环球科学朝圣

第六节 瓦特推动世界前进的蒸汽机

　　瓦特出生在格拉斯哥市附近的一个小镇上。他的父亲原来是个造船技术工人，后来成立了一个造船作坊，成为当地小有名气的富人，一度担任过小镇的地方行政官。瓦特从小就心灵手巧，再加上耳濡目染，从父亲那里学习到了不少技术方面的知识，并养成了探索奥秘的兴趣和习惯。

瓦特住的小镇上，家家户户都是生火烧水做饭。这一天，瓦特的祖母准备做饭，先在灶上烧了一壶开水。开水沸腾后，壶盖就噗噗地不停往上跳动。

这种司空见惯的现象却吸引了瓦特的注意力，他目不转睛地看了好半天，也没有猜透其中的缘故，就问祖母：“壶盖为什么跳动呢？”

祖母回答说：“水开了，就这样。”

瓦特追问道：“为什么水开了壶盖就跳动呢？”

祖母不耐烦地说：“不知道。小孩子别捣乱！”说完就忙活着做饭，不再理会这个喜欢刨根问底的孩子。

瓦特没有从祖母那儿得到答案，反倒挨了训斥，心里很不舒服，但他没有死心，就在祖母做饭的时候躲在一旁默默地观察。一连观察了好几天，他发现，水没有开时，壶盖很安稳，当水发出哗哗的响声就要沸腾时，蓦然间一股水蒸气冒出来，壶盖就上下跳动起来了。

原来是蒸汽在变戏法呀！瓦特高兴地几乎叫出声来，他上前把壶盖一会儿揭开，一会儿盖上，又用杯子、调羹堵住茶壶嘴，蒸汽无处可去，竟把壶盖顶开了。这水蒸气的力量还真不小呢！瓦特的祖母以为他在淘气，又把他训斥了一顿。瓦特并不介意，他的整个心思都放在琢磨蒸汽的力量上了。

童年时代的瓦特曾进入文法学校学习，数学成绩特别优秀，但由于体弱多病，没到毕业就退学了。他在家里坚持自学了天文学、化学、物理学和解剖学，还掌握了好几门外语。17岁时，瓦特来到格拉斯哥的一家钟表店里当学徒，利用业余时间刻苦学习，还动手制造过技术要求较高的罗盘、经纬仪等。21岁那年，他进入格拉斯哥大学当了一名教具实验员，负责修理和制造仪器。在工作之余，他继续埋头读书，有时候遇到一些比较复杂的理论和技术问题，他就向教授和同学们虚心求教。

1764年的一天，学校方面把一台旧式的纽可门蒸汽机交给瓦特修理。在修理的过程中，瓦特熟悉了蒸汽机的构造和原理，还发现了这种蒸汽机的两大缺点：活塞动作不连续而且慢；蒸汽利用率低，浪费原料。于是，他就开始思考改进的办法。

说时容易做时难，纽可门蒸汽机的改进应从哪里入手呢？1765年的春天的一个早晨，瓦特一个人在校园里散步，满脑子都是怎么改进蒸汽机。忽然，他的脑海里灵光一闪：既然纽可门蒸汽机的热效率低是蒸汽在缸内冷凝造成的，那么为什么不能让蒸汽在缸外冷凝呢？瓦特的脸上露出笑容，心情豁然开朗，转身就朝着陪伴他多年的操作台跑去……就在这一年，瓦特设计出了一种带有分离冷凝器的蒸汽机。冷凝器与汽缸之间有一个调节阀门相连，做工后的蒸汽被引入汽缸外的冷凝器，这样就可以避免汽缸在一冷一热的过程中消耗热量。根据瓦特的计算，这种新的蒸汽机的热效率将是纽可门蒸汽机的三倍。

然而，要想把图纸上的线条变为实在的蒸汽机，还有很漫长的路要走。瓦特自筹资金，租了间地下室，买了必要的设备，辛辛苦苦地造出了蒸汽机，但效果反而不如纽可门蒸汽机，甚至四处漏气，无法开动。更糟糕的是，他这项试验耗资巨大，而他经济实力有限，实在难以维持下去了。

格拉斯哥大学教授布莱克知道了瓦特的困难处境后，就把自己的一个十分富有的朋友罗巴克介绍给了瓦特。罗巴克是个企业家，在苏格兰的卡隆开办了一座规模很大的炼铁厂。他对瓦特的想法很是赞许，当即与瓦特签订合同，赞助瓦特进行新式蒸汽机的试制。后来，罗巴克濒于破产，他又把瓦特介绍给了企业家博尔顿。博尔顿对瓦特的创新精神非常赞赏，愿意接着赞助瓦特。在博尔顿的大力支持下，瓦特又生产出了两台带分离冷凝器的蒸汽机，但这两台蒸汽机还是没有显着的改进，因此没有得到社会的关注，却拖累着博尔顿到了破产的边缘。尽管如此，博尔顿仍然给予瓦特慷慨的赞助。

面对着前进道路上的无数坎坷，瓦特从未灰心过，而是以百折不挠的毅力坚持进行研究。

1781年，瓦特研制出了一套被称为“太阳和行星”的齿轮联动装置，把活塞的往返直线运动转变为齿轮的旋转运动。1782年，瓦特把原来的单项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。这种高效率的蒸汽机很快就取代了旧式的蒸汽机，成为能普遍用于工业和交通运输业的“万能动力机”。到了19世纪30年代，蒸汽机被广泛应用到纺织、冶金、采煤、交通等部门去，很快就引起了一场技术革命。

从最初接触蒸汽技术到蒸汽机研制成功，瓦特走过了20多年的艰难历程。虽然多次受挫，屡遭失败，但瓦特坚持不懈，终于完成了对纽可门蒸汽机的三次革新，使蒸汽机成为改造世界的动力，为人类前进开辟了新的里程。

为了纪念瓦特这位伟大的发明家，人们把常用的功率单位定为瓦特，简称瓦，常用符号“W”表示。1824年，在瓦特逝世五周年时，伦敦公众在威斯敏斯特大教堂里为他树立了一座纪念碑。

科学小常识

蒸汽机发明小史

人类对蒸汽的认识和利用，经历了一个漫长的历史过程。早在公元前二世纪，古希腊人就制造出了一种利用蒸汽喷射的反作用的发动机。

1690年，法国人巴比发明了世界上第一台活塞式蒸汽机，但未投入使用。1698年，英国的一位技师塞莱斯发明了无活塞式蒸汽机，在矿井中得到应用，被称为“矿山之友”。18世纪，英国的铁匠纽可门制成了第一台能把热能转变为机械能的蒸汽机，它不需高压蒸汽即可排水，效率有了较大提高。但是这种蒸汽机的结构不合理，耗煤多，活塞只能做往复运动，不能做旋转运动，热效能较低。随着工业的发展，对蒸汽机的性能提出了更高的要求，从18世纪60年代起，英国工程师斯米顿开始改进纽可门蒸汽机。他测量了100多种蒸汽机的部件和效率，积累了大量数据，为蒸汽机的改进提供了方便。