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瓦特发明蒸汽机

瓦特发明蒸汽机,没错,但这不等于说在瓦特之前就没有使用蒸汽的机械。其实,蒸汽机的发明也经历了一个产生、发展、逐步完善的过程。

传说,古埃及早在公元前2世纪便出现了利用蒸汽驱动球体的机械装置,只是年代太过久远,具体情况已无从考证。有记载说,1世纪古希腊发明家希罗曾用蒸汽作动力开动玩具。意大利大画家达·芬奇也用画笔描绘过用蒸汽机开动大炮的情景。

较为确切地使用蒸汽作动力还应是从近代开始。1698年,英国工程师萨弗里发明了使用蒸汽驱动的抽水机。1712年,英国的纽可门发明了效率更高的蒸汽机,可以用活塞把水和冷凝蒸汽隔开。事实上,瓦特发明蒸汽机是从改进纽可门蒸汽机开始的。

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蒸汽机的发明者瓦特

纽可门蒸汽机在生产领域的广泛使用,引起了人们的广泛关注,这其中当然也包括詹姆士·瓦特。机会只有睐有准备的人,而瓦特就是一个有准备的人。

纽可门蒸汽机

纽可门在研究赛维利蒸汽泵的过程中,发现了赛维利蒸汽泵的两大缺点。

一大缺点是热效率太低。纽可门在设计上作了重要革新:他不让冷却水直接进入汽缸,而是把冷却水通过一个细小的龙头向汽缸内进行喷溅。另一大缺点是赛维利蒸汽泵基本上还是一种水泵,而不是典型的动力机。针对这一点,他在赛维利蒸汽泵中引入了巴本的活塞装置,这样蒸汽压力、大气压力和真空即可在交互作用下推动活塞装置,蒸汽压力、大气压力和真空即可在交互作用下推动活塞作往复式的机械运动。而这种机械运动一旦传递出去,蒸汽泵也就成了蒸汽机。

由于进行了几次研究和革新,一台近代蒸汽机的完整蓝图基本上设计出来了。1705年,纽可门、考利和赛维利一道,终于试制出了第一台真正算得上是动力机的蒸汽机。

詹姆士·瓦特,1736年1月19日出生于苏格兰的格拉斯哥市附近的一个机械师家庭。他从小就迷恋机械制造。由于家道中落,瓦特中学刚毕业便去伦敦学习制造机械的手艺。他天资聪颖又勤奋刻苦,用1年时间学会了别人用4年才能学会的技艺。然后瓦特在家乡的格拉斯哥大学谋了一份仪器修理师的工作,从此踏上了人生的金光大道。

瓦特借修理教学仪器的机会结识了许多科学家,如布莱克教授和罗比逊等人,经常与他们一起探讨仪器、机械方面的问题。1764年的一天,格拉斯哥大学的一台纽可门蒸汽机模型送到瓦特这里要求修理。瓦特不但修好了机器,还对机械的构造和工作原理产生了极大的兴趣。

他找到了布莱克教授,与之共同研究减少纽可门蒸汽机耗煤量,提高其效率的方案。后来瓦特发现该蒸汽机的汽缸和冷凝器没有分开,造成了热能的极大浪费,找到了症结之后,瓦特便开始改造纽可门蒸汽机的试验。

瓦特筹措了一些资金,并租了一间实验室,便开始试制具有冷热两个容器的蒸汽机。他想,这样一来负责作功的汽缸始终是热的,而蒸汽冷凝的过程在另一个容器中完成。如此便可避免同一汽缸反复冷热交替,从而节约了热能。经过多次实验,多次失败,瓦特最终完成了一台具有实用价值的单作用式蒸汽机,并申请了专利保护。

为了在更大范围内推广自己的新发明,瓦特用自己设计的蒸汽机与纽可门蒸汽机当众比赛抽水。结果用同样多的煤,瓦特蒸汽机抽水量是纽可门蒸汽机的5倍。人们看到了瓦特蒸汽机的优势,纷纷以它替代了纽可门蒸汽机。

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詹姆斯·瓦特通过使用齿轮传动装置和连杆,使蒸汽机上的活塞能像车轮一样运动。

瓦特没有就此罢手,而是吸收了德国络伊波尔德的利用进排气阀使汽缸往复运动的原理,用飞轮和曲拐把活塞的往复运动变成圆周运动,可惜该技术已被皮卡德抢先申请了专利。但他另想办法,用行星齿轮结构把往复运动变成了圆周运动,终于在1781年10月获得了双作用式蒸汽机的专利权。

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蒸汽机采煤

蒸汽时代的到来,使英国工业获得前所未有的发展,煤作为机械工业所必需的原材料正被大规模开采。

詹姆士·瓦特再接再厉,1784年用飞轮解决了转动的稳定性问题,获得了蒸汽机方面的第三个专利,两年以后他又着手进行了蒸汽机配气结构,从而获得第四个专利。瓦特不间断的努力,后来发明了压力表,保证了机器运行的安全。他最终于1794年彻底完成了双作用式蒸汽机的发明,因为这一年皮卡德专利期满,瓦特将行星齿轮结构改装为曲柄连杆结构,从而使蒸汽机更加完善。1781年瓦特提出了5种将往复运动转变成旋转运动的方法;1782年,瓦特获得了“双动作蒸汽机的专利”;1784年,瓦特在他的新专利中又提出了“平连杆结构”的说法,这使蒸汽机有了更广泛的实用性;1788年,他又发明了离心调速器和节气阀;1790年,他完成了汽缸示功器的发明。至此,瓦特完成了蒸汽机的发明全过程。

蒸汽机的发明,使工业革命迅速展开,并波及美、德、法等国。瓦特为人类进步事业做出了不可磨灭的贡献。国际单位制中以“瓦特”作为功率单位就是为了纪念这位发明家。