吹響蒸汽時代的號角
——紀念工業(yè)革命的偉大旗手瓦特逝世200周年

田 川

(重慶市第八中學校,重慶 400030)

截止到1824年1月,已故瓦特所在的制造廠已經(jīng)累計生產(chǎn)了1164臺通用蒸汽機,額定總功率為25945馬力(注：1馬力≈735 W)．1824年到1854年的30年間,該工廠又生產(chǎn)了441臺,然而僅此441臺的總功率也達到了25278馬力．1856年,克里米亞戰(zhàn)爭結(jié)束時英國海軍蒸汽動力戰(zhàn)艦的占比為96%．1888年,美國物理學家霍爾(E.H.Hall 霍爾效應的發(fā)現(xiàn)者)統(tǒng)計出當年全世界的蒸汽機總功率為5015萬馬力,而在8年前,這一數(shù)字還只有3415萬馬力．[1]德國統(tǒng)計學家恩格爾(Engel)由此推測到20世紀初,這一數(shù)字將會達到2億馬力．人類對能源的利用之所以能呈現(xiàn)幾何級數(shù)地增長(圖1),無疑要歸功于瓦特．

圖1

1 孱弱獨子性倔強 及長漸顯匠之光

圖2 瓦特

1736年1月19日,詹姆斯·瓦特(James·Watt,圖2)出生于英國造船業(yè)中心蘇格蘭的格拉斯哥市,瓦特的祖上為躲避英國內(nèi)戰(zhàn)而遷居至此．瓦特的爺爺還獲得過男爵的爵位,父親是位手藝精湛的造船作坊主,母親出身當?shù)氐拿T．不幸的是瓦特的4個哥哥和1個姐姐都夭折了．在痛失5個孩子后,這個動不動就發(fā)燒的孩童,在母親心中無異于一個精美的瓷器,為此瓦特在13歲之前沒有去過學校．

由于父母的過渡呵護,使得瓦特在10歲前還未出過家門．幼時的瓦特顯得孤僻、任性,據(jù)瓦特家的保姆回憶,某一天,幾歲的瓦特將燒水壺的壺蓋取下又蓋上,蓋上又取下,前后持續(xù)了兩個小時,只為數(shù)壺蓋上水滴的滴數(shù),無論他外婆怎樣呵斥,他依舊我行我素．有些出版物將這一故事改寫成瓦特通過觀察蒸汽頂起壺蓋,從而改良了蒸汽機的兒童勵志讀物．不過換一個角度看,小時候的瓦特雖然膽小,害怕見到生人,可是,他卻具有對一件事一旦感興趣,就非要把他完成不可的倔強性格．13歲以后,瓦特才進入小學,期間瓦特和同學相處不太愉快,短暫的小學經(jīng)歷是瓦特寶貴的精神財富,他正在摸索如何與人相處．瓦特的中學時代是在“文法學?！倍冗^的,這一期間瓦特的數(shù)學考試幾乎次次都是第一．15歲時就已經(jīng)將《物理學原理》閱讀了數(shù)遍．瓦特是一個內(nèi)向好靜的孩子,課余的最大愛好就是去父親的工作坊,父親單獨為他準備了一個工作臺,瓦特秉性聰明,悟性較高,他的手藝進步很快,工作坊里的工人看到他小小年紀竟有如此高超的技術(shù),都夸贊他有一雙巧手．

2 負笈學藝只身闖 機器改良路漫長

瓦特有一個名叫約翰的弟弟．瓦特的父親很早就打算瓦特去上大學,成為社會名流,而約翰則繼承他的造船坊的事業(yè)．作為貨物主的父親拗不過小約翰的糾纏,同意讓他跟船去美國歷練歷練．萬萬沒想到這艘船竟然在海上傾覆了,約翰遇難,瓦特的母親聽聞噩耗一病不起,不久就去世了,瓦特的父親也因為支付巨額的賠償金而破產(chǎn)．

瓦特的大學夢就此破碎．通過舅舅,瓦特認識了格拉斯哥大學的迪克(Dicke)教授,這位教授認為瓦特是一位不可多得的人才,他強烈建議瓦特到倫敦去深造,這位教授還熱心地為瓦特寫了介紹信．

