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及時部分蒸汽時代

自18世紀中葉，歐洲發生了以蒸汽機的發明和廣泛應用為標志的重大技術創新(也稱及時次技術革命)，蒸汽動力突破了人力、畜力和水力、風力的局限； 新機器使用推動了從工場手工業到工廠機械化的轉變。這次重大技術創新首先發生在英國，主要包括蒸汽機動力革命、棉紡織技術變革、焦煤冶煉技術改良。這些重大技術創新使英國在采掘、冶金、紡織、機器制造和運輸領域建立起新的工業體系。其后，法、德等歐洲國家和大洋彼岸的美國陸續仿效英國，在19世紀上半葉開啟了各自的工業化進程。

及時章蒸汽動力革命

蒸汽機發明于17世紀末，此后百年中不斷改進，臻于成熟，先是在采礦業應用，而后進入冶煉、紡織、機器制造和交通運輸等需要動力的行業和領域，突破以往水力、風力、畜力、人力的局限，推動了工場手工業向工廠機器生產方式的轉變。一、 早期的蒸汽機蒸汽機最早發明于英國。17世紀下半葉，英國的采煤業發展很快，為排出井下積水，需要大量的馬匹牽引提升，費用很高，因而，尋求廉價便利的抽水動力便成為突出問題。在伊麗莎白一世(ElizabethⅠ)、詹姆士一世(JamesⅠ)和查理一世(CharlesⅠ)時期授予的全部專利中，幾乎七分之一都與礦井抽水有關，可見這一問題受關注的程度。正是特定的問題和需求，推動了從一般抽水設備到蒸汽機的研究。早期發明的蒸汽機主要有薩弗里蒸汽機、紐可門蒸汽機,而紐可門蒸汽機對瓦特的革新有直接影響。1. 薩弗里蒸汽機地說，薩弗里蒸汽機是一種使用火力的抽水設備。在早期研制抽水設備的人當中，以托馬斯 薩弗里(Thomas Savery)的工作最為突出，他率先制成實用的機器，并獲得專利權。薩弗里是英國皇家工程部隊的軍事工程師，對力學、數學和自然哲學都有濃厚的興趣，他在實驗和奇妙機械的發明方面作了很多努力。1698年7月25日，薩弗里就礦井火力抽水設備申請并獲得了一項專利。薩弗里所依據的原理是，在一個密閉的容器中，由于蒸汽的冷凝，能使水位升高到大氣壓力所允許的較大高度； 保留住水，同時對它再施加允許的蒸汽壓力，促使水位升得更高。1699年，薩弗里用一個活動模型在皇家學會做了演示，給與會者留下深刻的印象。他還把自己繪制的機器圖呈給皇家學會，后來刊登在學會的《哲學學報》上。薩弗里獲得的專利證書的扉頁上這樣寫道：

授予托馬斯 薩弗里先生，他獨自做出了一項新發明，利用火的推動力來提升水或者驅動各類機械。它可用于礦井排水和城鎮供水，以及在沒有水力和風力資源的地方用于驅動各種磨機。專利有效期為十四年，條款如常。

后來，薩弗里又設計了一種更有效的蒸汽機，采用兩只容器，一只在充水時，另一只在排水，用于解決科尼什礦井的積水問題。薩弗里還專門寫了一本小冊子，書名是《礦工之友——火力提水引擎，說明它在礦井中的安裝方法以及它適合的其他用途》，這本小冊子曾在礦業的股東中流傳。薩弗里的蒸汽機主要用來為城鎮或私人住宅供水，也為一些礦井采用，但為數不多，因為在很深的礦井中，要把相當多的水提升到一定的高度，所需的蒸汽壓力是很大的，這樣就有鍋爐爆炸的危險。在礦井中，這種機器必須置于10米深的地方，如果井下水泛濫，就會把機器“淹沒”。此外，燃料的浪費也很嚴重，鍋爐的受熱面太小，其冷凝方法造成的浪費更嚴重。薩弗里蒸汽機的缺點后來都被克服，它最終被紐可門、瓦特的蒸汽機取代。2. 紐可門蒸汽機繼薩弗里之后，由托馬斯 紐可門(Thomas Newcomen)發明的蒸汽機成功地解決了深礦井的排水問題，在18世紀20~80年代，紐可門蒸汽機在英國得到大量的應用。甚至直到18世紀末，紐可門蒸汽機仍占據著大半壁江山，同問世不久的瓦特蒸汽機相抗衡。紐可門出生于英國的達特茅斯，年輕時當過學徒，后來自己做五金生意，他帶了個助手叫約翰 柯雷(John Calley)，兩人常去一些礦區跑生意，因而熟悉礦井的排水問題。