第八讲 蒸汽机

1.蒸汽机前史

工业革命最具标志性的机械毕竟是蒸汽机，而詹姆斯·瓦特则是工业革命的代表人物。

当然，瓦特并不是第一台蒸汽机的发明人，在他之前，钮可门的蒸汽机早已在英国的矿场流行。要追溯蒸汽机的起源，还要从更早讲起。

之前提到，早在公元1世纪，希腊人希罗就已经发明出靠蒸汽驱动旋转的气转球装置（图8.1），以及其它许多火力、水力、风力、气动装置（如图8.2、图8.3）。传说中阿基米德也发明过蒸汽驱动的大炮。

莱昂纳多·达芬奇也重新设计过蒸汽大炮（图8.4），达芬奇主要以绘画名著于世，但他自己的身份认同其实主要是军事工程师，他还设计过直升飞机（图8.5）、扑翼飞机（图8.6）、坦克车（图8.7）等战争机器，可惜大概是太过超前，没有付诸现实。

但钮可门和瓦特最初的蒸汽机与汽转球和蒸汽炮不大一样，汽转球和蒸汽炮是蒸汽做功，但钮可门和瓦特的蒸汽机其实是大气压做功。它们依赖的其实是大气对真空容器的压力形成动力。这类“大气机”的基本概念首先要追溯到真空泵。

在科学革命时期，对气体和真空的研究成为热门。在古希腊科学家看来，“真空”是不存在的。在亚里士多德看来，空间无非就是事物的轮廓，没有任何事物存在的纯粹的空间是不可想象的。而到了近代，越来越多人以各向同性的纯粹空间取代了各向异性的有机宇宙，真空的概念终于得到了公认。

同时，对真空的认识也是理论科学最早与实际工程问题相结合的一个例子，首先是水泵技术的发展刺激了相关研究。在当时，随着水泵技术不断精益求精，它的固有极限显得越来越碍眼了。那就是，无论如何精密打造的水泵，顶多都只能把水抽到10米左右的高度，再也不可能往上抽了。

人们在工程实践中发现了这一问题，便想到找科学家求解。在1635年，某位公爵就把这一难题委托到了伽利略头上。垂老的伽利略本人并没有解答这一难题，在1642年就去世了。不过伽利略最后几年的秘书，托里拆利延续了这一课题，最终在1643年给出了解答。托里拆利提出了真空与大气压的概念，并发明水银气压计（图8.8）以演示和测量大气压和真空的存在。

1650年，马德堡市长盖里克发明了真空泵（图8.9），并在1654举办了声势浩大的公众演示（图8.10），在神圣罗马帝国皇帝的见证下，两个半球之间抽成真空后，由30匹马都拉不开。

稍后，到1659年，波义耳在胡克的协助下改进了真空泵，把金属半球改成了中空玻璃容器（图8.11）。玻璃容器的好处是可以在真空环境下做看得见的实验，虽然不如马德堡半球声势大，但内容更丰富，设置更灵活，颇受公众欢迎。约瑟夫·莱特1768年的油画《气泵里的小鸟实验》（图8.12）中，描绘了17-18世纪流行的公众科学实验的场景，科学家演示当抽走空气后小鸟很快死亡，观众有时尚的男女青年，和带着带着孩子的家长。在大大小小的公众实验的推动下，真空的概念和现象很快深入人心。

接替胡克，丹尼斯·帕潘（Denis Papin，1647-1713）也为波义耳做过助手，辅助进行真空泵等各种实验。在1681年，他发明了一种“软化骨头的器具”，初衷是为了更妥善地处理实验过程中产生的动物尸骨（比如气泵里死了不少小鸟）。这一器具实质就是最早的“高压锅”（图8.13）。

用过高压锅的人都知道，高压锅并不能完全密闭，最关键的技术环节其实是“安全阀”（图8.14），要保证高压气体能适当漏出。排除蒸汽之后，一旦内部蒸汽冷却，气压就会减少，造成锅盖被“吸住”的现象。

可能是在高压锅的发明中受到启发，结合了阀门和活塞，帕潘随后又发明了活塞蒸汽机（图8.15）。在这一蒸汽机中，蒸汽冷却之后不是吸住锅盖，而是吸住活塞，产生机械动力。

2.萨弗里和钮可门

帕潘最初的蒸汽机还只是实验室模型（他到后来还在莱布尼茨的帮助下改良过萨弗里的蒸汽机），而第一个商用的“蒸汽机‘，是萨弗里在1698年取得专利的”矿工之友“（图8.16）。

