瓦特是怎么发明蒸汽机的？

詹姆斯·瓦特，1736年1月19日生于苏格兰林诺克市的一个木匠家里。在教会学校读书时，瓦特最喜欢物理和数学，他的物理和数学成绩之佳和其他科目成绩之差的巨大反差，使许多老师和同学们感到吃惊。瓦特的父亲十分崇拜牛顿，在家里挂着牛顿的画像，这使瓦特从小就萌生找机会接受高等教育，做个牛顿那样的人的愿望。

1763年，这已经是瓦特到格拉斯哥大学担任大学机械技师的第六个年头了。这次，格拉斯哥大学从伦敦买回一台纽康门蒸汽机模型供演示实验用，但经常运转不灵。瓦特受安塔逊教授的委托，修理这台纽康门气压蒸汽机模型。

安塔逊教授之所以心急火燎地从伦敦赶回来，就是因为他忘记告诉瓦特使用模型的准确时间了。在格拉斯哥大学，耽误了上课可不是闹着玩儿的。

在接触纽康门蒸汽机模型之前，瓦特对有关蒸汽机的知识知道的并不多。只是在两年前，他曾用帕平研制的蒸汽锅协助布莱克教授进行过高压蒸汽实验。蒸汽机模型一运到实验准备室，好奇心使从小就是机械迷的瓦特跃跃欲试，没等安塔逊教授吩咐，就立即着手拆装和修理它了。半个多月来，蒸汽机迷住了瓦特，使他达到废寝忘食的地步。

晚上，瓦特躺在格拉斯哥城郊大学公寓里，久久不能入睡，满脑子都是纽康门蒸汽机。他拧亮了煤气灯，拿起白天从图书馆收集来的有关蒸汽机的资料，仔细地阅读，又开始琢磨起来……

早在公元100年左右，埃及的亚历山大城有一位学者希罗，制造了一种按照喷射反作用原理运作的蒸汽发动机雏形。第一部活塞式蒸汽机是1690年由法国人帕平在德国发明的。他是第一个指出了蒸汽机的工作循环的人，为以后活塞式蒸汽机的发展开辟了道路。

17世纪末，随着矿产品需求量的增大，矿井越挖越深，英国的许多矿井遇到了严重的积水问题。当时一般只有靠马力转动辘轳来排除积水。针对这一情况，英国皇家工程队的军事工程师塞维利大尉研制了蒸汽泵。这是一种没有活塞的蒸汽机，尽管该机燃料消耗很大，也很不经济，但它是人类历史上能实际应用的第一部蒸汽机。

1705年，英国一个铁匠纽康门，综合了前人的技术成就，设计制成了一种更为实用的气压式蒸汽机。它实现了用蒸汽推动活塞做一上一下的直线运动，每分钟往返12次。每往返一次可将45.5升水提高到46.6米。当时的纽康门蒸汽机主要用于深矿井排水。

然而，纽康门蒸汽机有重大的缺陷，它不仅效率低，做功时需要大量的燃煤，而且只能做简单的往复运动。所以，其使用范围受到限制。人们渴望获得新型的蒸汽机。

瓦特边看边琢磨，越琢磨越睡不着觉了。平素他犟脾气一上来，非马上问个究竟，可以几夜不睡。今晚，也不知是他第几次发犟脾气了，看来，为了弄清这台蒸汽机的工作原理，他又要开夜车了。

第二天，瓦特立即着手工作。首先，他开始研究纽康门蒸汽机的动作方式，分解其动作步骤。锅炉产生的蒸汽进入汽缸内，活塞被压起。接着通过向汽缸内喷水、冷却，使蒸汽凝缩，制成真空。这样，施加在活塞上的大气压将其压下，与活塞杆相连接的泵的活塞被拉起，就可以从矿坑内吸上水来。瓦特注意到，在蒸汽机锅炉里产生的蒸汽量，只够活塞几次工作所用，然后，机器需要等候锅炉将蒸汽积蓄起来，才能开始重新工作。通过进一步观察研究，瓦特又发现，用蒸汽加热汽缸，再用水冷却，是不合理的。汽缸由热变冷，再由冷变热需耗费很多时间。

怎样才能保持汽缸的原有热量，还能使蒸汽凝缩呢？瓦特苦苦地思索这一问题，很长时间得不到答案。这使他茶饭不思，打不起精神来。

格拉斯哥大学校门外，左边是一大片绿草如茵的平地，右边是一个波平如镜的小湖。一天，瓦特漫步在草坪上，不时地把目光投在天空中远去的白云，若有所思。突然一个奇异的想法涌上他的脑际。这个想法仿佛是打开问题的钥匙，好像是上帝给他送来了及时雨似的。瓦特豁然开朗了。蒸汽是有弹性的物体，所以，可以使其进入真空。如果将汽缸和排气容器相连接的话，蒸汽就可以进入容器内，无需再冷却汽缸，蒸汽就可以冷缩，同样完成纽康门蒸汽机的工作。

