人类对蒸汽的认识和利用,经历了一个漫长的过程。早在公元前2世纪,古希腊人就制造过一种利用蒸汽喷射产生反作用的发动机。

  1698年,法国物理学家巴本发明了汽缸——活塞装置。这个装置源于高压锅上压力阀所受的重力(自身重量)是由锅内蒸汽的压力(作用在阀上)来平衡的现象。但巴本毕竟是物理学家而不是一位工程师或熟练工人,未能把这个聪明的设想完善到可以实际应用。

  英国工程师托马斯.塞维利修改了巴本的设想,在1698年发明了第一台实际应用于矿井抽水的蒸汽机,第一次真正把蒸汽变成工业动力。但是这种机器有许多缺陷,热损失极大,效率很低。由于靠大气压力汲水,使其工作受到限制;而且也很不安全。

   1705年英国锻工托马斯.纽可曼在另一位工人考利的帮助下,发明了一种实用的大气活塞式蒸汽机。他将从矿井里抽水的工作机和为它提供动力的蒸汽装置完全分开,并靠摇秆的不平衡在重力作用使蒸汽装置的活塞运动回程。这样极大地减少热量损失,保证了蒸汽机安全运行,降低了运行成本。

   1763年,格拉斯哥大学请詹姆斯•瓦特修理一台纽可曼蒸汽机。瓦特通过大量实验以及根据格拉斯哥大学教授布莱克提出的潜热、比热理论进行分析,深入研究了旧式蒸汽机,找出旧式机器效率低的原因:主要缺陷在于每一冲程都要用冷水将汽缸冷却一次,从而消耗大量热量,使绝大部分蒸汽不能有效利用。针对缺陷,瓦特提出减少蒸汽消耗、提高热机效率的两项措施:一,为了使汽缸始终保持蒸汽所必须具有的温度,必须在汽缸外加上绝热外套或用其他方法对汽缸加热;二,使作功后的蒸汽尽可能快地冷却,液化成水并要使这一过程在汽缸外进行。瓦特产生了采用分离冷凝器的最初设想。

   1765年,一种全新的蒸汽机在瓦特的手中诞生。瓦特发明的蒸汽机不仅少用大量的煤,而且使人类从此开始拥有自己创造的动力,而不再受制于大自然。后来人们把解决了工业化核心问题的瓦特蒸汽机,作为工业革命的标志。瓦特也被称为“工业革命之父”。

   瓦特在同年设计了一种带有分离冷凝器的蒸汽机。据瓦特计算,这种新的蒸汽机的热效率是纽可曼蒸汽机的三倍。

   此后三年多的时间里,瓦特克服了材料和工艺等各方面的困难,终于在1769年制出第一台样机。同年,瓦特因这种带有分离冷凝器的蒸汽机而获得他的第一项蒸汽机专利。

   自1769年试制出带有分离冷凝器的蒸汽机样机后,瓦特就看出热效率低已不是他的蒸汽机的主要弊病,而活塞只能作往返的直线运动才是根本局限。1781年,瓦特研制出一套被称为“太阳和行星”的齿轮联动装置,终于把活塞的往返的直线运动转变为齿轮的旋转运动。为了使轮轴的旋轴增加惯性,从而使圆周运动更加均匀,瓦特还在轮轴上加装了一个飞轮。由于对传统机构的这一重大革新,瓦特的蒸汽机才真正成为能带动一切工作机的动力机。1781年底,瓦特因带有齿轮和拉杆的机械联动装置获得第二项蒸汽机专利。

   为了进一步提高蒸汽机的效率,1782年,瓦特根据这一设想,设计了一种带有双向装置的新汽缸,并获得第三项蒸汽机专利。瓦特把原来的单向汽缸装置改装成双向汽缸,并首次把引入汽缸的蒸汽由低压蒸汽变为高压蒸汽,这是瓦特在改进纽可曼蒸汽机的过程中的第三次飞跃。通过三次技术飞跃,纽可曼蒸汽机进化成瓦特蒸汽机。
这种高效率的蒸汽机很快取代了旧式的蒸汽机,从此,动力机、传动机和工作机组成了机器生产系统,成为工业化的核心。

  此后瓦特又发明了自动调节蒸汽机运转速度的离心式调速器(1788年)、压力计(1790年)、计数器、示功器、节流阀以及许多其他仪器,并相继申请了专利。
由于瓦特对纽可曼机所做的改进非常重要,所以人们认为是他发明了第一台有实用价值的蒸汽机。

  瓦特逝世于1819年。后人为了纪念他的伟大发明,把发电机和电动机的功率计算单位称为“瓦特”。现代家庭用的电灯、电暖器、电熨斗的功率都称为“瓦”,那是“瓦特”的简称,也是为了纪念他为人类作出的杰出贡献。

  晚年的瓦特非常富庶。但是他的主要财富来源不是制造蒸汽机的工厂,而是广泛转让的高效能蒸汽机的发明专利。(撰稿人:徐晓敏)


James Watt(1736-1819),他不仅发明了蒸汽机,还在1769年获得了蒸汽机的专利,这推动了蒸汽动力成为工业革命的基础。之后,他又改良了蒸汽机,还和研究伙伴Matthew Boulton、William Murdock一起共同实现了其他几项发明。瓦特修改了原有的动力单位“马力”的计算方法,人们为纪念他,将功率的单位命名为瓦特。

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