蒸汽机的发明——以蒸汽为动力的时代

蒸汽机是一种将蒸汽能量转化为机械功的往复式动力机器。蒸汽机的出现对人类意义重大。它的出现引发了18世纪的第一次科技革命，创造了一个机器取代手工劳动的时代。蒸汽机被广泛用作动力机器。直到20世纪初，它仍然是世界上最重要的原动力。

当人们谈论蒸汽机时，他们总是把它和瓦特联系在一起，认为瓦特发明了蒸汽机，但事实并非如此。古希腊数学家亚历山大的英雄在1世纪发明了Aeolipile，这是蒸汽机的最早原型。1679年，法国物理学家丹尼斯·巴宾在观察蒸汽从高压锅中逸出后，制作了第一台蒸汽机的工作模型。托马斯·塞维利亚于1698年、托马斯·纽科门于1712年和詹姆斯·瓦特于1769年建造了早期工业蒸汽机。他们都对蒸汽机的发展做出了自己的贡献。

1764年，学校要求瓦特修理纽科门蒸汽机。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，为什么蒸汽不能在汽缸外凝结呢？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。根据瓦特的理论计算，这台新蒸汽机的热效率将是纽科门蒸汽机的三倍。理论上，瓦特的带分离器冷凝器的蒸汽机明显优于纽科曼的蒸汽机。然而，要把理论变成现实，把图纸上的蒸汽机变成真正的蒸汽机，还有很长的路要走。瓦特非常努力地制造了几台蒸汽机，但是效果不如纽科门的蒸汽机。即使到处漏风，也无法启动。尽管昂贵的实验使他负债累累，但他并没有因困难而退缩，继续进行实验。幸运的是，一个朋友把瓦特介绍给了一个非常富有的企业家，罗巴克，他在苏格兰的卡隆开办了第一家大型炼铁厂。那时，罗巴克已经快50岁了，但他仍然对科学技术的新发明倾注了极大的热情。他称赞了瓦特的新装置，并立即与瓦特签订了一份合同，赞助瓦特试制一台新的蒸汽机。从1766年开始，瓦特克服了材料和技术上的各种困难，终于在1769年制造了第一个原型。同年，瓦特因发明冷凝器而在改造纽科门蒸汽机的过程中获得了他的第一项专利。与纽科门的蒸汽机相比，瓦特的蒸汽机仍然是现代意义上的第一台蒸汽机，尽管除了热效率的显著提高之外，它在驱动其他工作机器作为动力机器的性能方面没有取得实质性进展。

蒸汽机的出现和改进促进了社会经济的发展，但同时经济的发展又对蒸汽机提出了更高的要求，如高功率、高效率、重量轻、体积小等。尽管人们对蒸汽机做了许多改进，扩大了它的应用范围，提高了它的性能，但随着汽轮机和内燃机的发展，蒸汽机由于其不可克服的弱点而逐渐衰落。蒸汽机具有巨大的历史作用。它促进了机械工业乃至社会的发展，解决了大型机械生产中最关键的问题，促进了交通运输的空前进步。随着热力学的发展而建立起来的热力学为汽轮机和内燃机的发展奠定了基础。汽轮机继承了蒸汽机以蒸汽为工作介质的特点和采用冷凝器降低排汽压力的优点，摒弃了往复运动和间歇进汽的缺点。内燃机继承了蒸汽机的基本结构和传动形式，采用直接向气缸内输入燃油燃烧的方式，形成了热效率更高的热力循环。同时，蒸汽机中使用的汽缸、活塞、飞轮、飞轮调速器、阀门和密封件都是许多现代机器的基本部件。[2，3]

蒸汽机的发明使蒸汽动力取代了原始的人类、动物和自然能源，如风力和水力。它把人类带入了工业化大生产时代，深刻地改变了整个社会的形态和人们的生产生活方式。它把人类带入了一个快速发展的时期。蒸汽机的发明是人类智慧的结晶，反映了几代科学家的不懈努力，反映了人类理解和改造自然的能力，具有划时代的意义。然而，正如马克思所说，新事物是在旧事物的母体中孕育出来的。它从旧事物中吸收合理的、积极的因素，增加旧事物所不能包含的新内容，摒弃和克服旧事物中过时的、腐朽的、消极的因素。因此，它比旧东西有无可比拟的优势。新事物顺应事物发展的必然趋势，具有强大的生命力和广阔的发展前景。蒸汽机的发明在一定时期内是一件新事物，可以促进社会的发展。然而，当社会发展到一定时期，它最终会变成旧的东西，被新的东西所取代，电气时代应运而生。

摘自清华出版社授权的《科学技术史与方法论》

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