经历多次实验和修改，问题终于解决了。蒸汽并不需要直接在汽缸里凝聚，而是在与汽缸相连接的另一个容器里凝聚。瓦特发明了冷凝器，在科技发展史上奠定了蒸汽机实用化的坚实基础。不久，他又设想将汽缸两端加盖封闭起来，就可以实现蒸汽机的二冲程运动。将二冲程直线运动转变成循环圆周运动，就容易多了。巧妙的设想为瓦特打开了走向成功的大门。

在瓦特时代，英国的工业界还很少有人能够按着比较复杂的机器图纸，准确无误地加工各种机器部件，甚至连加工时需用的机床也还不很精确。按照瓦特设想制造的蒸汽机样机以失败告终，这使得瓦特一贫如洗。瓦特为了完成自己的设计几乎变卖了所有值钱的东西。

瓦特遭到了多次失败，并没有灰心气馁，他顶着许多人的嘲笑，为完善自己的发明继续孜孜不倦地工作着。

一天，通过好友布莱克教授的介绍，瓦特结识了发明镗床的威尔金森技师。这位技师为瓦特苦心钻研精神所感动，他决定帮助瓦特，用他拿手的镗炮筒的技术来为瓦特加工汽缸和活塞，解决了蒸汽机的漏气问题。瓦特距离胜利的顶峰更近了。威尔金森加工的汽缸和活塞可谓无与伦比，它使瓦特又越过了一道技术难关，终于制成了第一台新型蒸汽机样机，运行正常，达到设计的要求，获得了一致的好评。

瓦特并没有满足取得的成绩，不久又投入了新的研制工作。这需要他解决许多技术难题，又要吃苦了。不久，瓦特又找到了一个重要的合作者威廉·默多克，这更使瓦特如虎添翼，研制进度骤然加快。默多克是一个高级机械加工技师，什么东西到了他的手里，都会变成你所想要的样子。他既能解决技术难题，又富有很强的进取心，常常为了工作而忘记一切。

那是1785年，圣诞节的晚上。格拉斯哥城到处都沉浸在节日的气氛里。瓦特心里却惦记着尚未完工的蒸汽机，跑到了试验车间。穿过工厂院子时，瓦特看到车间窗子透出的灯光。原来是车间主任默多克在加班。默多克工作认真，从来不愿拖延工作，即使在圣诞节也不例外。他到工厂加班是为了连夜加工安装伦敦抽水站的机器零件。

两个人很快就结束了工作，度过了一个奇异的圣诞节。这时，瓦特又走到制图板前面。

“请过来，默多克！”

默多克走近制图板。

瓦特画了个汽缸。

“我想使蒸汽从两端进去推动活塞，从上面关闭汽缸，并把蒸汽输送到这里。对此您是怎么看的呢？”

默多克没做声。瓦特接着又往下画。

“现在汽缸活塞是上下直线运动，我想通过连在大轮上的一个轴改变直线运动。瞧，就是这样！用这样的方法我们可以变直线运动为循环运动。大轮的惯性推动活塞通过死点，就是这儿。”他演示着，“您看如何，默多克？”他又接着问。

“就是说需要做一个新样机。”默多克回答。

“毫无疑问。”瓦特用肯定的语气回答。他又接着问题：“什么时候开始？”

“立刻。”默多克回答很干脆。

“立刻……那好吧，立刻。”瓦特兴奋得语无伦次。

瓦特以狂热的激情投身于工作。他浇铸铜锭、锻造铜件、为汽缸钻孔，接着又车活塞、轴和轴承。原来设计的机器还未竣工，新的样机又开始投入研制，这就是瓦特的性格。

默多克也忙个不停，把炉火烧旺，擦净铸件，开动车床，站在他身旁的瓦特感到吃惊：身材魁梧的默多克竟然能干出最精细、准确的小活儿。一旦投入工作就始终不渝，这是默多克的脾气。

4个星期之后，新样机以崭新的面目和人们见面了，就等待试车了。一切就绪以后，瓦特用他那只因激动而颤抖的手，缓缓地拧开了通向蒸汽机的导气阀。工作状况正常，一切达到预期的效果。瓦特和默多克四只沾满油泥、乌黑的手紧紧握在了一起，成功的喜悦鼓舞了瓦特和默多克。

随即，瓦特又开始向带自动调速器的蒸汽机进军。他一心想彻底完善他的蒸汽机。瓦特从来不愿意说空话，只是默默地工作。机器的所有重要部件他都要亲自参与制造。他既是设计师，又是翻砂工；既是车工，又是钳工。每一道工序和每一个细节，都留下了瓦特的辛劳和汗水。

默多克领着十多个格拉斯哥技术最好的工人，同瓦特一起工作。瓦特的研制工作，吸引了格拉斯哥的能工巧匠。默多克把他们组成了攻无不克的加工小队。

经过一年多的顽强努力，机器逐渐安装好了。

终于，瓦特拧好了最后一个螺母，接着干脆把扳手扔到一旁。然后，长长地吸进了一口气，又徐徐地吐了出来。

“哎，默多克，要是我们现在有蒸汽那该多好啊，那我们就可以当场试验这台机器了。”