严格来说，它不是一个“蒸汽机”，而只是一个“蒸汽泵”。它不包含活塞，并不输出机械动力，而只是利用蒸汽冷却之后产生的真空把地下水抽上来。

顾名思义，“矿工之友”是给矿场用的。当时英国的城市化和各种手工业的发展，激化了能源短缺的状况，煤炭开始在许多领域替代木材。而煤矿往往都伴随着地下水脉，开采过程中必须不断地排出地下水才行，因此，萨弗里的水泵在煤矿大有用武之地。蒸汽泵需要反复加热缸体，燃料消耗极大，在煤矿中也正好能就地取材。

当然，这种水泵无法超过大气压的极限，也就是说，它不可能把水抽到10米以上的地方。实际使用时可能有效高度只有6、7米。随着英国煤矿的不断开发，煤矿越挖越深，远远超过10米的矿井比比皆是，这就需要在不同深度布置多台蒸汽泵，接力运作。

不过萨弗里蒸汽泵也有好处，相比之后的钮可门蒸汽机或瓦特蒸汽机，萨弗里蒸汽机体积更小，容易搬动，适合灵活布置。因此在18世纪后半叶仍有一定市场。

另外值得一提的是，萨弗里取得了蒸汽机的专利，当时也正好是英国的专利制度趋于健全的时期。1624年英国《反垄断法》确立了专利权，但一开始管辖范围还比较模糊，主要是针对商品的专营权。而到了1690年，洛克在《政府论》中提出“知识产权”的概念，把知识本身也明确纳入了保护。

萨弗里的蒸汽泵就得到了专利保护，之后钮可门在世的时候一直都要给萨弗里交专利费。专利制度虽然限制了技术的复制，但激励了更多人积极投入发明创新之中，整个18世纪，发明家们前赴后继地对蒸汽机发起改进。

钮可门在1712年综合了帕潘和萨弗里的技术，发明了钮可门蒸汽机。充满蒸汽的汽缸冷却后并不是直接用于抽水，而是去抽拉活塞，再让活塞连接机械装置去驱动机械抽水机（图8.17）。另外，通过阀门控制，钮可门蒸汽机通过向汽缸内部（而非外壁）喷洒冷水来让蒸汽冷凝，从而节省了一定的热量消耗。

钮可门蒸汽机的商业化也比较成功，在1733年已经有大约125台蒸汽机在矿场运作。这些布置在矿场的蒸汽机都非常庞大，但钮可门蒸汽机还有许多供教学和实验使用的模型机（图8.18），这些实验器具的流行给瓦特的改进创造了机会。

3.瓦特遇到蒸汽机

詹姆斯·瓦特（1736-1819）出生于一个工匠家庭，他的祖父和父亲都从事造船业，包括航海仪器维修，在自家后院开设了工坊。

但到了这个时代，“工匠家庭”早已不再意味着“家境贫寒”，事实上，瓦特的祖父声望颇高，做了当地的市政官和参议员。瓦特的母亲则出身于传统的书香门第。可以说瓦特出身于富裕和优渥的家庭环境。

瓦特有几个哥哥姐姐，但都夭折了，幸存的小瓦特备受呵护，直接起了父亲的名字（詹姆斯）。瓦特小时候也体弱多病，因此没有被送去正规学校，而是被送到母亲娘家去接受教育，受到了良好的数学和文法训练（当然，瓦特更爱好数学）。当然，稍大一些后，瓦特上过文法学校，还经常在父亲的工坊里学习。相比学术研究，瓦特显然更喜欢摆弄仪器。

到瓦特18岁时，母亲去世了，父亲的健康也每况愈下，他只身前往伦敦，学了一年仪器制造。

中世纪晚期以来，手工业行会已经充分发展起来，各门工艺对于从业者都有严格要求，一般都需要有可靠的师承关系，并经历至少7年的学徒期，才能够独立“出师”，自己经营自己的工坊。而瓦特的学徒经历显然不够，虽然从小就在母亲的家教和父亲的工坊中自学成才，但若要在行业中立足，还是四处碰壁。

最后瓦特回到了家乡格拉斯哥谋生，此时机遇降临了。当时格拉斯哥大学有一批损坏的天文仪器需要维修，通常它们需要被运送到其它大城市找专业的工匠修理，一来一回大费周章。但有人提议不妨让本地的瓦特先试试，大不了修不好再运出去。而瓦特也非常争气，完美完成了维修任务。因此受到了格拉斯哥大学若干知名教授（包括化学家布莱克、经济学家亚当·斯密）的举荐，被允许在格拉斯哥大学开设一间仪器维修工坊（1757年）。