瓦特的倫敦學藝之路并不順暢,當?shù)氐男袝?一種行業(yè)的壟斷協(xié)會)排擠外地人,直到一個月后,瓦特才拜師成功．在一年的學藝期間,瓦特每周一至五都從清晨工作到晚上9點,盡管回到宿舍已筋疲力竭,但瓦特仍然利用零星的時間接點維修活干,以便賺點錢來補貼生活費,因為他清楚,為了送自己到倫敦,父親已經(jīng)盡了最大努力．由于瓦特學習刻苦,努力實踐,不久就能制造難度較高的象限儀、羅盤和經(jīng)緯儀等儀器．

1756年,1年學徒期滿后,瓦特回到家鄉(xiāng)的小鎮(zhèn),不久后,格拉斯哥大學的迪克教授邀請瓦特來格拉斯哥大學修復一批天文儀器．通過維修這批儀器,瓦特的高超技藝在眾多學者面前得以展示,事后瓦特被格拉斯哥大學聘為教具實驗員,負責修理和制造儀器,學校分給他一間專門的工作車間．數(shù)十年后進出該工作車間的另一位大名鼎鼎的人物是開爾文勛爵(William·Thomson)．

瓦特與蒸汽機的初次相識,是因為負責維修格拉斯哥大學內(nèi)一臺損壞了的紐可門蒸汽機(當時被用于煤礦抽水)模型．在維修的過程中瓦特發(fā)現(xiàn)了該蒸汽機的重大缺點:蒸汽利用率低．

瓦特發(fā)現(xiàn)水蒸氣冷凝的時候可將其自身質(zhì)量5倍的水加熱至沸騰,這部分能量就是今天所說的沸點汽化熱．紐可門蒸汽機每推動活塞一次,就需要從噴嘴噴入冷水,用于冷凝氣缸中的蒸汽以及汽缸本身,以使活塞復位,然后再次加熱以進行下一次推動．瓦特由此找到了紐可門蒸汽機效率低的原因——蒸汽的部分能量被用于再次預熱汽缸,這部分能量被白白地浪費掉了．

瓦特獲得改良蒸汽機的重要靈感來自一次野外的散步,瓦特的想法是:“蒸汽首先進入第一個缸,即汽缸,蒸汽在這里推動活塞上升后,廢氣再從一根細管排入第二缸,這個缸是冷凝器,蒸汽在這里被水冷卻．之后活塞就落下來．下一波熱蒸汽接著又進入汽缸,由于這時汽缸仍然保持著高溫,所以蒸汽的能量就避免了被浪費在汽缸的預熱上．”[2]瓦特采用的“分離式冷凝”實現(xiàn)了“只冷凝廢汽,不冷卻汽缸”,此關鍵技術(shù)的改進使得蒸汽機的效率從1%提高到5%．恩格斯在《自然辯證法》中寫到:“蒸汽機是第一個真正國際上的發(fā)明,瓦特給加上一個分離式的冷凝器,這就使蒸汽機在原則上達到了現(xiàn)在的水平”.[3]

3 彷徨歧路貴人助 鍥而不舍名遠揚

1766年,資金匱乏的瓦特經(jīng)好友布萊克(J.Blake 比熱容的提出者)介紹,開始與富商羅巴克(Roebuck)合作,后者贊助研究經(jīng)費,作為交換,瓦特將專利權(quán)益的2/3讓給羅巴克．

1769年1月5日,瓦特因發(fā)明冷凝器獲得人生中的第一項專利,1769年9月,歷時6個月時間,第一臺瓦特蒸汽機終于完工,但接下來的一系列實驗測試結(jié)果卻令人大失所望——不是汽缸漏氣就是零件斷裂,工人的技術(shù)達不到瓦特設計所需要的精度．

1772年到1773年爆發(fā)了嚴重的金融危機,瓦特的贊助者羅巴克遭遇破產(chǎn),1773年9月瓦特的妻子又死于難產(chǎn)．黎明之前是最黑暗的,就在瓦特絕望無助時,羅巴克的債主——伯明翰的富商博爾頓(Bolton)同意羅巴克用手中的瓦特蒸汽機專利股份來抵償相關債務．

