史蒂夫·瓦特发明蒸汽机的传奇故事

（脚本撰写：沈东方视频统筹：刘芳源）

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本期提要
从木材到煤炭
这种变化是从16世纪早期开始的。从那时起，英国经历了长达二百余年的经济增长，人口不断增加，海外贸易和战争规模不断扩大，整个国家欣欣向荣。
木材短缺造成木头价格高涨，严重影响了英国人的日常生活，他们不得不寻找一种替代的燃料做饭取暖，冶铁煮盐。
16世纪以后随着木材稀缺、价格高涨，人们已经顾不得烧煤禁令，纷纷改用便宜的煤炭生火，同时烟囱的应用大大改善了室内烧煤的条件，把煤炼成焦炭用于冶炼金属的技术也逐渐成熟，使得煤炭迅速成为英国人生产、生活的主要燃料，普及开来。煤炭需求的迅猛增长推动了英国采煤业蓬勃发展。
煤矿挖过地下水位之后，地下水不断涌入矿坑造成矿内积水，甚至会淹没整个矿坑，导致停工停产。17世纪初，英国盛产煤炭的纽卡斯尔地区的矿主惊慌地向国会报告说，由于煤矿渗水问题越来越严重，纽卡斯尔的煤矿再过20年就会被地下水完全淹没。
从水车到蒸汽机
为了解决排水问题，人们绞尽脑汁想出各种办法。17世纪早期，人们把原先浇灌农田用的工具——链式水车拿来给矿坑排水，使得采煤作业的深度能够超过地下1000多米，于是开始大规模应用。但问题是：使用成本太高。使用人力驱动水车，需要支付的工资将是一笔天文数字，使用畜力进行驱动同样花费不菲。
如何才能让水车不分季节、不分气候地有效运转呢？有人指望发明一种能够不借助外力连续运转的“万能机”解决这一难题，但这是徒劳的，解决矿坑排水难题需要真正科学的助力。
1643年，伽利略的学生托里拆利用水银代替水进行试验，成功地在玻璃管中造出真空，由此证实空气有重量，发现了气压。
托里拆利的试验结果翻越阿尔卑斯山传播到北欧，引起各国科学家的浓厚兴趣。在英国，科学家波义耳对空气压力进行了科学的分析，1662年提出了著名的波义耳定律：理想气体的压力与体积成反比。至此，人们对于空气乃至一切气体的压力性质已经具备了比较科学的认识。
法国科学家帕潘曾经担任波义耳的助手，他利用液体沸点随气压升高而升高的原理，于1679年发明出世界上第一台高压锅。
帕潘由此构思出蒸汽机的工作原理，并于1690年发表。之后帕潘试想了多种在实践中运用蒸汽机的方式，比如推动船只、发射炮弹等，都没有获得成功，他本人于1712年在穷困潦倒中去世。
英国军队工程师萨弗里是把气压原理与矿坑抽水联系在一起的第一人。萨弗里注意到家乡德文郡煤矿的排水难题，于是借鉴帕潘的蒸汽机原理发明了一种抽水机，取名为“矿工之友”，1698年取得专利。但是这种抽水机控制阀门全靠手工，操作复杂、使用不便，抽水高度有限，安全性堪忧，只能作为自然力抽水机的补充，没有获得推广。
不断改良的蒸汽机
萨弗里的同乡、五金商人纽科门和科里曾经帮助萨弗里制作蒸汽抽水机模型，他们按照帕潘的构思改进了萨弗里的机器，由此制造出世界上第一台可以全天候连续运行、运行成本相对低廉的蒸汽排水机——纽科门机，并于1712年获得专利，后来还成立专利公司推广销售这种机器。
到18世纪中期，英国各地的煤矿已经普遍使用纽科门蒸汽机进行排水，由此解决了煤矿积水的难题，推动着英国经济继续繁荣增长。
