吹响蒸汽时代的号角——纪念工业革命的伟大旗手瓦特逝世200周年

田 川

(重庆市第八中学校,重庆 400030)

截止到1824年1月,已故瓦特所在的制造厂已经累计生产了1164台通用蒸汽机,额定总功率为25945马力(注：1马力≈735 W)．1824年到1854年的30年间,该工厂又生产了441台,然而仅此441台的总功率也达到了25278马力．1856年,克里米亚战争结束时英国海军蒸汽动力战舰的占比为96%．1888年,美国物理学家霍尔(E.H.Hall 霍尔效应的发现者)统计出当年全世界的蒸汽机总功率为5015万马力,而在8年前,这一数字还只有3415万马力．[1]德国统计学家恩格尔(Engel)由此推测到20世纪初,这一数字将会达到2亿马力．人类对能源的利用之所以能呈现几何级数地增长(图1),无疑要归功于瓦特．

图1

1 孱弱独子性倔强 及长渐显匠之光

图2 瓦特

1736年1月19日,詹姆斯·瓦特(James·Watt,图2)出生于英国造船业中心苏格兰的格拉斯哥市,瓦特的祖上为躲避英国内战而迁居至此．瓦特的爷爷还获得过男爵的爵位,父亲是位手艺精湛的造船作坊主,母亲出身当地的名门．不幸的是瓦特的4个哥哥和1个姐姐都夭折了．在痛失5个孩子后,这个动不动就发烧的孩童,在母亲心中无异于一个精美的瓷器,为此瓦特在13岁之前没有去过学校．

由于父母的过渡呵护,使得瓦特在10岁前还未出过家门．幼时的瓦特显得孤僻、任性,据瓦特家的保姆回忆,某一天,几岁的瓦特将烧水壶的壶盖取下又盖上,盖上又取下,前后持续了两个小时,只为数壶盖上水滴的滴数,无论他外婆怎样呵斥,他依旧我行我素．有些出版物将这一故事改写成瓦特通过观察蒸汽顶起壶盖,从而改良了蒸汽机的儿童励志读物．不过换一个角度看,小时候的瓦特虽然胆小,害怕见到生人,可是,他却具有对一件事一旦感兴趣,就非要把他完成不可的倔强性格．13岁以后,瓦特才进入小学,期间瓦特和同学相处不太愉快,短暂的小学经历是瓦特宝贵的精神财富,他正在摸索如何与人相处．瓦特的中学时代是在“文法学校”度过的,这一期间瓦特的数学考试几乎次次都是第一．15岁时就已经将《物理学原理》阅读了数遍．瓦特是一个内向好静的孩子,课余的最大爱好就是去父亲的工作坊,父亲单独为他准备了一个工作台,瓦特秉性聪明,悟性较高,他的手艺进步很快,工作坊里的工人看到他小小年纪竟有如此高超的技术,都夸赞他有一双巧手．

2 负笈学艺只身闯 机器改良路漫长

瓦特有一个名叫约翰的弟弟．瓦特的父亲很早就打算瓦特去上大学,成为社会名流,而约翰则继承他的造船坊的事业．作为货物主的父亲拗不过小约翰的纠缠,同意让他跟船去美国历练历练．万万没想到这艘船竟然在海上倾覆了,约翰遇难,瓦特的母亲听闻噩耗一病不起,不久就去世了,瓦特的父亲也因为支付巨额的赔偿金而破产．

瓦特的大学梦就此破碎．通过舅舅,瓦特认识了格拉斯哥大学的迪克(Dicke)教授,这位教授认为瓦特是一位不可多得的人才,他强烈建议瓦特到伦敦去深造,这位教授还热心地为瓦特写了介绍信．

瓦特的伦敦学艺之路并不顺畅,当地的行会(一种行业的垄断协会)排挤外地人,直到一个月后,瓦特才拜师成功．在一年的学艺期间,瓦特每周一至五都从清晨工作到晚上9点,尽管回到宿舍已筋疲力竭,但瓦特仍然利用零星的时间接点维修活干,以便赚点钱来补贴生活费,因为他清楚,为了送自己到伦敦,父亲已经尽了最大努力．由于瓦特学习刻苦,努力实践,不久就能制造难度较高的象限仪、罗盘和经纬仪等仪器．

1756年,1年学徒期满后,瓦特回到家乡的小镇,不久后,格拉斯哥大学的迪克教授邀请瓦特来格拉斯哥大学修复一批天文仪器．通过维修这批仪器,瓦特的高超技艺在众多学者面前得以展示,事后瓦特被格拉斯哥大学聘为教具实验员,负责修理和制造仪器,学校分给他一间专门的工作车间．数十年后进出该工作车间的另一位大名鼎鼎的人物是开尔文勋爵(William·Thomson)．