“有蒸汽。”

“现在，深更半夜？”

“是的，只要点上火，不消一刻钟我们就会得到所需要的蒸汽压力。”

沉默寡言的默多克说完，带着几个工人走了。静悄悄的车间里，瓦特独自一人面对着机器陷入了回忆的思绪之中。他回想起生养他的苏格兰林诺克小镇，想起爸爸繁忙的造船小工场，想起在机械加工专家摩根门下的学徒生活，更想起妻子米拉的热心支持和鼓励……

不大一会，默多克回来了。

“詹姆斯，一切都准备就绪了。试车吧！”

瓦特又一次把手放在进气阀门的刹把上。此刻，他倒觉得有些胆怯了。假如此时上帝有意要和他的蒸汽机作对，假如设计中有错误而被忽略了，假如汽缸壁和调速轮等部件上出现难以发现的裂纹，那该如何是好呢？一时间，一向果断、刚毅的瓦特显得有些缩手缩脚了。

现在，只要转动阀门的刹把，高压的蒸汽就会猛力地冲入汽缸。要么失败，要么成功，瓦特想了许多。最后，瓦特还是坚定地转动了阀门手柄。随着一阵震耳欲聋的巨大声响，高压蒸汽进入了汽缸。透过气缸缝隙冒出的吱吱作响的气雾，瓦特凝视着铁青脸色的默多克。工人们也屏住了呼吸。几分钟之后，蒸汽笼罩了整个机器和试验车间，灯光更加显得暗淡微弱了……

瓦特觉得他的心简直快要跳到嗓子眼了。

机器依旧纹丝不动。

透过气雾，他看见默多克双手在调整调速轮。终于，活塞开始上下缓慢地运动了，吱吱声中断了，接着活塞开始加速运动。通过曲柄和连杆的作用，一进一退的直线运动正在变成缓慢而平稳的转动。

瓦特僵直地钉在地上，嘴里像是被棉花堵住了似的，吐不出来又咽不下去。瓦特双手创造出来的机器倒把他自己给迷住了。默多克想用手使劲将调速轮刹住，但是轮子却把他的手推向一旁。他急了，使出全身的力气再加上几个身强力壮的工人，也做不到这一点。

瓦特革新的蒸汽机“这就是力量！”他大声地叫道。瓦特兴奋地点了点头。工人们欢呼起来，叫喊着跑出了车间。

“比水的力量大，它还可以加大，到处都可以用它。我想，有一天人们可以把机器安在马车上，不必套上马。车子就可以跑起来；或者将它安在航船上，逆风无帆，船儿也能漂洋过海，遍游四方。但是，我认为，它可以大大地减轻工人的劳动，给他们带来更多的闲暇时间。对此，你认为怎么样，默多克？”

“到那时，全世界就会变得更美好，亲爱的詹姆斯。这不正是你一直所希望的吗！”

两位老朋友幸福地畅谈着未来，憧憬着蒸汽机将给人类带来的益处。这时，太阳已悄悄地露出了笑脸，仿佛也在祝福这一对科学开拓者。从此，一个震撼文明世界的“蒸汽时代”开始了。

知识点

蒸汽时代

工业革命于18世纪60年代首先从英国开始，大量向外扩展则在19世纪初。因此，从宏观的角度分析，世界近代史的第二个时期——蒸汽时代起于19世纪初，止于19世纪70年代的第二次工业革命。在这个时期，资本主义的机器大革命开始出现，资本主义的世界体系开始初步确立。一种新的动力机器:蒸汽机的发明和应用，将人类带入了蒸汽时代。

蒸汽机不是瓦特发明的，他只是解决了前人发明的蒸汽机的缺点而已。
世界上第一台蒸汽机是由古希腊数学家亚历山大港的希罗（Hero
of
Alexandria）于1世纪发明的汽转球（Aeolipile），不过它只不过是一个玩具而已。
约1679年法国物理学家丹尼斯·巴本在观察蒸汽逃离他的高压锅后制造了第一台蒸汽机的工作模型。约与此同时萨缪尔·莫兰也提出了蒸汽机
1698年托马斯·塞维利、1712年托马斯·纽科门和1769年詹姆斯·瓦特制造了早期的工业蒸汽机，他们对蒸汽机的发展都做出了自己的贡献。1807年罗伯特·富尔顿第一个成功地用蒸汽机来驱动轮船。瓦特并不是蒸汽机的发明者，在他之前，早就出现了蒸汽机，即纽科门蒸汽机，但它的耗煤量大、效率低。瓦特运用科学理论，逐渐发现了这种蒸汽机的毛病所在。从1765年到1790年，他进行了一系列发明，比如分离式冷凝器、汽缸外设置绝热层、用油润滑活塞、行星式齿轮、平行运动连杆机构、离心式调速器、节气阀、压力计等等，使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的3倍多，最终发明出了现代意义上的蒸汽机。

瓦特观察到这一现象就发明了用蒸汽做动力的蒸汽机经过多次改良发明了世界第一台蒸汽机

工业革命之父瓦特，在发明蒸汽机道路上的曲折故事