發(fā)明蒸汽機的瓦特

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名人童年

瓦特是世界公認的蒸汽機發(fā)明家。他的創(chuàng)造精神、超人的才能和不懈的鉆研為后人留下了寶貴的精神和物質財富。瓦特改進、發(fā)明的蒸汽機是對近代科學和生產(chǎn)的巨大貢獻，具有劃時代的意義，它導致了第一次工業(yè)技術革命的興起，極大的推進了社會生產(chǎn)力的發(fā)展。 1736年，瓦特出生在英國蘇格蘭格拉斯哥市附近的一個小鎮(zhèn)格里諾克，他的父親是一個經(jīng)驗豐富的木匠，祖父和叔父都是機械工匠。少年時代的瓦特，由于家境貧苦和體弱多病，沒有受過完整的正規(guī)教育。他曾經(jīng)就讀于格里諾克的文法學校，數(shù)學成績特別優(yōu)秀，但沒有畢業(yè)就退學了。但是，他在父母的教導下，一直堅持自學，很早就對物理和數(shù)學產(chǎn)生了興趣。瓦特從六歲開始學習幾何學，到十五歲時就學完了《物理學原理》等書籍。他常常自己動手修理和制作起重機、滑車和一些航海器械。 1753年，瓦特到格拉斯哥市當徒工。由于收入過低不能維持生活，第二年他又到倫敦的一家儀表修理廠當徒工。憑借著自己的勤奮好學，他很快學會了制造那些難度較高的儀器。但是繁重的勞動和艱苦的生活損害了他的健康，一年后，他不得不回家休養(yǎng)。一年的學徒生活使他飽嘗辛酸，也使他練就了精湛的手藝，培養(yǎng)了他堅韌的個性。 1756年，當他的身體稍有好轉，瓦特再次踏上了坎坷的道路來到格拉斯哥市。他想當一名修造儀器的工人，但是因為他的手藝沒有滿師，當時的行會不允許。幸運的是，瓦特的才能引起了格拉斯哥大學教授臺克的重視。在他的介紹下，瓦特進入格拉斯哥大學當了教學儀器的工人。這所學校擁有當時較為完善的儀器設備，這使瓦特在修理儀器時認識了先進的技術，開闊了眼界。這時，他對以蒸汽作動力的機械產(chǎn)生了濃厚的興趣，開始收集有關資料，還為此學會了意大利文和德文。在大學里，他認識了化學家約瑟夫·布萊克和約翰·魯賓遜等。瓦特從他們那里學到了很多科學理論知識。1764年，瓦特與表妹瑪格麗特·米勒結了婚。 1764年，學校請瓦特修理一臺紐可門式蒸汽機，在修理的過程中，瓦特熟悉了蒸汽機的構造和原理，并且發(fā)現(xiàn)了這種蒸汽機的兩大缺點：活塞動作不連續(xù)而且慢；蒸汽利用率低，浪費原料。以后，瓦特開始思考改進的辦法。直到1765年的春天，在一次散步時，瓦特想到，既然紐可門蒸汽機的熱效率低是蒸汽在缸內(nèi)冷凝造成的，那么為什么不能讓蒸汽在缸外冷凝呢？瓦特產(chǎn)生了采用分離冷凝器的最初設想。 在產(chǎn)生這種設想以后，瓦特在同年設計了一種帶有分離冷凝器的蒸汽機。按照設計，冷凝器與汽缸之間有一個調(diào)節(jié)閥門相連，使他們既能連通又能分開。這樣，既能把做工后的蒸汽引入汽缸外的冷凝器，又可以使汽缸內(nèi)產(chǎn)生同樣的真空，避免了汽缸在一冷一熱過程中熱量的消耗，據(jù)瓦特理論計算，這種新的蒸汽機的熱效率將是紐可門蒸汽機的三倍。