瓦特在1773年3月29日給他的新贊助商博爾頓的信中寫到:“目前情況還不明朗,制造出理想的蒸汽機還需要大量的時間和資金”．此時瓦特踏上蒸汽機的改良之路已經(jīng)是第8個年頭了,8年間,他進行了無數(shù)次的試驗,經(jīng)歷的失敗和沮喪就連他自己也記不清了．

瓦特和博爾頓性格迥異,但他們在事業(yè)上卻形成了完美的互補．1775年,距離瓦特獲得分離式冷凝器的專利已經(jīng)6年時間了,也就是說,專利使用期限僅剩8年,如果考慮研發(fā)還需幾年,等到產(chǎn)品投放市場時,專利權(quán)也就到期,根本就沒有多少利潤了．然而,博爾頓竟能說服國會于1775年提交討論延長專利有效期的議案,新的專利法案終于在1775年5月獲得通過,專利權(quán)的有效期被延長至24年．[4]另外,加農(nóng)大炮鏜孔精加工的專家John Wilkinson幫助瓦特解決了活塞與大汽缸的氣密性方面的疑難．因此,可以說瓦特蒸汽機是科學理論、工藝技術(shù)和企業(yè)資本結(jié)合的產(chǎn)物,缺少任何一方,都是不可能實現(xiàn)的．

1776年,瓦特蒸汽機在布魯姆菲爾德(Broomfield)煤礦首次向公眾展示其工作狀態(tài)．此后,瓦特蒸汽機的訂單紛至沓來,接下來的5年里,瓦特奔波于各個礦場的蒸汽機安裝現(xiàn)場．1782年瓦特取得雙向式蒸汽機(即雙沖程機[5])的專利,同年他提出一種功率單位——馬力．1783年,也就是第一臺瓦特蒸汽機安裝6年后,瓦特聲稱當?shù)鼐椭皇Ｏ乱慌_紐可門蒸汽機了．

1784年瓦特成為愛丁堡皇家學會會員,同年取得了帶有飛輪、齒輪聯(lián)動裝置和雙向裝置的高壓蒸汽機的專利．由于瓦特對蒸汽機的改進所作出的重大貢獻,1785年瓦特當選為倫敦皇家學會會員．瓦特還研究了水蒸氣飽和蒸汽壓與溫度間的關系,發(fā)明了水銀開口管壓力指示器、鍋爐水位計等．

為了使蒸汽機在有負載的時候仍能保持平穩(wěn)運行,1788年瓦特發(fā)明了離心調(diào)速器,如圖3所示,飛球飛行的速度越高,其運動半徑就越大,安裝一個與飛球轉(zhuǎn)動半徑成相反關系的閥門,這樣就可以使運動半徑越大時,蒸汽流量就越低,就這樣,進入汽缸里的蒸汽的量得到了調(diào)節(jié),蒸汽機于是有了不斷修正自己“錯誤”的“頭腦”,這就是人們所說的“機械自動化控制”．

圖3

1784年4月28日,瓦特平生最得意的一項機械發(fā)明“平行傳動裝置”獲得專利,實現(xiàn)了把活塞的往復運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動的機構(gòu),使蒸汽機成為可用于各種不同用途的原動力機器．從此,制陶業(yè)、紡織業(yè)、采礦業(yè)、冶金業(yè)、造紙業(yè)等都陸續(xù)安裝上了瓦特蒸汽機．

4 時代號角奏絕唱 文明翻開新篇章

瓦特不僅僅在改良蒸汽機方面做出過巨大的貢獻,他還是一位博學多才的發(fā)明家和學者．

1763年瓦特首次發(fā)明了一臺用來畫三維物體的投影儀．1778年在博爾頓的鼓勵和資金支持下,瓦特發(fā)明了拷貝機．瓦特還研制出了一種測量液體密度的儀器．

