田 川

(重慶市第八中學(xué)校,重慶 400030)

截止到1824年1月,已故瓦特所在的制造廠已經(jīng)累計(jì)生產(chǎn)了1164臺(tái)通用蒸汽機(jī),額定總功率為25945馬力(注：1馬力≈735 W)．1824年到1854年的30年間,該工廠又生產(chǎn)了441臺(tái),然而僅此441臺(tái)的總功率也達(dá)到了25278馬力．1856年,克里米亞戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束時(shí)英國(guó)海軍蒸汽動(dòng)力戰(zhàn)艦的占比為96%．1888年,美國(guó)物理學(xué)家霍爾(E.H.Hall 霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者)統(tǒng)計(jì)出當(dāng)年全世界的蒸汽機(jī)總功率為5015萬(wàn)馬力,而在8年前,這一數(shù)字還只有3415萬(wàn)馬力．[1]德國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家恩格爾(Engel)由此推測(cè)到20世紀(jì)初,這一數(shù)字將會(huì)達(dá)到2億馬力．人類對(duì)能源的利用之所以能呈現(xiàn)幾何級(jí)數(shù)地增長(zhǎng)(圖1),無(wú)疑要?dú)w功于瓦特．

圖1

1 孱弱獨(dú)子性倔強(qiáng) 及長(zhǎng)漸顯匠之光

圖2 瓦特

1736年1月19日,詹姆斯·瓦特(James·Watt,圖2)出生于英國(guó)造船業(yè)中心蘇格蘭的格拉斯哥市,瓦特的祖上為躲避英國(guó)內(nèi)戰(zhàn)而遷居至此．瓦特的爺爺還獲得過(guò)男爵的爵位,父親是位手藝精湛的造船作坊主,母親出身當(dāng)?shù)氐拿T(mén)．不幸的是瓦特的4個(gè)哥哥和1個(gè)姐姐都夭折了．在痛失5個(gè)孩子后,這個(gè)動(dòng)不動(dòng)就發(fā)燒的孩童,在母親心中無(wú)異于一個(gè)精美的瓷器,為此瓦特在13歲之前沒(méi)有去過(guò)學(xué)校．

由于父母的過(guò)渡呵護(hù),使得瓦特在10歲前還未出過(guò)家門(mén)．幼時(shí)的瓦特顯得孤僻、任性,據(jù)瓦特家的保姆回憶,某一天,幾歲的瓦特將燒水壺的壺蓋取下又蓋上,蓋上又取下,前后持續(xù)了兩個(gè)小時(shí),只為數(shù)壺蓋上水滴的滴數(shù),無(wú)論他外婆怎樣呵斥,他依舊我行我素．有些出版物將這一故事改寫(xiě)成瓦特通過(guò)觀察蒸汽頂起壺蓋,從而改良了蒸汽機(jī)的兒童勵(lì)志讀物．不過(guò)換一個(gè)角度看,小時(shí)候的瓦特雖然膽小,害怕見(jiàn)到生人,可是,他卻具有對(duì)一件事一旦感興趣,就非要把他完成不可的倔強(qiáng)性格．13歲以后,瓦特才進(jìn)入小學(xué),期間瓦特和同學(xué)相處不太愉快,短暫的小學(xué)經(jīng)歷是瓦特寶貴的精神財(cái)富,他正在摸索如何與人相處．瓦特的中學(xué)時(shí)代是在“文法學(xué)?！倍冗^(guò)的,這一期間瓦特的數(shù)學(xué)考試幾乎次次都是第一．15歲時(shí)就已經(jīng)將《物理學(xué)原理》閱讀了數(shù)遍．瓦特是一個(gè)內(nèi)向好靜的孩子,課余的最大愛(ài)好就是去父親的工作坊,父親單獨(dú)為他準(zhǔn)備了一個(gè)工作臺(tái),瓦特秉性聰明,悟性較高,他的手藝進(jìn)步很快,工作坊里的工人看到他小小年紀(jì)竟有如此高超的技術(shù),都夸贊他有一雙巧手．

2 負(fù)笈學(xué)藝只身闖 機(jī)器改良路漫長(zhǎng)

