瓦特发明蒸汽机

瓦特(1736 ~ 1819)被公认为世界蒸汽机的发明者。他的创造精神、超人的能力和不懈的学习为后代留下了宝贵的精神和物质财富。瓦特改进和发明的蒸汽机是对现代科学和生产的巨大贡献，具有划时代的意义。它导致了第一次工业技术革命的兴起，极大地促进了社会生产力的发展。(1)

瓦特于1736年出生在苏格兰格拉斯哥附近的一个小镇格林诺克。他的父亲是一个有经验的木匠，他的祖父和叔叔都是机械工匠。瓦特，一个十几岁的孩子，由于贫困的家庭环境和体弱多病，没有接受过完整的正规教育。他曾在格林诺克的一所文法学校学习，数学成绩优异，但在毕业前辍学了。然而，在父母的指导下，他一直坚持自学，并一直对物理和数学感兴趣。瓦特在六岁时开始学习几何，到他十五岁时，他已经读完了《物理原理》等书。他经常自己修理和制造起重机、滑轮和一些导航设备。1753年，瓦特去格拉斯哥当学徒。由于收入太低，无法养活自己，第二年他在伦敦的一家乐器修理店当学徒。凭借他的勤奋和求知欲，他很快就学会了制造难度更大的乐器。然而，繁重的工作和艰苦的生活损害了他的健康。一年后，他不得不回家休养。一年的学徒生涯让他感到又苦又苦。它还训练了他精湛的技艺，培养了他坚韧的性格。

1756年，当他的健康略有好转时，瓦特再次踏上了通往格拉斯哥的崎岖之路。他想成为一名制造乐器的工人，但是因为他的手艺不够好，当时的行会是不允许的。幸运的是，瓦特的才华引起了格拉斯哥大学教授塔尔克的注意。在他的介绍下，瓦特作为一名教学仪器工人进入了格拉斯哥大学。学校当时有比较完善的仪器设备，这使瓦特懂得了先进的技术，拓宽了他修理仪器的视野。这时，他开始对蒸汽驱动的机械感兴趣，并开始收集相关信息。为此，他还学习了意大利语和德语。在大学里，他遇到了化学家约瑟夫·布莱克和约翰·罗宾逊。瓦特从他们那里学到了许多科学和理论知识。1764年，瓦特与他的表妹玛格丽特·米勒结婚。

(2)

1764年，学校要求瓦特修理一台纽卡斯尔式蒸汽机。在修理过程中，瓦特熟悉了蒸汽机的结构和原理，发现了蒸汽机的两个主要缺点:活塞的不连续和缓慢运动；蒸汽利用率低，原材料浪费。后来，瓦特开始思考改进的方法。直到1765年春天，在一次散步中，瓦特想，既然纽科门蒸汽机的低热效率是由汽缸中的蒸汽凝结引起的，为什么不能允许蒸汽在汽缸外凝结呢？瓦特提出了使用独立冷凝器的最初想法。

这一想法产生后，瓦特在同一年设计了一台带有独立冷凝器的蒸汽机。根据设计，调节阀连接在冷凝器和汽缸之间，使它们能够连通和分离。这样，工作蒸汽可以被引入到汽缸外部的冷凝器中，并且在汽缸中可以产生相同的真空，从而避免汽缸在冷却和加热过程中的热量消耗。根据瓦特的理论，这台新蒸汽机的热效率将是纽科门蒸汽机的三倍。从理论上讲，瓦特的带分离器冷凝器的蒸汽机显然比纽科门的蒸汽机好，但要把理论变成实际，把图纸上的蒸汽机变成真正的蒸汽机，还有很长的路要走。瓦特辛辛苦苦地制造了几台蒸汽机，但效果不如纽科门的蒸汽机，甚至到处漏气，无法启动。尽管昂贵的实验使他负债累累，但他没有逃避困难，继续进行实验。当布莱克知道瓦特的目标和困难处境时，他把瓦特介绍给他非常富有的朋友，化学工程师罗巴克。那时，罗巴克是一个非常富有的企业家。他在苏格兰的卡隆开办了第一家大型炼铁厂。尽管那时罗巴克将近50岁，他仍然对科学技术的新发明倾注了极大的热情。他称赞瓦特的新装置，当时他才30多岁，并立即与瓦特签订合同，赞助瓦特试制一台新的蒸汽机。

从1766年起，在三年多的时间里，瓦特克服了材料和技术上的各种困难，终于在1769年制造出了第一个原型。同年，瓦特在创新纽科门蒸汽机发明冷凝器的过程中获得了他的第一项专利。尽管第一台带冷凝器的蒸汽机已经试制成功，但与纽科门蒸汽机相比，除了热效率显著提高之外，它在驱动其他工作机器作为动力机器方面没有取得实质性进展。也就是说，瓦特的蒸汽机仍然不能用作真正的动力机器。