出于業務需要，紐可門和柯雷常做一些銅、鐵、鉛的金屬活，這恰好成為制造蒸汽機的必要技術條件。紐可門起初并不知道薩弗里的蒸汽機，而是獨立進行研究，前后花了10年才取得成功。費時之長的原因之一是遇到“比例效應”的麻煩。與薩弗里的無活塞式機不同，紐可門的蒸汽機有活塞、汽缸、平衡橫梁等重要部件。紐可門為慎重起見，先試圖制作小模型(在小作坊里，無法直接制作和安裝大的機器)。他沒有任何理論指導，開始也不懂機器尺寸縮小，摩擦和熱損失就會增大，以致影響機器的運行效率。當效率低到一定值時，“比例效應”就會使模型無法工作。在克服了多種困難后，1710年，紐可門成功制造出可實際運行的蒸汽機。不過這時他發現，自己的發明之路已被薩弗里的主專利權限制住了，因為薩弗里的專利涵蓋了任何一種應用“火的推動力”的蒸汽機。后來紐可門與薩弗里協商，得到妥善解決。部分原因是，薩弗里知道自己的蒸汽機沒有前途，而紐可門的蒸汽機明顯優越。紐可門蒸汽機的結構及工作原理是： 鍋爐及其附屬裝置如同一個大的釀造啤酒用的銅制容器，產生的蒸汽近為大氣壓力。當蒸汽進入鍋爐上方的汽缸底部時，主要由懸掛在杠桿另一端的泵桿的重量作用，拉動活塞升到頂部。蒸汽通過排泄管和水密封閥，將已經進入汽缸中的所有空氣和水推出，然后關閉與鍋爐的連接，噴射冷水，使蒸汽冷凝。所產生的真空致使大氣壓推動活塞回到汽缸底部，由此提升了泵桿。在進入更多蒸汽以后，運轉周期再次開始。到1725年，紐可門蒸汽機已用于礦山抽水。與薩弗里蒸汽機相比，紐可門蒸汽機的效率提高了5倍，安全實用，其排水能力可與50匹馬的力量相當，而費用只有使用馬匹的六分之一。紐可門蒸汽機先是在英國推廣，后來傳入歐洲其他國家。1733年，紐可門的專利權期滿，使蒸汽機的應用擴散加快，因為它能滿足一定的需要而且沒有競爭者。在英格蘭北部的深層煤田，那里的許多礦井在17世紀末已被水淹沒，蒸汽機可使這些礦井起死回生。隨著紐可門蒸汽機數量的增加，其機器尺寸也在增大，不過基本結構卻沒多大改變。紐可門蒸汽機存在明顯局限，它的體積龐大，只能在礦山工作； 汽缸的氣密性差，效能差，耗費燃料。最終，紐可門蒸汽機被瓦特蒸汽機取代。二、 瓦特對蒸汽機的貢獻蒸汽機的重大改進由英國發明家詹姆斯 瓦特(James Watt)完成，由此使蒸汽機技術臻于成熟，不斷擴大用途，掀起了英國工業革命的高潮。1736年1月19日，瓦特出生于蘇格蘭小城格里諾克，瓦特家族在當地頗有影響，親戚和朋友中有不少有身份的人。瓦特的祖父創辦學校，并擔任數學教師，后來出任地區長老會成員，負責當地宗教儀式及民眾道德禮儀教育。瓦特的父親是位造船師，手藝精湛，在當地很受人尊敬，后來由于顧客太多，自己忙不過來，便在自家后院開了一個作坊，長期雇用一些工人，最多時有14人。瓦特的母親性情溫和，待人友善，勤于家務，對瓦特有潛移默化的影響。瓦特受家庭影響，自幼喜歡動手，13歲時他就在父親的作坊里制作了一些機械模型。18歲時，他到倫敦學習儀器制造技術。1757年，瓦特受格拉斯哥大學聘用，成為儀器維修工。1763年，瓦特接手修理一個紐可門蒸汽機模型，由此接觸蒸汽機，逐步熟悉了結構和原理。在請教了格拉斯哥大學化學教授約瑟夫 布萊克(Joseph Black)之后，瓦特認識到，汽缸交替加熱和冷卻嚴重浪費蒸汽的“潛熱”，這正是造成燃料損耗和工作效率低的原因。為此瓦特想出用一個分離冷凝器，把汽缸已做功的蒸汽引到凝汽器里凝結，避免汽缸和活塞反復加熱，不僅可以加快活塞下降，還可以節約燃料。不過，要將模型制成樣機，既需資金又要設備，幸好由布萊克介紹，瓦特認識了企業家約翰 羅巴克(John Roebuck)，得到資金支持，使研制得以進展。羅巴克建議申請專利，1769年1月5日，瓦特獲得他的及時項蒸汽機專利——“在火力發動機中減少蒸汽和燃料消耗的新方法”(英國專利號913)。