纽科门蒸汽机并非没有缺点：它在运行过程中需要燃烧大量的煤，以至于完全无法离开煤矿，一旦距离稍远，运煤速度就无法跟上烧煤速度，只能停火歇工。此时蒸汽压力问题乃是科学研究的热点，1763年冬天，英国格拉斯哥大学购买了一台纽科门蒸汽机模型用于物理学实习，负责维护它的乃是实验员詹姆斯·瓦特。
瓦特研究之后发现，如果把加热和冷却过程分离，在气缸之外设置一个单独的冷凝器专门用来冷却蒸汽，就能有效解决这一问题。
通过反复试验，瓦特终于在1768年研制出样机，次年取得专利。瓦特蒸汽机的工作效率是纽科门机的三倍，耗煤量却只有后者的四分之一，很快就在各个煤矿取代了纽科门蒸汽机的位置。
此后瓦特不断改进他的蒸汽机，在二十年中相继发明了能够实现圆周运动的齿轮传动装置、前后都由蒸汽推动做功的双冲程气缸、调节蒸汽机转速并能稳定输出动力的离心调速器，以及能够指示气缸压力的气压计，不断取得专利，从而完成了改良蒸汽机的全过程。
蒸汽机推动工业革命
瓦特的改良蒸汽机既安全又稳定，不仅运行成本低廉，还是一种广泛适用于各种制造业领域的“万能机”，除了在煤矿中抽水、运煤，还迅速被应用到冶金、面粉、铸币、纺织等行业，在英国全面建立起以大机器生产为标志的近代工业，使英国实现了工业革命，生产力水平获得质的增长，国力猛增，最终成为世界霸主。
考察蒸汽机发明、发展的历史不难发现：英国的资源禀赋限定了它解决社会生产危机的路径；英国社会对新能源、新动力的需求乃是蒸汽机发明的最大推动力；科学知识的进步需要广泛的交流传播，它必须与现实生产活动相结合才能发挥最大威力；专利权等制度的建立则为新发明的出现提供了充分保障。
自然资源、社会需求、科学技术和制度保障四种因素共同作用，促成了蒸汽机的出现和英国工业革命的完成，实现了社会生产力的跨越式增长，这一历史经验是值得注意的。
作为推动工业革命的主要因素之一，蒸汽机可谓居功至伟。工业革命的主要标志就是以机器取代人力、以大规模工厂化生产取代个体手工生产。瓦特改良蒸汽机后，带来了一系列技术革命，推动着手工劳动向动力机器生产飞跃。
一言以蔽之，资本主义生产完成了从工场手工业向机器大工业过渡，实现了欧洲从传统农业社会转向现代工业社会的重要变革。
工业革命是翻天覆地的，所创造的巨大生产力，极大改变了社会面貌，并带来深刻的社会关系变革。从此，社会上出现了两大对立的阶级：工业资产阶级和工业无产阶级。而率先完成工业革命的西方资本主义国家，则利用技术进步带来国力强盛，通过船坚炮利、拓展殖民等，逐步建立起对世界的统治，深刻地影响到后来一战和二战的世界格局。
（本栏目总撰稿为卜宪群,本期作者为山东师范大学历史文化学院孙文栋）
中外大事记
中国
公元1720年
康熙皇帝派兵安定西藏。
公元1722年
康熙皇帝逝世，雍正继位。
公元1723年
清朝开始实行“摊丁入亩”政策。
公元1726年
清朝在西南地区实行“改土归流”。
公元1727年
清朝设立驻藏大臣。
公元1728年
中俄两国正式签署《恰克图条约》。
西方
公元1720年
英国南海公司破产，又称“南海泡沫事件”，与密西西比泡沫及荷兰郁金香泡沫并称欧洲早期的三大经济泡沫。
公元1725年
彼得一世逝世。后来，马克思评价他：彼得大帝用野蛮制服了俄国的野蛮。
公元1727年
英国皇家学会会长、英国著名的物理学家牛顿逝世。
公元1728年
丹麦探险家维他斯·白令发现白令海峡。

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