由于瓦特的蒸汽机仍不理想，其市场并不广阔。当瓦特继续他的探索时，罗巴克自己也濒临破产。他把瓦特介绍给他的朋友、工程师和企业家博尔顿，这样瓦特就可以得到赞助继续他的研究工作。博尔顿是一名40多岁的能干的工程师和企业家。他对瓦特的创新精神表示赞赏，并愿意赞助瓦特。博尔顿经常参加社交活动，他是当时伯明翰著名科学学会“满月会”的主要成员之一。这个社会的大多数参与者是当地的科学家、工程师、学者和科学爱好者。经过博尔顿的介绍，瓦特也加入了满月协会。在满月会的活动中，瓦特对当时人们所关注的气体化学和热化学有了更多的了解，这是由于他与普列斯特雷特等化学家的交流，这为他后来参与关于水的化学成分的辩论奠定了基础。更重要的是，满月协会的活动使瓦特进一步增加了他的科学知识，活跃了他的科学思维。

自从与博尔顿合作以来，瓦特在资金、设备和材料方面得到了强有力的支持。瓦特还生产了两台带有独立冷凝器的蒸汽机，由于没有显著的改进，它们没有受到社会的关注。这两台蒸汽机花了很多钱，把博尔顿带到了破产的边缘，但他仍然给了瓦特慷慨的支持。在他的支持下，瓦特坚持不懈地继续他的研究。自从1769年带有独立冷凝器的蒸汽机样机试生产以来，瓦特发现热效率低不再是他的蒸汽机的主要缺点，只有活塞的往复直线运动才是它的根本限制。1781年，瓦特仍在参加满月协会的活动。也许成员们提到了天文学家赫歇尔发现的天王星的圆周运动和围绕太阳的行星启发了他。也许时钟齿轮的圆周运动启发了他。他认为，通过将活塞的往复直线运动转变为旋转圆周运动，动力可以传递给任何工作的机器。同年，他开发了一种叫做“太阳和行星”的齿轮连杆机构，并最终将活塞的往复直线运动转变为齿轮的旋转运动。为了增加车轴旋转轴的惯性，使圆周运动更加均匀，瓦特还在车轴上增加了一个飞轮。作为对传统组织的这一重大创新的结果，瓦特的蒸汽机真正成为了能驱动所有工作和一切的动力机器。1781年底，瓦特因发明了带有齿轮和杠杆的机械联动装置而获得了第二项专利。

由于增加了轮轴和飞轮，此时蒸汽机在将活塞的往复直线运动转化为轮轴的旋转运动时消耗了更多的能量。这样，蒸汽机的效率不是很高，功率也不是很大。为了进一步提高蒸汽机的效率和增加蒸汽机的效率，瓦特在发明齿轮连杆机构后研究了汽缸本身。他发现，虽然他把纽科门蒸汽机的内部冷凝变成了外部冷凝，蒸汽机的热效率得到了显著提高，但蒸汽驱动他蒸汽机中活塞的冲程过程与纽科门蒸汽机没有什么不同。两者的蒸汽是一个单一的运动，从一端进入，从另一端排出。他认为如果蒸汽能从两端进出，它就能上下推动活塞。然后，他的效率可以翻倍。1782年，瓦特基于这一假设开发了一种带有双向装置的新圆柱体。于是瓦特获得了他的第三项专利。这是瓦特在改进纽科门蒸汽机过程中的第三次飞跃。通过这三次技术飞跃，纽科门的蒸汽机完全演变成了瓦特的蒸汽机。

从最初接触蒸汽技术到瓦特蒸汽机的成功开发，瓦特经历了20多年的艰难历程。尽管瓦特遭受了许多挫折和失败，他仍然坚持不懈，没有放弃。他终于完成了纽科曼蒸汽机的三项创新。蒸汽机已被广泛使用，并已成为改造世界的动力。

1784年，瓦特在创新纽科门蒸汽机的过程中获得了他的第四项专利，这种蒸汽机是由带有飞轮、齿轮连杆和双向装置的高压蒸汽机综合组装而成的。1788年，瓦特发明了离心调速器和节流阀。1790年，他发明了汽缸指示器，从而瓦特完成了蒸汽机发明的整个过程。

(3)

1785年，瓦特被选为英国皇家学会的成员。1814年，他被法国科学家协会接纳为外国会员。

1790年后，慷慨的专利税使瓦特成为一个非常富有的名人。1819年8月5日，瓦特在希思菲尔德县的家中去世。他的尸体被埋在汉沃斯郊区的一座教堂里。

瓦特生活在18和19世纪的英国，因此他不可避免地受到时代和阶级的限制。他曾阻挠双筒蒸汽机和高压蒸汽机的发明和推广，并嘲笑其他人用蒸汽机驱动汽车的努力。

总的来说，瓦特为蒸汽机的普及和使用做出了不可磨灭的重要贡献，有效地促进了社会的进步。恩格斯在他的《自然辩证法》中写道:“蒸汽机是第一个真正的国际性发明...美国瓦茨公司增加了一个独立的冷凝器，这使得蒸汽机在原理上达到了现在的水平。为了纪念这位伟大的发明家，后世把功率单位设定为“瓦特”。