胡翌霖 | 蒸汽机的发明

作者 胡翌霖 (清华大学助理教授)

责编 许嘉芩 刘愈

作者 胡翌霖 (清华大学助理教授)

责编 许嘉芩 刘愈

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对煤矿的需求当然又促进了采矿技术的发展。在采煤工业中，一个很重要的工作是从矿井中排出地下水，这就需要使用抽水机。

早期的抽水机使用畜力驱动，到1698年，英国工程师萨弗里发明了蒸汽泵，用蒸汽冷凝形成的真空抽水，再用蒸汽把水压出。萨弗里的蒸汽泵只是一个单纯的水泵，专门用于矿井排水，并没有把蒸汽转化为机械动力。

▲萨弗里的蒸汽泵

1712年，纽可门发明第一台实用蒸汽机，他把汽缸和锅炉分开来，在汽缸中加入冷水喷射器，汽缸充满蒸汽后使之冷凝产生真空，让大气压做功，形成往复的机械运动。

钮可门蒸汽机真正把燃料转化为机械动力，但实际上主要还是被用于矿坑抽水。

钮可门蒸汽机原理图，水蒸气从a阀门放入，b阀门喷入冷水，水蒸气冷凝后在汽缸内形成真空，拉起重物。

▲钮可门蒸汽机（1744年版画）

18世纪中叶，随着对煤矿需求的增加，蒸汽机的改进也变得日益迫切。设法改良蒸汽机的不止瓦特（1736-1819）一个人，比如斯米顿也在尝试改良，他的方法是不断调试，改变钮可门蒸汽机每一个部件的尺寸看看效果，最终他把钮可门蒸汽机的效率提高了一倍。但还是比不上瓦特的新设计。

瓦特是一个仪器修理员，上一讲提到18世纪形成了一条仪器产业，既然这些实验仪器经常被演示，那就总要损坏，于是就需要人去修理，瓦特当时就是一个专业的维修工。1764年，他应邀去一所大学修理那里的钮可门蒸汽机，他因此注意到钮可门蒸汽机效率低下的问题，到1765年，他灵机一动，想到了一种改进方式，1769年他就为他的发明申请到了专利。

瓦特蒸汽机的一个关键改进是把冷凝器独立出来，与汽缸相分离，这样就保证汽缸在运转过程中总是热的，而不是一下冷一下热，这就大大减少了能量损耗，增加了效率。

瓦特蒸汽机原理图，相比钮可门蒸汽机，关键的改进就是独立的冷凝器，打开c阀门让蒸汽进入冷凝缸做功，冷凝器总是冷的，而汽缸总是热的，大大减少了能量损耗。

▲瓦特蒸汽机示意图（1797版画）

另外，钮可门蒸汽机只产生往复运动，而瓦特让蒸汽机带动轮轴的旋转，这就使得蒸汽机的应用领域大大扩展了，当然它最初还是在煤矿那里普及的。

瓦特蒸汽机的普及除了因为效率高之外，也得益于瓦特高明的营销手段。话说当时的矿场都用惯了钮可门蒸汽机，对于瓦特蒸汽机究竟有多好并没有明确的概念，而重新更换一台机器成本很高，怎么说服他们换机器呢？瓦特的办法是直接先把蒸汽机送给你用起来再说，然后按照新机器相比原先使用钮可门蒸汽机节约下来的燃煤费用的一定百分比来收取租金。这样的话对矿场主而言更换机器几乎没有风险，而对瓦特而言，细水长流地收租金其实比直接卖机器更赚。这样一来，瓦特蒸汽机很快在英国普及，瓦特个人也是名利双收了。

钮可门和瓦特的蒸汽机都是依靠大气做功，体积巨大，只适合于安置在固定的位置运转，或者驱动大型汽船，但难以驱动车辆。所以火车的出现还需要等1800年左右特里维西克发明小型高压蒸汽机。

高压蒸汽机的体积大大缩小，但效率也不差，特里维西克最初设想他可以和瓦特竞争，给矿场主提供更好的选择。可惜他碰上的是营销大师瓦特，瓦特很快就营造舆论，说高压蒸汽机不安全，结果特里维西克的推销四处碰壁，没人敢买。

最后特里维西克只好另辟蹊径，在伦敦搞了个环形铁路，让一个蒸汽驱动的火车在里头跑，取名“谁能追上我”（Catch Me Who Can）（图14.2.6）。收费进场，进去以后可以追着火车跑着玩儿（图14.2.7）。虽然这个活动可能只办了几周，但总算是抓了不少眼球。

▲“谁能追上我”入场券，下面写着“机械的力量征服动物的速度”（1808年）

在1814年蒸汽火车终于被实用化了，首先是被用于煤矿之内短途拉煤。到1830年，出现了第一条面向公众的铁路线（利物浦到曼彻斯特）。40年代开始铁路大流行，英国到处都在兴建铁路。

铁路工业本身又需要大量的钢铁，这反过来又推动了钢铁工业的发展。我们看到整个工业革命是一环扣一环，各方面的技术革新互相推动。

钢铁工业需要煤，这就促进了煤炭工业；而煤炭工业需要抽水和运输，这就促进了蒸汽机和铁路的传播，而铁路的修建又需要钢铁……

在纺织技术方面的技术革新更是经常被人津津乐道的，纺纱技术与织布技术交替革新，互相推动，这方面我就不多介绍了。

总之，工业革命是一系列循环激励的成果，农业、商业和工业互相刺激，各门技术之间互相刺激，一个日新月异的工业时代拉开帷幕。

▲本文摘自《过时的智慧——科学通史十五讲》，上海教育出版社，2016年7月出版。

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