環球科學朝聖

第六節 瓦特推動世界前進的蒸汽機

　　瓦特出生在格拉斯哥市附近的一個小鎮上。他的父親原來是個造船技術工人，後來成立了一個造船作坊，成為當地小有名氣的富人，一度擔任過小鎮的地方行政官。瓦特從小就心靈手巧，再加上耳濡目染，從父親那裏學習到了不少技術方麵的知識，並養成了探索奧秘的興趣和習慣。

　　瓦特住的小鎮上，家家戶戶都是生火燒水做飯。這一天，瓦特的祖母準備做飯，先在灶上燒了一壺開水。開水沸騰後，壺蓋就噗噗地不停往上跳動。

　　這種司空見慣的現象卻吸引了瓦特的注意力，他目不轉睛地看了好半天，也沒有猜透其中的緣故，就問祖母：“壺蓋為什麽跳動呢？”

　　祖母回答說：“水開了，就這樣。”

　　瓦特追問道：“為什麽水開了壺蓋就跳動呢？”

　　祖母不耐煩地說：“不知道。小孩子別搗亂！”說完就忙活著做飯，不再理會這個喜歡刨根問底的孩子。

　　瓦特沒有從祖母那兒得到答案，反倒挨了訓斥，心裏很不舒服，但他沒有死心，就在祖母做飯的時候躲在一旁默默地觀察。一連觀察了好幾天，他發現，水沒有開時，壺蓋很安穩，當水發出嘩嘩的響聲就要沸騰時，驀然間一股水蒸氣冒出來，壺蓋就上下跳動起來了。

　　原來是蒸汽在變戲法呀！瓦特高興地幾乎叫出聲來，他上前把壺蓋一會兒揭開，一會兒蓋上，又用杯子、調羹堵住茶壺嘴，蒸汽無處可去，竟把壺蓋頂開了。這水蒸氣的力量還真不小呢！瓦特的祖母以為他在淘氣，又把他訓斥了一頓。瓦特並不介意，他的整個心思都放在琢磨蒸汽的力量上了。

　　童年時代的瓦特曾進入文法學校學習，數學成績特別優秀，但由於體弱多病，沒到畢業就退學了。他在家裏堅持自學了天文學、化學、物理學和解剖學，還掌握了好幾門外語。17歲時，瓦特來到格拉斯哥的一家鍾表店裏當學徒，利用業餘時間刻苦學習，還動手製造過技術要求較高的羅盤、經緯儀等。21歲那年，他進入格拉斯哥大學當了一名教具實驗員，負責修理和製造儀器。在工作之餘，他繼續埋頭讀書，有時候遇到一些比較複雜的理論和技術問題，他就向教授和同學們虛心求教。

　　1764年的一天，學校方麵把一台舊式的紐可門蒸汽機交給瓦特修理。在修理的過程中，瓦特熟悉了蒸汽機的構造和原理，還發現了這種蒸汽機的兩大缺點：活塞動作不連續而且慢；蒸汽利用率低，浪費原料。於是，他就開始思考改進的辦法。

　　說時容易做時難，紐可門蒸汽機的改進應從哪裏入手呢？1765年的春天的一個早晨，瓦特一個人在校園裏散步，滿腦子都是怎麽改進蒸汽機。忽然，他的腦海裏靈光一閃：既然紐可門蒸汽機的熱效率低是蒸汽在缸內冷凝造成的，那麽為什麽不能讓蒸汽在缸外冷凝呢？瓦特的臉上露出笑容，心情豁然開朗，轉身就朝著陪伴他多年的操作台跑去……就在這一年，瓦特設計出了一種帶有分離冷凝器的蒸汽機。冷凝器與汽缸之間有一個調節閥門相連，做工後的蒸汽被引入汽缸外的冷凝器，這樣就可以避免汽缸在一冷一熱的過程中消耗熱量。根據瓦特的計算，這種新的蒸汽機的熱效率將是紐可門蒸汽機的三倍。

　　然而，要想把圖紙上的線條變為實在的蒸汽機，還有很漫長的路要走。瓦特自籌資金，租了間地下室，買了必要的設備，辛辛苦苦地造出了蒸汽機，但效果反而不如紐可門蒸汽機，甚至四處漏氣，無法開動。更糟糕的是，他這項試驗耗資巨大，而他經濟實力有限，實在難以維持下去了。

　　格拉斯哥大學教授布萊克知道了瓦特的困難處境後，就把自己的一個十分富有的朋友羅巴克介紹給了瓦特。羅巴克是個企業家，在蘇格蘭的卡隆開辦了一座規模很大的煉鐵廠。他對瓦特的想法很是讚許，當即與瓦特簽訂合同，讚助瓦特進行新式蒸汽機的試製。後來，羅巴克瀕於破產，他又把瓦特介紹給了企業家博爾頓。博爾頓對瓦特的創新精神非常讚賞，願意接著讚助瓦特。在博爾頓的大力支持下，瓦特又生產出了兩台帶分離冷凝器的蒸汽機，但這兩台蒸汽機還是沒有顯著的改進，因此沒有得到社會的關注，卻拖累著博爾頓到了破產的邊緣。盡管如此，博爾頓仍然給予瓦特慷慨的讚助。

　　麵對著前進道路上的無數坎坷，瓦特從未灰心過，而是以百折不撓的毅力堅持進行研究。

　　1781年，瓦特研製出了一套被稱為“太陽和行星”的齒輪聯動裝置，把活塞的往返直線運動轉變為齒輪的旋轉運動。1782年，瓦特把原來的單項汽缸裝置改裝成雙向汽缸，並首次把引入汽缸的蒸汽由低壓蒸汽變為高壓蒸汽。這種高效率的蒸汽機很快就取代了舊式的蒸汽機，成為能普遍用於工業和交通運輸業的“萬能動力機”。到了19世紀30年代，蒸汽機被廣泛應用到紡織、冶金、采煤、交通等部門去，很快就引起了一場技術革命。

　　從最初接觸蒸汽技術到蒸汽機研製成功，瓦特走過了20多年的艱難曆程。雖然多次受挫，屢遭失敗，但瓦特堅持不懈，終於完成了對紐可門蒸汽機的三次革新，使蒸汽機成為改造世界的動力，為人類前進開辟了新的裏程。

　　為了紀念瓦特這位偉大的發明家，人們把常用的功率單位定為瓦特，簡稱瓦，常用符號“W”表示。1824年，在瓦特逝世五周年時，倫敦公眾在威斯敏斯特大教堂裏為他樹立了一座紀念碑。

　　科學小常識

　　蒸汽機發明小史

　　人類對蒸汽的認識和利用，經曆了一個漫長的曆史過程。早在公元前二世紀，古希臘人就製造出了一種利用蒸汽噴射的反作用的發動機。

　　1690年，法國人巴比發明了世界上第一台活塞式蒸汽機，但未投入使用。1698年，英國的一位技師塞萊斯發明了無活塞式蒸汽機，在礦井中得到應用，被稱為“礦山之友”。18世紀，英國的鐵匠紐可門製成了第一台能把熱能轉變為機械能的蒸汽機，它不需高壓蒸汽即可排水，效率有了較大提高。但是這種蒸汽機的結構不合理，耗煤多，活塞隻能做往複運動，不能做旋轉運動，熱效能較低。隨著工業的發展，對蒸汽機的性能提出了更高的要求，從18世紀60年代起，英國工程師斯米頓開始改進紐可門蒸汽機。他測量了100多種蒸汽機的部件和效率，積累了大量數據，為蒸汽機的改進提供了方便。