瓦特发明蒸汽机的故事：天工巧匠瓦特和他的瓦特蒸汽机

从学徒到机师

如果说，第一次工业革命的火炬是由飞梭、珍妮纺纱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改革兴起的。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。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。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(1736—1819年)生于苏格兰西部的格里诺克小镇的一个工人家庭。

当时，家家户户都是生火烧水、做饭。童年时，瓦特在厨房里看祖母做饭。灶上壶子里的水一开，壶盖就啪啪作响，不停地往上跳动。通过长时间观察，他发现，只要蒸汽不住地往上冒，壶盖就不停地跳动。他还把杯子、调羹遮在水蒸汽喷出的地方。瓦特终于弄清楚了，是水蒸汽推动壶盖跳动，这水蒸汽的力量还真不小呢。从此，如何利用蒸汽的力量成了瓦特一生的追求。

由于家里贫穷，瓦特仅受到初等教育。然而，瓦特自幼非常勤奋，同时极爱工艺。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，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。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。

在修理机器与仪表之余，瓦特于1759年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。

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，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。

研究纽可门蒸汽机

在初步具备一定的技术基础、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。

幸运的是，1761年，在瓦特的要求下，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，当蒸汽进人汽缸后，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。

采用分离冷凝器

发现问题是一回事，可是要解决它却不容易。又经过两年多的努力，1765年春天，有一次出外散步时，瓦特灵感突发，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，为什么不能让做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——这是一个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。按照他的设计，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，既可把做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!

但要把这种设想变成真实的蒸汽机，不知要遇上多少困难。但瓦特知难而上，开始研制新式蒸汽机。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。

在失败中不断完善

经过多方努力，在各方好友的帮助下，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。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。瓦特的这种蒸汽机，还是无法成为真正的动力机。

由于这种蒸汽机仍不够理想，销路并不好，致使帮助他研究的好友罗巴克濒于破产，无力对瓦特继续进行经济上的资助。瓦特在这一段时间内感到了绝望。

但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，表示愿意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。

经过博尔顿的介绍。瓦特也加入了圆月学社，这使瓦特受益匪浅。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。