物理学史-瓦特

詹姆斯·瓦特(1736年1月19日-1819年8月25日)是英国著名的发明家，也是工业革命时期的重要人物。英国皇家学会成员和法国科学院外国院士。他对当时出现的蒸汽机原型机做了一系列重大改进。他发明了单缸单作用蒸汽机和单缸双作用蒸汽机，提高了蒸汽机的热效率和运行可靠性，为当时社会生产力的发展做出了突出贡献。他改进了蒸汽机，发明了气压计和蒸汽锤。后人为了纪念他，称瓦特为系统功率和辐射通量的测量单位，通常用符号“W”来表示。他的名字将永远铭刻在人类历史上。

瓦特于1736年1月19日出生于苏格兰格拉斯哥的格林诺克。瓦特童年时在文法学校学习，但他没有受过系统的教育。瓦特在他父亲的工厂学到了很多关于机械制造的知识，后来他在伦敦的一家钟表商店当学徒。1763年，瓦特去著名的格拉斯哥大学修理教学仪器。在大学里，他经常和教授讨论理论和技术问题。1781年，瓦特制造了一台双作用蒸汽机，从两侧推动活塞。1785年，他还因为对蒸汽机的改进做出了巨大贡献而被选为皇家学会的成员。瓦特于1819年8月25日在伯明翰附近的希思菲尔德去世。到目前为止，人们仍然可以在格拉斯哥大学的博物馆里看到瓦特的大理石雕像(这是瓦特的儿子送给格拉斯哥大学的礼物)。

在瓦特的讣告中，人们对他发明蒸汽机大加赞赏:

“它武装了人类，强化了弱者的手，完善了人类的大脑来处理所有问题。它为机械动力在未来创造奇迹奠定了坚实的基础，并将帮助和奖励后代的劳动。”

传记

首先，喜欢发现真相的孩子

瓦特于1736年出生在苏格兰西部的格林威治镇。他的祖父是教数学、测量和航海的老师。他的父亲是一名熟练的造船工人。后来，他经营造船业和建筑业，曾是一名仪器制造商和商人，并一度担任该小镇的地方行政官。受此影响，瓦特从小就和父亲一起学习各种手艺。他头脑和双手都很灵巧。他从小就学到了很多技术知识，并养成了独立思考和探索奥秘的兴趣和习惯。他的家庭环境在将来攀登技术高峰时起到了一定的作用。

瓦特从小就很虚弱，当他长大到可以上学时，他仍然不能去上学。他上学几年后，来到镇上的学校学习。在学校，他不喜欢和孩子玩，只喜欢独自冥想。关于他的童年，有一个众所周知的传说:有一天，小瓦特看到一壶水在家里沸腾，蒸汽冲锅盖跳。这一普遍现象引起了他的极大兴趣。他目不转睛地盯着跳动的盖子和蒸汽，对这个谜感到困惑。我看了一个多小时。由于瓦特经常观察到许多他不熟悉的现象，并且长期默默无闻，所以人们称他为“懒孩子”。事实上，正是这种好奇心和寻找底部的精神引导他探索世界的奥秘，攀登科学的高峰。

13岁时，他开始对几何感兴趣，15岁时，他完成了《几何原理》这本书的学习。后来他进入了一所文法学校，数学成绩优异。由于身体不好，他在毕业前辍学了。然而，他坚持在家自学天文、化学、物理、解剖学等多学科知识，并自学几种外语。瓦特17岁时在格拉斯哥的一家钟表商店当学徒。他在业余时间努力学习，进一步掌握了许多科学技术原理。当他还是学徒的时候，他曾经制作过技术要求更高的圆规和经纬仪。21岁时，他来到格拉斯哥大学担任助教实验室技术员，负责修理和制造仪器。那时，他对一些更先进的机械技术更加熟悉了。

第二，促进全世界的发明

人类对蒸汽的理解和利用经历了一个漫长的历史过程。早在公元前2世纪，古希腊人就制造了一种利用蒸汽喷射反应的发动机。1690年，法国人鲍比首次发明了第一台活塞式蒸汽机，但他没能制造出实用的蒸汽机。1698年，一位英国技术人员塞莱斯发明了实用的无活塞蒸汽机。这种机器在矿山得到应用，被称为“我的朋友”，但由于当时材料和技术的限制，无法推广。1712年，一个不知名的五金商纽科门发明了第一台实用蒸汽机。