從理論上說，瓦特的這種帶有分離器冷凝器的蒸汽機顯然優(yōu)于紐可門蒸汽機，但是，要把理論上的東西變?yōu)閷嶋H上的東西，把圖紙上的蒸汽機變?yōu)閷嵲诘恼羝麢C，還要走很長的路。瓦特辛辛苦苦造出了幾臺蒸汽機，但效果反而不如紐可門蒸汽機，甚至四處漏氣，無法開動。盡管耗資巨大的試驗使他債臺高筑，但他沒有在困難面前怯步，繼續(xù)進行試驗。當布萊克知道瓦特的奮斗目標和困難處境時，他把瓦特介紹給了自己一個十分富有的朋友--化工技師羅巴克。當時羅巴克是一個十分富有的企業(yè)家，他在蘇格蘭的卡隆開辦了第一座規(guī)模較大的煉鐵廠。雖然當時羅巴克已近50歲，但對科學技術的新發(fā)明仍然傾注著極大的熱情。他對當時只有三十來歲的瓦特的新裝置很是贊許，當即與瓦特簽訂合同，贊助瓦特進行新式蒸汽機的試制。 從1766年開始，在三年多的時間里，瓦特克服了在材料和工藝等各方面的困難，終于在1769年制出了第一臺樣機。同年，瓦特因發(fā)明冷凝器而獲得他在革新紐可門蒸汽機的過程中的第一項專利。第一臺帶有冷凝器的蒸汽機雖然試制成功了，但它同紐可門蒸汽機相比，除了熱效率有顯著提高外，在作為動力機來帶動其他工作機的性能方面仍未取得實質性進展。就是說，瓦特的這種蒸汽機還是無法作為真正的動力機。 由于瓦特的這種蒸汽機仍不夠理想，銷路并不廣。當瓦特繼續(xù)進行探索時，羅巴克本人已瀕于破產(chǎn)，他又把瓦特介紹給了自己的朋友、工程師兼企業(yè)家博爾頓，以便瓦特能得到贊助繼續(xù)進行他的研制工作。博爾頓當時經(jīng)四十多歲，是位能干的工程師和企業(yè)家。他對瓦特的創(chuàng)新精神表示贊賞，并愿意贊助瓦特。博爾頓經(jīng)常參加社會活動，他是當時伯明翰地區(qū)著名的科學社團“圓月學社”的主要成員之一。參加這個學社的大多都是本地的一些科學家、工程師、學者以及科學愛好者。經(jīng)博爾頓的介紹，瓦特也參加了圓月學社。在圓月學社活動期間，由于與化學家普列斯特列等交往，瓦特對當時人們關注的氣體化學與熱化學有了更多的了解，為他后來參加水的化學成分的爭論奠定了基礎。更重要的是，圓月學社的活動使瓦特進一步增長了科學見識，活躍了科學思想。 瓦特自與博爾頓合作之后即在資金、設備、材料等方面得到大力支持。瓦特又生產(chǎn)了兩臺帶分離冷凝器的蒸汽機，由于沒有顯著的改進，這兩臺蒸汽機并沒有得到社會的關注。這兩臺蒸汽機耗資巨大，使博爾頓也瀕臨破產(chǎn)，但他仍然給瓦特以慷慨的贊助。在他的支持下，瓦特以百折不撓的毅力繼續(xù)研究。自1769年試制出帶有分離冷凝器的蒸汽機樣機之后，瓦特就已看出熱效率低已不是他的蒸汽機的主要弊病，而活塞只能作往返的直線運動才是它的根本局限。 1781年，瓦特仍然在參加圓月學社的活動，也許在聚會中會員們提到天文學家赫舍爾在當年發(fā)現(xiàn)的天王星以及由此引出的行星繞日的圓周運動啟發(fā)了他，也許是鐘表中的齒輪的圓周運動啟發(fā)了他。他想到了把活塞往返的直線運動變?yōu)樾D的圓周運動就可以使動力傳給任何工作機。