瓦特与蒸汽机的初次相识,是因为负责维修格拉斯哥大学内一台损坏了的纽可门蒸汽机(当时被用于煤矿抽水)模型．在维修的过程中瓦特发现了该蒸汽机的重大缺点:蒸汽利用率低．

瓦特发现水蒸气冷凝的时候可将其自身质量5倍的水加热至沸腾,这部分能量就是今天所说的沸点汽化热．纽可门蒸汽机每推动活塞一次,就需要从喷嘴喷入冷水,用于冷凝气缸中的蒸汽以及汽缸本身,以使活塞复位,然后再次加热以进行下一次推动．瓦特由此找到了纽可门蒸汽机效率低的原因——蒸汽的部分能量被用于再次预热汽缸,这部分能量被白白地浪费掉了．

瓦特获得改良蒸汽机的重要灵感来自一次野外的散步,瓦特的想法是:“蒸汽首先进入第一个缸,即汽缸,蒸汽在这里推动活塞上升后,废气再从一根细管排入第二缸,这个缸是冷凝器,蒸汽在这里被水冷却．之后活塞就落下来．下一波热蒸汽接着又进入汽缸,由于这时汽缸仍然保持着高温,所以蒸汽的能量就避免了被浪费在汽缸的预热上．”[2]瓦特采用的“分离式冷凝”实现了“只冷凝废汽,不冷却汽缸”,此关键技术的改进使得蒸汽机的效率从1%提高到5%．恩格斯在《自然辩证法》中写到:“蒸汽机是第一个真正国际上的发明,瓦特给加上一个分离式的冷凝器,这就使蒸汽机在原则上达到了现在的水平”.[3]

3 彷徨歧路贵人助 锲而不舍名远扬

1766年,资金匮乏的瓦特经好友布莱克(J.Blake 比热容的提出者)介绍,开始与富商罗巴克(Roebuck)合作,后者赞助研究经费,作为交换,瓦特将专利权益的2/3让给罗巴克．

1769年1月5日,瓦特因发明冷凝器获得人生中的第一项专利,1769年9月,历时6个月时间,第一台瓦特蒸汽机终于完工,但接下来的一系列实验测试结果却令人大失所望——不是汽缸漏气就是零件断裂,工人的技术达不到瓦特设计所需要的精度．

1772年到1773年爆发了严重的金融危机,瓦特的赞助者罗巴克遭遇破产,1773年9月瓦特的妻子又死于难产．黎明之前是最黑暗的,就在瓦特绝望无助时,罗巴克的债主——伯明翰的富商博尔顿(Bolton)同意罗巴克用手中的瓦特蒸汽机专利股份来抵偿相关债务．

瓦特在1773年3月29日给他的新赞助商博尔顿的信中写到:“目前情况还不明朗,制造出理想的蒸汽机还需要大量的时间和资金”．此时瓦特踏上蒸汽机的改良之路已经是第8个年头了,8年间,他进行了无数次的试验,经历的失败和沮丧就连他自己也记不清了．

瓦特和博尔顿性格迥异,但他们在事业上却形成了完美的互补．1775年,距离瓦特获得分离式冷凝器的专利已经6年时间了,也就是说,专利使用期限仅剩8年,如果考虑研发还需几年,等到产品投放市场时,专利权也就到期,根本就没有多少利润了．然而,博尔顿竟能说服国会于1775年提交讨论延长专利有效期的议案,新的专利法案终于在1775年5月获得通过,专利权的有效期被延长至24年．[4]另外,加农大炮镗孔精加工的专家John Wilkinson帮助瓦特解决了活塞与大汽缸的气密性方面的疑难．因此,可以说瓦特蒸汽机是科学理论、工艺技术和企业资本结合的产物,缺少任何一方,都是不可能实现的．

1776年,瓦特蒸汽机在布鲁姆菲尔德(Broomfield)煤矿首次向公众展示其工作状态．此后,瓦特蒸汽机的订单纷至沓来,接下来的5年里,瓦特奔波于各个矿场的蒸汽机安装现场．1782年瓦特取得双向式蒸汽机(即双冲程机[5])的专利,同年他提出一种功率单位——马力．1783年,也就是第一台瓦特蒸汽机安装6年后,瓦特声称当地就只剩下一台纽可门蒸汽机了．

1784年瓦特成为爱丁堡皇家学会会员,同年取得了带有飞轮、齿轮联动装置和双向装置的高压蒸汽机的专利．由于瓦特对蒸汽机的改进所作出的重大贡献,1785年瓦特当选为伦敦皇家学会会员．瓦特还研究了水蒸气饱和蒸汽压与温度间的关系,发明了水银开口管压力指示器、锅炉水位计等．