蒸汽机是一项改变了工业发展进程的技术革新。纽科曼和他的管道工助手考利意外地发现，将压缩蒸汽引入气缸会产生局部真空，因此大气压力会推动气缸中的活塞。这样的蒸汽机，交替加热和冷却一个大汽缸，当然，效率极低，燃烧煤时浪费很多。然而，纽科门的蒸汽机最初用于煤矿，那里的煤价格很低，使用也很经济，所以很快就被广泛使用。然而，大量的煤的浪费毕竟是那种机器的一个严重缺点，特别是当它被用在其他地方时，成本太高，所以迫切需要提高蒸汽机的效率。

大约在18世纪中叶，英国工匠斯米顿和瓦特分别以完全不同的方式改进了纽科门的蒸汽机。他们两人的改进工作基本上仍在技术传统范围内进行，没有使用任何科学抽象。斯米顿后来成为土木工程师协会(斯米顿协会)的主席。他用纯粹的经验方法一个接一个有条不紊地测试原型。他没有改变基本设计，只是改变了各部分的尺寸。这样，他把纽科曼蒸汽机的效率提高了一倍。1765年的一个星期天，瓦特外出时，突然想到了他的解决办法。他的想法是纽科门蒸汽机的主要缺点是，它在每个冲程中使用冷水冷却汽缸一次，因此消耗了大量的热量，使大部分蒸汽不能被有效地利用。如果蒸汽压力在钢瓶外的另一个容器中被冷却，钢瓶在整个循环中可以保持高温。它避免了同时加热和冷却气缸，因此节省了大量的煤。瓦特自己筹集资金，租了一个地下室，买了必要的设备，反复实验，经历了无数的挫折和失败。在工人的帮助下，他终于发明了一种与气缸分离的冷凝器，解决了制造精密气缸和活塞的技术难题。与此同时，他用油润滑活塞，并在汽缸外增加隔热层，制造了一台单作用蒸汽机。经过进一步试验，1782年发明了一种带有连杆、飞轮和离心调速器的双作用蒸汽机，并制造了一种新的实用蒸汽机。这种双作用蒸汽机，安装阀门是利用蒸汽压力推动活塞，既向前又向后。借助连杆和飞轮，活塞的直线运动变为圆周运动。为了保持蒸汽机以恒定的速度运行，他在蒸汽入口阀上连接了一个离心调速器，使其自动调节蒸汽入口量。这种装置是技术上最早使用的自动控制器。他设计了一个独立于汽缸的冷凝器，从汽缸中传导高温蒸汽并冷却它，这样主汽缸就能保持一定的温度。与此同时，他提高了气缸的精度，使活塞和阀门平滑而紧密。瓦特的想法在原则上是非常新颖的，效率的提高是惊人的。通过与伯明翰机器制造商博尔顿在生产和销售方面的合作(这种合作非常成功和著名)，瓦特的蒸汽机很快被用户接受，并很快被广泛用于除煤矿以外的行业，从而促进了城市制造业的巨大发展。到1800年，英国有500瓦的蒸汽机，从那以后，蒸汽机的数量迅速增加。瓦特的蒸汽机成为一项真正的国际性发明，有效地推动了18世纪欧洲的工业革命，并将世界工业推向“蒸汽时代”。然而，瓦特的蒸汽机仍然依赖于大气压力，所以它必须又大又重(有时被称为“固定机器”)。到18世纪末，这种固定的机器通常被工厂用来推动机器。因为船体相对较大，早期的蒸汽船也可以由大气蒸汽机推动。然而，铁路机车是不允许的，有必要有更小的高压模型。1800年，另一个英国人特里维西克设计了更小的蒸汽机。

第三，历史上著名的天才发明家

1784年4月，英国*授予瓦特制造蒸汽机的专利证书。马克思曾经评论说，瓦特的伟大天才表现在他获得的专利说明书中。他没有把他的蒸汽机描述为一项特殊用途的发明，而是描述为一种大型工业中常用的发动机。

瓦特在英国和欧洲大陆其他国家的学术界和科学界享有很高的地位。他于1784年成为爱丁堡皇家学会的成员，并于1785年成为伦敦皇家学会的成员。1808年，他成为法国科学院的成员。1814年，他被选为法国科学院八名外国院士之一。各国科学界都认为瓦特是其中最著名的一个。

由于这样一个划时代的伟大发明，瓦特突然从一个贫穷的无名小卒变成了一个名利双收的大人物。他在11年内赢得了76，000英镑的专利税。为了保护他的专利，他晚年看起来有些迂腐。他经常起诉法院阻止和压制其他人的发明，甚至禁止他的助手用蒸汽来启动四轮车。这是一个科学家的悲剧，也是他的时代和社会给他留下的印记。尽管如此，他仍然是一个伟大的发明家。他的一生都集中在蒸汽机的发明上，这项发明持续了20多年。人们永远不会忘记他对科学技术和社会进步的巨大贡献。