該專利的實質要點是采用分離冷凝器。瓦特向羅巴克保障，等發明成果將來獲利之后，將利潤額的三分之二支付給他作為回報。不料由于材料與工藝的缺陷，初期研制的蒸汽機不能正常使用。當時，由于缺乏精密鏜床，瓦特的蒸汽機缸體是用錫緊貼在硬木塊上鍛打而成的，制成的汽缸內壁粗糙，直徑誤差高達3/8英寸1英寸=2.54厘米=0.0254米。，活塞與缸體的間隙需以氈或油布等物填充，致使漏氣嚴重。1773年，羅巴克因經營不利陷于破產，蒸汽機研制被迫停頓。同年8月，制造商馬修 博爾頓(Matthew Boulton)看好瓦特蒸汽機的前途，買下了羅巴克轉讓的利潤分享權利，盡管當時它被多數人視為分文不值。博爾頓有創新魄力也精通商業運作，他來自當時英國機械制造的中心伯明翰，那里有熟練的技術工人和的設備，而這正是瓦特所需要的。博爾頓的索霍工廠坐落在伯明翰，工廠是他從父親那里繼承來的，最初規模很小，博爾頓靠著精明強干，不久就將其發展成為一家大企業。1774年，瓦特遷居伯明翰，把索霍工廠作為蒸汽機的試驗和制造基地。在瓦特和工人的努力下，蒸汽機很快就實現了正常運轉。特別是由機械商威爾金森(Wilkinson)發明的鏜床鼎力相助，可以鏜制出吻合性好的汽缸和活塞。威爾金森出生于一個工業世家，后來子承父業，經營煉鐵廠，由于經常接受鍛造火炮的訂單，他熟悉當時的鏜孔工具和方法。為了適應加工汽缸的需要，威爾金森對傳統的鏜床進行改進。1775年，威爾金森為瓦特的蒸汽機鏜制出一臺汽缸，其良好的氣密性確保了所要求的真空。據博爾頓的描述，威爾金森加工的50英寸直徑的汽缸，其誤差不到舊英幣1先令1先令=12便士=120英鎊，1971年英國貨幣改革時被廢除。的厚度。由此，瓦特的蒸汽機試驗因汽缸性能的提高而獲成功。不過還有問題，再有8年瓦特的913號專利到期失效。瓦特意識到這將影響他獲得足夠利潤，在博爾頓的幫助下，瓦特向議會申請延長專利期限，1775年5月獲準，延長1到1800年期滿。瓦特早期制造的蒸汽機是直接作用式的，為適應更多的用途，也為阻擋住其他的競爭對手，1781年10月25日，瓦特和博爾頓為“太陽和行星”齒輪聯動裝置申請專利(英國專利號1306)，這是瓦特有關蒸汽機的第二項專利，是蒸汽機革新過程中取得的最重要突破之一，這套裝置的實用性非常強，可以連接到多種機械設備上，以適應需要旋轉運動的工作場合。1782年，瓦特設計的雙作用式蒸汽機使他獲得了他的第三項專利(英國專利號1321)，新設計使蒸汽交替工作于活塞兩側，使活塞往返運動時都產生動力。1783年，及時臺雙作用、旋轉式的試驗性蒸汽機建成，被用來帶動小型谷物碾磨機。由于未能妥善解決活塞桿與橫梁扇形輪之間的剛性連接問題，這臺新機器并不實用。針對這一問題，1784年，瓦特設計了三桿平行傳動連桿機構，徹底解決了雙作用式蒸汽機的結構問題，很快獲得新專利(英國專利號1432)。數月后，他又造出更為精巧的“平行四邊形運動”機構，此后一個多世紀，這種機構成為旋轉式杠桿蒸汽機的特征。瓦特的蒸汽機進入紡紗廠、面粉廠和鐵廠等許多需要動力的領域，表現出良好的性能。正如博爾頓的預見，對瓦特蒸汽機的訂單從全國各地紛至沓來，瓦特和博爾頓開始獲得巨額利潤的回報。1788年，為保障負載變化時速度恒定，瓦特又發明自動控制蒸汽機速度的離心調速器，同年獲得專利。此后，瓦特基本從改進蒸汽機的工作中退出，雙作用式旋轉式蒸汽機也成為當時的標準機型。很長時間里，對這種蒸汽機的進一步發展，僅限于部分機構的改進。蒸汽機自17世紀末出現，在18世紀逐步成熟。先是在采礦業得到應用，而后進入冶煉、紡織、機械制造和交通運輸等需要動力的各個領域，推動了工場手工業向工廠機器生產的轉變，并最終由英國影響歐洲，進而影響了世界。三、 瓦特的專利期滿之后1800年，瓦特的蒸汽機專利期滿，各種限制條款隨之失效，不少發明家、工程師早就憋了一股勁，躍躍欲試對蒸汽機進行革新。