1783年瓦特出版《水的化學組成研究》[6]一書,指出水不是元素,而是一種化合物．這使得瓦特獲得廣泛贊譽,英國化學家戴維,英國物理學家托馬斯·楊,德國的化學家有機化學創(chuàng)始人李比希(Liebig),法國物理學家阿拉果,美國物理學家亨利等眾多權(quán)威人士都給與了高度肯定．

1785年6月4日,瓦特獲得改良熔爐的專利．

瓦特對機械功的概念的建立也做出過重要的貢獻．

能率數(shù)是指根據(jù)消耗一蒲式耳(bushel,約36 L)的煤炭,能把多少百萬磅的水提高1英尺來計算的．紐可門蒸汽機的能率數(shù)一般在5左右,而瓦特蒸汽機的平均能率數(shù)約為17.5．[7]

“本公司向貴礦提供蒸汽機,所要求的回報僅為使用此機器比起用紐可門蒸汽機做相同的功所節(jié)省下來的煤碳的價值的三分之一．”[8]這是瓦特首次將蒸汽機做成商品時,所設計的廣告宣傳語．在與礦廠主的談判中,亟待澄清如何理解“同樣的功”．瓦特發(fā)現(xiàn)機器所施加的力越大,在力的作用下物體沿力的方向移動的距離越大,蒸汽機消耗的煤就越多．在瓦特蒸汽機替換紐可門蒸汽機的過程中,功的概念得以醞釀．1796年,設計出用汽缸內(nèi)活塞的位置,即容積(V)和壓強(p)的變化來表示做功多少的示意圖——“示功圖”(即p-V圖),它成為19世紀初法國卡諾(carnot)創(chuàng)立熱力學的基礎．[9]在瓦特研究的基礎上,1829年,法國科學家科里奧利(Coriolis)在其出版的《機器功效的計算》一書中正式指出:“作用于物體上的力和受力點沿力的方向的位移的標量積叫做該力的機械功”．

瓦特的另一項重要貢獻是發(fā)明了一種用于土木工程測距的望遠鏡．1808年,他在格拉斯哥大學設立瓦特獎學金,到1809年時,瓦特成為“月光學會”最后一位健在的成員．1814年瓦特當選法蘭西學院的外籍(僅有8名)院士．1819年8月25日瓦特在伯明翰的家中安詳?shù)仉x世,享年83歲．

瓦特最先提出用螺旋槳來推進輪船的設想,瓦特蒸汽機的發(fā)明為研究蒸汽航海提供了可行性．在以瓦特蒸汽機作為動力的基礎上,1807年8月18日美國人富爾頓(Robert Fulton)發(fā)明的輪船試航成功,而1814年英國人史蒂芬孫(Stephenson)制造的蒸汽火車試車成功．

瓦特蒸汽機的普及,促使更多的人投身到蒸汽機的理論研究中來,以期從理論規(guī)律的高度來指導蒸汽機的進一步改良．1824年卡諾《論火的動力》發(fā)表,不可否認,卡諾對瓦特蒸汽機的理論研究,在“熱力學”理論建立的過程中起到了關鍵的作用[10]．

瓦特蒸汽機的廣泛采用,極大地推動了蓬勃興起的工業(yè)革命．也使世界工業(yè)步入“蒸汽時代”．后人為了紀念瓦特,把功率的單位命名為瓦特．1821年以瓦特命名的“瓦特工藝學?！背闪?在英國有50余條道路被命名為“瓦特路”．50英鎊的一面就印有瓦特和博爾頓的肖像．多個國家發(fā)行郵票紀念瓦特,如英國1999年發(fā)行,古巴1996年發(fā)行,馬爾代夫2000年發(fā)行,塞拉利昂2002年發(fā)行[11],德國2010年發(fā)行,馬其頓2011年發(fā)行等等．

瓦特的訃告中寫道:“他武裝了人類,使虛弱無力的雙手變得力大無窮”．瓦特給我們留下了一把開啟工業(yè)時代大門的鑰匙,后人接受他的饋贈,并沿著他開辟的道路繼續(xù)前行．

“科學之路沒有平坦的大道,只有不畏勞苦沿著陡峭山路攀登的人,才有希望達到輝煌的頂點”——詹姆斯·瓦特．