1819年，83岁的瓦特在家中安详地去世。在他的一生中，他为人类的科学事业做出了杰出的贡献，全世界的人都怀念他。1824年，在他逝世五周年之际，伦敦公众在著名的威斯敏斯特教堂为他树立了一座纪念碑。瓦特一生努力学习，孜孜不倦地致力于科学。在前人成就的基础上，他发明了蒸汽机，为人类科技发展做出了划时代的贡献。为了纪念伟大的发明家瓦特，常用的功率单位叫做瓦特，简称瓦特。

轶事

1.瓦特和茶壶的童年故事

一天晚上，瓦特和一个小女孩在家喝茶。瓦特不停地摆弄茶壶的盖子，打开又关上。当他堵住喷口时，蒸汽推开了盖子。在一旁的奶奶对瓦特这个无聊的动作很不高兴，训斥道。瓦特不介意。他全神贯注于蒸汽的力量，从那以后就有了制造蒸汽机的想法。

瓦特改造蒸汽机的故事

一个夏天的早晨，天气晴朗，画眉在树上唱着甜美的歌。在格拉斯哥大学的校园里，有一个人在散步。他在绿色的草坪上慢慢地走来走去。有时他看着广阔的天空，有时看着平坦的操场，有时皱起眉头...突然，一个微笑出现在他的脸上，他的心情豁然开朗。他想出了一个解决蒸汽机的有效办法。他高兴地跑着，双脚腾空。此刻，他的身影出现在陪伴他多年的手术台上。

水蒸气的启示

随着智力教育的发展，瓦特对一些客观存在的事物产生了浓厚的兴趣，变得好奇和好奇。这为他后来发明蒸汽机奠定了良好的基础。

在瓦特的家乡玉山镇，每个家庭都生火烧水做饭。谁为这样一件普通的事留下了一颗心？瓦特离开了他的心。他看着祖母在厨房做饭。炉子上放着一壶开水。沸水正在沸腾。水壶的盖子啪的一声关上了，并且不停地敲打着。瓦特观察了半天，觉得很奇怪，不知道为什么，他问他的祖母，"是什么使盖子跳起来的？"

祖母回答说，水开了，就这样。

瓦特不满意地问道:为什么盖子打开时，水会跳动？有什么东西在推动它吗？

也许祖母太忙了，无法正确回答他，所以她不耐烦地说:“我不知道。”孩子们问这些问题有什么意义？瓦特没有在他祖母那里找到答案，而是受到了不公正的批评。他很不舒服，但他没有灰心。

一连好几天，每当做饭时，他都蹲在炉子旁边仔细观察。起初，水壶的盖子很稳定。过了一会儿，水要开了，发出很大的声音。另一方面，水壶里的水蒸气出来了，推动水壶的盖子跳起来。蒸汽不断上升，壶盖不断跳动，就像一个魔术师在里面变戏法一样。瓦特高兴得几乎要哭出来了。他揭开壶盖。他一次又一次地揭开盖子，反复验证。他还在蒸汽喷出的地方盖上了杯子和勺子。瓦特终于意识到是蒸汽推动了壶盖的跳动。蒸汽真的很强大。

正当瓦特兴高采烈的时候，祖母又开口了:“你这个孩子，你真是不知好歹。水壶有什么好笑的？快走开！”她漫不经心地说。

他的祖母过于急躁和主观。如果她不把它放在心上，它几乎伤害了瓦特的自尊和对科学知识的热情。老头，我一点也不明白瓦特的心。我不知道有多少水蒸气激发了瓦特！难道蒸汽推动盖子来敲打蒸汽机的物理现象不是瓦特理解的来源吗？

1769年，瓦特把蒸汽机变成了功率更大的单作用发动机。后来，经过多次研究，1782年，一台新蒸汽机的试生产完成了。通过机器上的连杆装置，将单一类型变成了旋转运动，并成功地发明了完美的蒸汽机。

瓦特的生活充满了艰辛和奋斗。他走的路多崎岖啊。他在艰难困苦中为人类创造了财富，为人类的进步开辟了新的里程碑。瓦特非常重视学习和实践:学习丰富了他的智慧；实践产生了丰硕的成果。

2.蒸汽机与工业革命

罗尔特的《詹姆斯·瓦特》曾写道，瓦特蒸汽机巨大而不懈的动力将生产方法带到了机械化的道路上，其规模在过去是无法想象的。"