瓦特的蒸汽機，壓力不超過1.5個大氣壓，而改進的蒸汽機在2個大氣壓以上。高壓蒸汽機的體積和重量大大縮減，這就使蒸汽機便于移動，可以有更多的應用。19世紀初，英國的理查德 特里維西克(Richard Trevithick)、亞瑟 伍爾夫(Arthur Woolf)、美國的奧立弗 伊文思(Oliver Evans)等發明家都程度不同地對蒸汽機進行改進或革新，由此推動了高壓蒸汽機的發展。特里維西克是煤礦主的兒子，年輕時已表現出機械設計才能。1790年，19歲的特里維西克已是英國康沃爾礦山的工程師。1792年，為了避開瓦特的專利，特里維西克協助發明家威廉 布爾(William Bull)制成一臺倒置式蒸汽機，使蒸汽機的結構大為簡化。不料，兩人的做法不為瓦特所忍，瓦特控告他們對分離冷凝器構成侵權。兩年后，法院裁決禁止生產倒置式蒸汽機。特里維西克再想轍，轉而研究杠桿式高壓蒸汽機。到1800年，他制造了三臺高壓蒸汽機，蒸汽壓力達到25~30磅/平方英寸1磅/平方英寸=6.895千帕=0.0703千克/平方厘米=0.068大氣壓。。特里維西克創造力旺盛，興趣廣泛，不久又迷上制造蒸汽機車。蒸汽機車要求大功率、小體積的動力機，蒸汽機只有提高壓力才能實現這些要求。1802年，特里維西克試制成一臺高壓直接作用式蒸汽機。同年，他和堂兄維維安(Vivian)一起，申請了一項關于“蒸汽機在構造和應用方面的改進”的專利，這項專利涵蓋了固定式和道路機車用兩種蒸汽機的機械構造細節。1804年，特里維西克制成他的及時臺軌道式蒸汽機車，該車的蒸汽機性能優異，機車可載重25噸，以每小時4英里1英里=1.609千米=1609.34米。的速度行駛，全部操作只需要一人。特里維西克的發明舉動，后來成為喬治 斯蒂芬森(George Stephenson)發明蒸汽機車的動力。1804年后，特里維西克的主要精力用在推廣蒸汽機車方面，由于經營不善，他的公司一直虧損。為挽回敗局，特里維西克不得已出讓蒸汽機的專利權，卻于事無補，1811年宣布破產。1812年特里維西克回到康沃爾，制造礦山用蒸汽機。由于先前的聲望和對高壓蒸汽機的精通，他再次受到礦主們的歡迎。與特里維西克差不多同時，遠在美國的伊文思也癡迷把普通蒸汽機改造為高壓蒸汽機。伊文思原是個修車工，堅持努力，終有所成。1797年，他申請獲得一項蒸汽車的專利。1803年，當時整個美國蒸汽機不過6臺，伊文思就建造了一臺使用蒸汽機的挖泥機。第二年又造了一臺垂直固定式蒸汽機，裝有6英寸直徑的雙作用式汽缸、有8英寸沖程。與特里維西克一樣，伊文思的蒸汽機采用了帶內部火焰板和煙道的圓柱形鍋爐。伊文思的工作在美國有很大影響。比特里維西克晚幾年，英國的伍爾夫進行復合式蒸汽機的研究。伍爾夫是個多面的工程師，1811年，他與在蘭貝斯的技師漢弗萊 愛德華茲(Humphrey Edwars)合伙，成功制成復合式蒸汽機。這種蒸汽機有兩只并排設立的汽缸，兩根活塞桿被連接到做平行運動的同一根樞軸上。經過測試，與一臺簡單的瓦特蒸汽機相比，復合式蒸汽機能節約50%的燃料。數年后，愛德華茲去法國發展，他在法國申請蒸汽機的專利，并與一家公司聯手成立新公司，專門制造新型蒸汽機。到愛德華茲去世時，他所在的企業制造了約100臺復合式蒸汽機。后來法國其他公司也購得制造權，這種蒸汽機在法國生產了約60年。在英國，蒸汽機一直在不斷改進。一個重要因素是，從1811年開始，煤礦主們定期出版一份各礦山蒸汽機應用性能的報告，這無形鼓勵了競爭，促使蒸汽機的效率提高，當然也包括操作管理的改善。四、 蒸汽機走向世界回顧歷史，可能會有人認為，蒸汽機代表了那個時期的先進技術，應該容易被接受，越新的蒸汽機推廣應用越快。其實不然。1830年之前，盡管蒸汽機的數量在穩步增長，但水車和風車在歐洲的動力