同年，他研制出了一套被稱為“太陽和行星”的齒輪聯(lián)動裝置，終于把活塞的往返的直線運動轉變?yōu)辇X輪的旋轉運動。為了使輪軸的旋軸增加慣性，從而使圓周運動更加均勻，瓦特還在輪軸上加裝了一個火飛輪。由于對傳統(tǒng)機構的這一重大革新，瓦特的這種蒸汽機才真正成為了能帶動一切工作及的動力機。1781年底，瓦特以發(fā)明帶有齒輪和拉桿的機械聯(lián)動裝置獲得第二個專利。 由于這種蒸汽機加上了輪軸和飛輪，這時的蒸汽機在把活塞的往返直線運動轉變?yōu)檩嗇S的旋轉運動時，多消耗了不少能量。這樣，蒸汽機的效率不是很高，動力不是很大。為了進一步提高蒸汽機的效率，增大蒸汽機的效率，瓦特在發(fā)明齒輪聯(lián)動裝置之后，對汽缸本身進行了研究，他發(fā)現(xiàn)，他雖然把紐可門蒸汽機的內(nèi)部冷凝變成了外部冷凝，使蒸汽機的熱效率有了顯著提高，但他的蒸汽機中蒸汽推動活塞的沖程工藝與紐可門蒸汽機沒有不同。兩者的蒸汽都是單項運動，從一端進入、另一端出來。他想，如果讓蒸汽能夠從兩端進入和排出，就可以讓蒸汽即能推動活塞向上運動又能推動活塞向下運動。那末，他的效率就可以提高一倍。１７８２年，瓦特根據(jù)這一設想，試制出了一種帶有雙向裝置的新汽缸。由此瓦特獲得了他的第三項專利。把原來的單項汽缸裝置改裝成雙向汽缸，并首次把引入汽缸的蒸汽由低壓蒸汽變?yōu)楦邏赫羝?，這是瓦特在改進紐可門蒸汽機的過程中的第三次飛躍。通過這三次技術飛躍，紐可門蒸汽機完全演變?yōu)榱送咛卣羝麢C。 從最初接觸蒸汽技術到瓦特蒸汽機研制成功，瓦特走過了二十多年的艱難歷程。瓦特雖然多次受挫、屢遭失敗，但他仍然堅持不懈、百折不回，終于完成了對紐可門蒸汽機的三次革新。使蒸汽機得到了更廣泛的應用，成為改造世界的動力。 1784年，瓦特以帶有飛輪、齒輪聯(lián)動裝置和雙向裝置的高壓蒸汽機的綜合組裝，取得了他在革新紐可門蒸汽機過程中的第四項專利。1788年，瓦特發(fā)明了離心調(diào)速器和節(jié)氣閥；1790年，他又發(fā)明了汽缸示工器，至此瓦特完成了蒸汽機發(fā)明的全過程。 1785年，瓦特被當選為英國皇家學會會員。1814年，他被法國科學家學會接納為外國會員。 1790年以后，優(yōu)厚的專利稅使瓦特成為一個很有錢的名人。 1819年8月5日，瓦特在希思菲爾德郡的家里去世，遺體埋葬在漢德沃爾斯郊區(qū)的教堂里。 瓦特生活在十八、十九世紀的英國，所以在他的身上不可避免的帶有時代和階級的局限。他曾經(jīng)阻撓雙筒蒸汽機和高壓蒸汽機的發(fā)明和推廣，還嘲笑別人用蒸汽機來驅動車輛的努力。 瓦特為蒸汽機的推廣使用做出了不可磨滅的重要貢獻、有力的推動了社會的前進。恩格斯在《自然辨證法》中這樣寫道：“蒸汽機是第一個真正國際性的發(fā)明……瓦特給它加上了一個分離的冷凝器，這就使蒸汽機在原則上達到了現(xiàn)在的水平?！焙笕藶榱思o念這位偉大的發(fā)明家，把功率的單位定為“瓦特”。

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