圖，1712年，蘇格蘭鐵匠托馬斯·紐科門終于搞到精度勉強(qiáng)能用的活塞，以此發(fā)明了活塞式蒸汽機(jī)，即紐科門蒸汽機(jī)。

紐科門蒸汽機(jī)

紐科門蒸汽機(jī)利用活塞這一關(guān)鍵部件實(shí)現(xiàn)了蒸汽機(jī)自動循環(huán)運(yùn)行。即蒸氣由鍋爐進(jìn)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(jī)每分鐘可以循環(huán)往返16次，因此工作效率和實(shí)用性大大提升。

紐科門蒸汽機(jī)，需要人來操縱閥門

當(dāng)時的英國采礦業(yè)，特別是煤礦，已發(fā)展到相當(dāng)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(yùn)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(jī)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(jī)模型，盡管從未見過這種機(jī)械裝置，當(dāng)好歹也在格拉斯哥大學(xué)里修了7年精密儀器，和學(xué)校教授、學(xué)生們混了個臉熟，也借此機(jī)會旁聽學(xué)習(xí)了大量科學(xué)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(dāng)理論和實(shí)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(jī)還真被他給修好了。

機(jī)會確實(shí)只留給有準(zhǔn)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(zhǔn)備的有心人。他不僅修好了這臺紐科門蒸汽機(jī)，還精心研究了這種熱機(jī)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(jī)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(yùn)動。

這種紐科門蒸汽機(jī)有三個主要缺點(diǎn)：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(jìn)行下一次推動，從而使得蒸汽80%的熱量都耗費(fèi)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(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)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(jìn)的蒸汽機(jī)，上帝說：“讓瓦特來吧”于是一片光明。

對于當(dāng)時的瓦特而言，第一個缺點(diǎn)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(dú)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(dú)立的容器去冷卻蒸汽，即分離式冷凝器。于是，紐科門蒸汽機(jī)在被發(fā)明了50多年后，迎來了一次最為關(guān)鍵性的改進(jìn)。

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(jī)，但由于方向不對，都淹沒在歷史長河中。而年輕的瓦特運(yùn)用科學(xué)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(jī)的事，當(dāng)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。”

瓦特的跌宕起伏

有了設(shè)計還不行，建造蒸汽機(jī)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(rèn)識了約翰·羅巴克，一個對蒸汽機(jī)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(jī)（活塞單方向推動做功）并于1769年取得英國專利。

瓦特改進(jìn)的蒸汽機(jī)

但是，說話最怕說但是……

要將這種蒸汽機(jī)模型建造成實(shí)際工業(yè)用機(jī)，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(jī)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(jìn)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(yùn)河測量員。

蒸汽機(jī)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?yàn)榻鹑谖C(jī)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(jī)，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(jī)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(jī)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(jī)

由此，瓦特和博爾頓開始了他們長達(dá)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(rèn)識到，瓦特蒸汽機(jī)的光明未來，所以愿意傾盡家財與瓦特合伙研發(fā)蒸汽機(jī)。

為紀(jì)念這兩個偉大人物的突出貢獻(xiàn)，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(jī)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(jī)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(yùn)用他改進(jìn)火炮炮管加工精度時所發(fā)明的精密鏜孔加工機(jī)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(jī)終于在多方努力下，制造成功并投入工業(yè)生產(chǎn)。

為進(jìn)一步提高效率，瓦特繼續(xù)為這臺蒸汽機(jī)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(jī)的1／4，動作也更迅速。

紐科門蒸汽機(jī)和瓦特蒸汽機(jī)的產(chǎn)量

當(dāng)然，瓦特改進(jìn)的這種蒸汽機(jī)可以說是紐科門機(jī)的加強(qiáng)版，還是只能提供直線往復(fù)運(yùn)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(jī)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(jī)

萬能原動機(jī)問世

故事進(jìn)行到現(xiàn)在，好像瓦特改良老式蒸汽機(jī)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(dāng)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(kuò)大這種蒸汽機(jī)的適用范圍，比如改直線往復(fù)運(yùn)動為圓周運(yùn)動，這樣蒸汽機(jī)就可以為當(dāng)時已存在的絕大多數(shù)機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)。

曲柄連桿機(jī)構(gòu)

但是，該結(jié)構(gòu)專利在當(dāng)時已被約翰·斯蒂德所注冊。當(dāng)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(dāng)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(dāng)時還是非常困難的，瓦特也由此陷入被動。

曲柄齒輪機(jī)構(gòu)

時代呼喚英雄，正當(dāng)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(jī)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(jī)

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

瓦特蒸汽機(jī)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(jìn)出，從而推動活塞雙向運(yùn)動，這樣的發(fā)明使得瓦特的蒸汽機(jī)告別了以往的大氣式結(jié)構(gòu)，進(jìn)入高壓蒸汽時代，這樣的結(jié)果就是輸出的動力更加強(qiáng)勁，瓦特為這種雙作用式的蒸汽機(jī)申請了發(fā)明專利。

雙作用氣缸推動活塞運(yùn)動

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

平行運(yùn)動連桿機(jī)構(gòu)

1788年，為了自動控制蒸汽機(jī)的運(yùn)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(jī)

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

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(jī)。

磨坊外的蒸汽機(jī)

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(jī)獲利，他還獲得了7.6萬英鎊的專利使用費(fèi)，這在當(dāng)時是一筆巨額的財富。

瓦特蒸汽機(jī)在紡織、采礦、冶煉和交通運(yùn)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(jìn)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(jī)械制造大工業(yè)時代。

蒸汽時代

由于在科學(xué)技術(shù)上的貢獻(xiàn)，1785年被選為倫敦皇家學(xué)會會員；1806年被授予格拉斯哥大學(xué)法學(xué)博士頭銜；1814年被選為法國科學(xué)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?yàn)樗央y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(jī)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！