为了使蒸汽机在有负载的时候仍能保持平稳运行,1788年瓦特发明了离心调速器,如图3所示,飞球飞行的速度越高,其运动半径就越大,安装一个与飞球转动半径成相反关系的阀门,这样就可以使运动半径越大时,蒸汽流量就越低,就这样,进入汽缸里的蒸汽的量得到了调节,蒸汽机于是有了不断修正自己“错误”的“头脑”,这就是人们所说的“机械自动化控制”．

图3

1784年4月28日,瓦特平生最得意的一项机械发明“平行传动装置”获得专利,实现了把活塞的往复运动转变为旋转运动的机构,使蒸汽机成为可用于各种不同用途的原动力机器．从此,制陶业、纺织业、采矿业、冶金业、造纸业等都陆续安装上了瓦特蒸汽机．

4 时代号角奏绝唱 文明翻开新篇章

瓦特不仅仅在改良蒸汽机方面做出过巨大的贡献,他还是一位博学多才的发明家和学者．

1763年瓦特首次发明了一台用来画三维物体的投影仪．1778年在博尔顿的鼓励和资金支持下,瓦特发明了拷贝机．瓦特还研制出了一种测量液体密度的仪器．

1783年瓦特出版《水的化学组成研究》[6]一书,指出水不是元素,而是一种化合物．这使得瓦特获得广泛赞誉,英国化学家戴维,英国物理学家托马斯·杨,德国的化学家有机化学创始人李比希(Liebig),法国物理学家阿拉果,美国物理学家亨利等众多权威人士都给与了高度肯定．

1785年6月4日,瓦特获得改良熔炉的专利．

瓦特对机械功的概念的建立也做出过重要的贡献．

能率数是指根据消耗一蒲式耳(bushel,约36 L)的煤炭,能把多少百万磅的水提高1英尺来计算的．纽可门蒸汽机的能率数一般在5左右,而瓦特蒸汽机的平均能率数约为17.5．[7]

“本公司向贵矿提供蒸汽机,所要求的回报仅为使用此机器比起用纽可门蒸汽机做相同的功所节省下来的煤碳的价值的三分之一．”[8]这是瓦特首次将蒸汽机做成商品时,所设计的广告宣传语．在与矿厂主的谈判中,亟待澄清如何理解“同样的功”．瓦特发现机器所施加的力越大,在力的作用下物体沿力的方向移动的距离越大,蒸汽机消耗的煤就越多．在瓦特蒸汽机替换纽可门蒸汽机的过程中,功的概念得以酝酿．1796年,设计出用汽缸内活塞的位置,即容积(V)和压强(p)的变化来表示做功多少的示意图——“示功图”(即p-V图),它成为19世纪初法国卡诺(carnot)创立热力学的基础．[9]在瓦特研究的基础上,1829年,法国科学家科里奥利(Coriolis)在其出版的《机器功效的计算》一书中正式指出:“作用于物体上的力和受力点沿力的方向的位移的标量积叫做该力的机械功”．

瓦特的另一项重要贡献是发明了一种用于土木工程测距的望远镜．1808年,他在格拉斯哥大学设立瓦特奖学金,到1809年时,瓦特成为“月光学会”最后一位健在的成员．1814年瓦特当选法兰西学院的外籍(仅有8名)院士．1819年8月25日瓦特在伯明翰的家中安详地离世,享年83岁．

瓦特最先提出用螺旋桨来推进轮船的设想,瓦特蒸汽机的发明为研究蒸汽航海提供了可行性．在以瓦特蒸汽机作为动力的基础上,1807年8月18日美国人富尔顿(Robert Fulton)发明的轮船试航成功,而1814年英国人史蒂芬孙(Stephenson)制造的蒸汽火车试车成功．

瓦特蒸汽机的普及,促使更多的人投身到蒸汽机的理论研究中来,以期从理论规律的高度来指导蒸汽机的进一步改良．1824年卡诺《论火的动力》发表,不可否认,卡诺对瓦特蒸汽机的理论研究,在“热力学”理论建立的过程中起到了关键的作用[10]．

瓦特蒸汽机的广泛采用,极大地推动了蓬勃兴起的工业革命．也使世界工业步入“蒸汽时代”．后人为了纪念瓦特,把功率的单位命名为瓦特．1821年以瓦特命名的“瓦特工艺学校”成立,在英国有50余条道路被命名为“瓦特路”．50英镑的一面就印有瓦特和博尔顿的肖像．多个国家发行邮票纪念瓦特,如英国1999年发行,古巴1996年发行,马尔代夫2000年发行,塞拉利昂2002年发行[11],德国2010年发行,马其顿2011年发行等等．

瓦特的讣告中写道:“他武装了人类,使虚弱无力的双手变得力大无穷”．瓦特给我们留下了一把开启工业时代大门的钥匙,后人接受他的馈赠,并沿着他开辟的道路继续前行．

“科学之路没有平坦的大道,只有不畏劳苦沿着陡峭山路攀登的人,才有希望达到辉煌的顶点”——詹姆斯·瓦特．