入职大学之后，瓦特也没有满足于维修员的本职工作，而是和大学中的许多教授和学生都保持良好的交往。在1759年，他就与约翰·克雷格（John Craig）合伙经营乐器与玩具，直至1765年克雷格去世。

同时，在与布莱克、罗比森（John Robison）等大学中结识的朋友交流中，瓦特逐渐对蒸汽机产生兴趣。正好，到1763年，瓦特接到了维修钮可门蒸汽机的任务，给了他近距离考察蒸汽机的机会。

刚才我们说到，作为教学仪器的蒸汽机模型是缩小版的。我们知道，在钮可门蒸汽机中，汽缸壁要被反复加热和冷却，而在体积缩小时，缸体表面积带来的热量损耗就变的更加显著，蒸汽机的效率显得特别低。这种低效率让瓦特感到不满，因而想到了要改进它。

瓦特的改进首先是针对蒸汽的冷凝过程。他增加了独立的冷凝器（图8.19），只要开启阀门让冷凝汽缸与充满蒸汽的动力汽缸打通，就可以让蒸汽冷凝。但在阀门关闭时，冷凝器相对独立，这样就不需要让汽缸壁被反复加热和冷却，而是可以保持连接活塞的动力汽缸始终是热的，而冷凝汽缸始终是冷的，大大减少了能量损耗。

他在1765年取得了这一关键突破，并在1769年取得了专利。

4.瓦特的“水壶”

瓦特是怎么想到蒸汽冷凝的改进方案的呢？并不是简单的“灵机一动”，而是与长期的思考和有针对性的实验有关。

关于瓦特，有一个广为人知的“神话”故事，那就是少年瓦特很小的时候就表现出来非凡的求知欲，有一天他注意到烧开的水壶咕嘟嘟冒气，就对蒸汽产生了兴趣，因为沉迷水壶，而被长辈训了一顿。

这个流传甚广的故事得到过瓦特的儿子和姨妈的确认（这并不能证明该故事是真实发生的，很多时候为了强调发明家或科学家优先权，科学家本人或其继承人经常会编造类似的灵感故事）。“水壶”甚至成为了工业革命的象征（图8.20）。但在流传过程中，其具体细节变得面目全非。除了长辈经常从姨妈换成奶奶（事实上瓦特的奶奶在瓦特出生前就去世了）之外，最关键的细节是，瓦特究竟对水蒸汽的什么方面感兴趣？

在流行的版本中，瓦特感兴趣的是蒸汽顶开壶盖的力量（图8.21），从而想到了开发蒸汽的动力。但这无疑是一个误解，我们已经说明了，首先，瓦特并不是蒸汽机的首创者，不需要从水壶中重新发现蒸汽的力量；其次，瓦特和钮可门的蒸汽机，都不是利用蒸汽膨胀而顶出来的压力，而是正相反，利用蒸汽冷凝之后“缩回去”的力，也就是缸内真空导致外部大气压做功，原理和蒸汽顶开壶盖完全不同。

但另一幅绘画（图8.22）可能更接近故事的原意。小瓦特关心的不是蒸汽的“力量”，而是蒸汽的“性质”，是蒸汽与水的关系。在这个版本的故事中，小瓦特拿着银汤匙凑近水壶嘴，仔细观察蒸汽冷凝的现象。

瓦特一生都保持着对化学的兴趣，他写过几篇化学论文，包括“水的组成”问题、“人造气体的药用价值”等，可见，他对水和气体长期保持兴趣。他受到当时燃素论传统和布莱克的潜热理论的影响，认为水蒸气冷凝是一个水与“热”之间的化学反应。

那么，瓦特对水的成分和水蒸气的性质的长期兴趣，是否帮助他想到了蒸汽机的改进方案呢？许多人不承认其中的关系，因为瓦特的化学观念和潜热概念从现在看来都是错误的。但是，错误的理论未必不能启发成功的实践。他的科学兴趣首先帮助他聚焦于冷凝过程，其次也促使他有意识地采取实验方法。

在瓦特1765年（取得突破前夕）的实验手稿中，水壶的形象令人瞩目（图8.23）。瓦特的发明的确与水壶密不可分，关键并不是作为少年时代的灵感来源，而是作为实验用具。这一页手稿说的是测量水蒸气冷凝前后的体积变化，瓦特的数据其实偏差极大。

