【Channel WE】第一个真正的国际发明：蒸汽机（上）

点击蓝字

关注我们

      科技的进步推动人类历史的发展，摩登城市，川流不息的车来车往，霓虹闪烁的高楼大厦。推进人类社会发展迅速的重要一步，就是蒸汽机的发明，从此，人类的脚步更加快速。

      《全球通史》作者L.S.斯塔夫里阿诺斯说，“蒸汽机的历史意义，无论怎样夸大也不为过。”蒸汽机的出现使人类从依靠人力、畜力等原始动力中解脱了出来，实现了机器大生产，带领人类进入蒸汽时代。

     在世博会博物馆常设展厅2“进步之路”中，就展出了蒸汽机车的3D打印模型。

克兰普顿机车3D打印模型

蒸汽机

1851年伦敦世博会

     1851年伦敦首届世博会上，琳琅满目的蒸汽机成了水晶宫的宠儿和展览品中的大宗。从早期的瓦特蒸汽机到伊万斯的高压蒸汽机，一个巡礼式的回顾展吸引了各国工程师和参观者。水晶宫西北46米，是世博会的动力房，8个锅炉共800马力，通过直径22厘米的地下管道将高压蒸汽送到机械展览区。闻名遐迩的内史密斯公司展出了最新式的蒸汽锤和水压机。林林总总的起重机、纺织机、印刷机、脱粒机、信封机、车床、圆锯在蒸汽机的驱动下现场演示，各展风姿。齿轮的铿锵和皮带的节奏正是工业时代的旋律。

瓦特

      瓦特发明蒸汽机曾经成为家喻户晓的常识，但恩格斯的见解显然更准确，“蒸汽机是第一个真正的国际发明”。且不说古希腊人和达芬奇所做的探索，法国科学家巴本和英国工程师塞维利应该是蒸汽机的先驱。

纽可门蒸汽机

       1712年，英国铁匠纽可门制造的人类第一台实用蒸汽机风行了半个多世纪，主要用于矿井抽水。当锅炉里的水变成膨胀1600倍的蒸汽充满汽缸后关上阀门，再通过喷水的办法让汽缸冷却造成真空，大气的压力便能推动活塞做功了，但汽缸每一冲程的忽冷忽热造成了能量极大浪费。

瓦特改进纽可门蒸汽机

      1769年，格拉斯大学的仪器修理工瓦特对纽可门蒸汽机进行了根本性改造，设置了分离冷凝器，确保汽缸在恒定温度下工作，使热效率提高6倍。此后10年间瓦特锲而不舍，先后5次对蒸汽机进行完善，通过行星齿轮和惯性飞轮将活塞的往复运动变为旋转运动；使用平行四边形运动杆，让汽缸单向做工变为“两头受气”的中国风箱式双向做功；利用炮筒镗床精密加工减少漏气并安装锅炉压力表；通过离心调速器的负反馈作用控制进气闸门，保持蒸汽机稳定的输出：这是机械工程中自动控制的最早尝试，具有特殊的理论和实践意义。

      “马力”的概念是瓦特科普思维的产物。为了向人们说清一台蒸汽机到底多大力气，应该有个形象的类比和换算，而最合适的参照显然是马了。瓦特测量了一匹马在标准磨坊里走一圈为75.4英尺，每分钟走2.4圈，负荷平均为180磅，计算后得出“马拉动33000磅并每分钟走1英尺所输出的功率”为1“马力”。1882年，西门子提议将功率单位定为瓦特并沿用至今。蒸汽机的研究和改进直接诞生了“热力学”，人们再不把“热素”当作金木水火土中的一种物质，并发现了水在汽化和液化的过程中吸收和放出的“潜热”，不同物质升高1度的“比热”。

瓦特蒸汽机驱动纺织机

      每个时代的思考只能被那个时代思考着的事物所决定，法国科学家卡诺提出了热力循环理论，焦耳、开尔文、克劳修斯确立了热力学第一、第二定律，都是大规模的蒸汽机实践催开的科学理论之花。

1867年巴黎世博会获大奖的法考特蒸汽机

不倦的心脏：考里斯蒸汽机

       蒸汽机家族的最高礼遇和最大荣耀，也许莫过于住在1876年费城世博会了。美国工程师考里斯制造的蒸汽机早在1867年巴黎世博会和1873年维也纳世博会上便声名鹊起并连获大奖，这次他向费城世博会捐赠了当时世界最大的1400马力蒸汽机，重56吨。比肩耸立的双汽缸高14米，巨型飞轮直径9.1米。

1876年费城世博会

       5月10日下午，5万平方米的机械馆万头攒动，唱诗班、军乐队过后鸣炮100响，美国总统格兰特和巴西皇帝佩德罗二世由考里斯陪同登上机械馆中央5米的高台，共同握住考里斯蒸汽机的手柄，启动了这个庞然大物，宣告费城世博会正式开幕。霎时间全馆大大小小的无数机器一起醒来，它们的能量全都来自考里斯蒸汽机驱动的数公里连杆和皮带上。

美国总统和巴西皇帝开启

1876年费城世博会考里斯蒸汽机

      在世博会举行的6个月里，考里斯蒸汽机的飞轮始终按照每分钟36转的速率静悄悄运行，声音甚至比缝纫机还轻，一个值守人员坐在机器旁悠闲地看报，直到11月10日总统宣布世博会闭幕的一刻才戛然停息。考里斯蒸汽机是机械馆不倦的心脏，也是整个世博会不灭的火炬，许多报纸称它为美国力量和技术的化身，音乐家专门谱写了《考里斯进行曲》，著名诗人惠特曼被考里斯蒸汽机的魅力所深深感染，他特地搬来一把椅子，坐在这位钢铁运动员前面细细端详半小时之久。

“不倦的心脏”

      1876年费城世博会的重要贡献之一，是确定了“锅炉马力”的先进标准。此前蒸汽机行业将锅炉的功率定义为每10平方英尺受热面积产生1锅炉马力，不能很好反应锅炉的真实效率，费城世博会评委们制定了新的标准，将锅炉马力定义为“每小时把30磅100华氏度的水转化为1平方英寸70磅压力的饱和水蒸气”。世博会的锅炉房堪称样板，20个整齐排列的锅炉每个70马力，通往展区的地下管道长100米、直径46厘米。有了强大高效的锅炉，蒸汽机才有足够的“底气”。

1873年维也纳世博会

考里斯蒸汽机用皮带连杆驱动机器馆

      蒸汽机带动形形色色、千差万别的机器一起工作，正是社会生产的写照和缩影，凡是力气活蒸汽机都能干。无数纺织厂、钢铁厂、木材厂、造纸厂、印刷厂不再需要临河而建，吱呀作响的水轮让位给高效的蒸汽“座机”，而移动式和便携式蒸汽机则服务上门，完成着挖掘、起重、钻探、消防等任务。

1867年巴黎世博会展出的蒸汽机农业机械

     过去几十匹马编队都无法拉动的犁铧，如今把千里荒野变成了开垦的处女地，“让布法罗草原化为美国的早餐”。收割机、脱粒机、轧花机纷纷来到了田头地角。这是一个水火激荡、蒸汽沸腾的年代。

1873年维也纳世博会展示蒸汽机抽水

      1888年，美国已经拥有蒸汽机1440万马力，英国拥有920万马力。

1883年密歇根城第一台蒸汽机消防车

          人类文明从来没有出现过如此急剧转折和骤然加速。

1890年移动式蒸汽机

往期回顾：