这种通过有理论指导的（无论理论是否正确）定量实验（无论测量是否准确）来推动进行有意识的技术改进，是古代工匠传统中所缺乏的，也是科学革命之后的新现象。在瓦特的时代，理论科学与技术发明仍然是脱节的，仍不能把技术简单地看作是科学的“应用”。但这种科学与技术的亲密关系已经初露端倪了。

现代技术与现代科学共享着一种核心的逻辑，那就是“预先控制”，通过定量测算和受控实验，事物在实际产出之前就已经被决定好了一切。

在实际生产之前，瓦特就已经通过模型机获得了专利，认定为消耗同样的煤产生钮可门机的四倍动力。这里蕴含的“功率”的概念本身就是新颖的，后来人们以“瓦特”作为功率的单位，以示纪念。

瓦特的贡献并不是从零发明蒸汽机，而是在现有蒸汽机的基础上改良其“功率”，这一事实反而更加凸显他作为工业革命标志人物的象征意义。工业时代是一个崇尚“效率”的时代，这种由定量实验科学指导下的有计划的对效率的改良，是古代工匠传统中极为罕见的。我们已经看到，古代的机械设计更多地考虑到的是如何巧妙地达成目的，但并不会特意去精确计算效率或功率问题。瓦特的发明成为工业时代的心脏，而瓦特发明的方式也体现了工业时代的精神。

5.博尔顿与月光社

工业时代更重要的联盟不只是科学与技术的结合，还有技术与商业的结合。科学技术与新兴的资本主义重商环境互相支持，推动了现代工业的高歌猛进。

好的创意不一定总能变成成功的商品。瓦特取得专利之后，找到了在化学工业小有成就的罗巴克合伙成立公司，生产蒸汽机。但因为活塞和汽缸的加工工艺不到位，投产遇到挫折，最终导致公司破产。

瓦特和罗巴克破产之后，瓦特的专利被用于清偿，其中一位大债主博尔顿（Matthew Boulton）选择了拿专利抵债（另一位大债主缺少点眼光，选择拿现金）。本来瓦特的专利将于1775年到期，而博尔顿游说议会，把专利延期到1800年，

眼光长远的博尔顿不但要专利，还要瓦特本人，他和瓦特合伙成立了“博尔顿—瓦特”（Boulton＆Watt）公司。让瓦特在博尔顿支持下进一步改良蒸汽机，同时引入最先进的制造工艺，成功投产。

博尔顿还使用了天才的销售策略。因为当时钮可门蒸汽机早已在矿场流行，在庞大的机器能够正常使用的情况下，很难说服一个矿场主推倒重来，更换一台尚不知究竟的全新机器。所以博尔顿—瓦特公司最初的销售策略是“免费改装”。针对已经布置了钮可门蒸汽机的矿场，公司提供免费的上门服务，现场改装（增加独立的冷凝器），然后矿场主只需要从未来节省下来的煤炭按照一定比例分期支付利润即可，不省煤不要钱。这样一来，立刻就打消了矿场主的顾虑，不装白不装，于是瓦特蒸汽机就迅速打开局面，名利双收了。

那么这位博尔顿何许人也？他是一个成功的企业家，在当时靠制造小玩艺（金属小工艺品，如图8.24）发家。更重要的是，他交际面非常广，和政界、商界和学界人士都有交情。作为业余的科学爱好者，他发起并主持了当时最重要的科学社团——月光社（Lunar Society）。

月光社因每逢满月聚会而得名，成员包括博尔顿、老达尔文（查尔斯·达尔文的祖父，作家，博物学家）、富兰克林（美国国父，电学家）、威廉·斯莫尔（医生，曾教导过杰斐逊）、韦奇伍德（瓷器大亨，与达尔文家多次联姻，查尔斯·达尔文是其外孙兼孙女婿）、埃奇沃思（机械发明家）、托马斯·戴（作家，废奴主义者）、普利斯特列（化学家）、斯多克斯（药学家、植物收藏家）等等。

瓦特与博尔顿结识之后，就被介绍加入这一社团，并成为月光社后期最活跃的成员之一。

月光社把“商人与学者平等交流”视为立社宗旨之一，重视开发科学成果的商业效益，这体现出那个时代科学、技术、政治与商业的密切关系，不同领域的杰出人士汇聚在一起，擦出的火花最终点燃了新的时代。