瓦特有一個(gè)名叫約翰的弟弟．瓦特的父親很早就打算瓦特去上大學(xué),成為社會(huì)名流,而約翰則繼承他的造船坊的事業(yè)．作為貨物主的父親拗不過(guò)小約翰的糾纏,同意讓他跟船去美國(guó)歷練歷練．萬(wàn)萬(wàn)沒(méi)想到這艘船竟然在海上傾覆了,約翰遇難,瓦特的母親聽(tīng)聞噩耗一病不起,不久就去世了,瓦特的父親也因?yàn)橹Ц毒揞~的賠償金而破產(chǎn)．

瓦特的大學(xué)夢(mèng)就此破碎．通過(guò)舅舅,瓦特認(rèn)識(shí)了格拉斯哥大學(xué)的迪克(Dicke)教授,這位教授認(rèn)為瓦特是一位不可多得的人才,他強(qiáng)烈建議瓦特到倫敦去深造,這位教授還熱心地為瓦特寫(xiě)了介紹信．

瓦特的倫敦學(xué)藝之路并不順暢,當(dāng)?shù)氐男袝?huì)(一種行業(yè)的壟斷協(xié)會(huì))排擠外地人,直到一個(gè)月后,瓦特才拜師成功．在一年的學(xué)藝期間,瓦特每周一至五都從清晨工作到晚上9點(diǎn),盡管回到宿舍已筋疲力竭,但瓦特仍然利用零星的時(shí)間接點(diǎn)維修活干,以便賺點(diǎn)錢(qián)來(lái)補(bǔ)貼生活費(fèi),因?yàn)樗宄?為了送自己到倫敦,父親已經(jīng)盡了最大努力．由于瓦特學(xué)習(xí)刻苦,努力實(shí)踐,不久就能制造難度較高的象限儀、羅盤(pán)和經(jīng)緯儀等儀器．

1756年,1年學(xué)徒期滿后,瓦特回到家鄉(xiāng)的小鎮(zhèn),不久后,格拉斯哥大學(xué)的迪克教授邀請(qǐng)瓦特來(lái)格拉斯哥大學(xué)修復(fù)一批天文儀器．通過(guò)維修這批儀器,瓦特的高超技藝在眾多學(xué)者面前得以展示,事后瓦特被格拉斯哥大學(xué)聘為教具實(shí)驗(yàn)員,負(fù)責(zé)修理和制造儀器,學(xué)校分給他一間專門(mén)的工作車間．?dāng)?shù)十年后進(jìn)出該工作車間的另一位大名鼎鼎的人物是開(kāi)爾文勛爵(William·Thomson)．

瓦特與蒸汽機(jī)的初次相識(shí),是因?yàn)樨?fù)責(zé)維修格拉斯哥大學(xué)內(nèi)一臺(tái)損壞了的紐可門(mén)蒸汽機(jī)(當(dāng)時(shí)被用于煤礦抽水)模型．在維修的過(guò)程中瓦特發(fā)現(xiàn)了該蒸汽機(jī)的重大缺點(diǎn):蒸汽利用率低．

瓦特發(fā)現(xiàn)水蒸氣冷凝的時(shí)候可將其自身質(zhì)量5倍的水加熱至沸騰,這部分能量就是今天所說(shuō)的沸點(diǎn)汽化熱．紐可門(mén)蒸汽機(jī)每推動(dòng)活塞一次,就需要從噴嘴噴入冷水,用于冷凝氣缸中的蒸汽以及汽缸本身,以使活塞復(fù)位,然后再次加熱以進(jìn)行下一次推動(dòng)．瓦特由此找到了紐可門(mén)蒸汽機(jī)效率低的原因——蒸汽的部分能量被用于再次預(yù)熱汽缸,這部分能量被白白地浪費(fèi)掉了．

瓦特獲得改良蒸汽機(jī)的重要靈感來(lái)自一次野外的散步,瓦特的想法是:“蒸汽首先進(jìn)入第一個(gè)缸,即汽缸,蒸汽在這里推動(dòng)活塞上升后,廢氣再?gòu)囊桓?xì)管排入第二缸,這個(gè)缸是冷凝器,蒸汽在這里被水冷卻．之后活塞就落下來(lái)．下一波熱蒸汽接著又進(jìn)入汽缸,由于這時(shí)汽缸仍然保持著高溫,所以蒸汽的能量就避免了被浪費(fèi)在汽缸的預(yù)熱上．”[2]瓦特采用的“分離式冷凝”實(shí)現(xiàn)了“只冷凝廢汽,不冷卻汽缸”,此關(guān)鍵技術(shù)的改進(jìn)使得蒸汽機(jī)的效率從1%提高到5%．恩格斯在《自然辯證法》中寫(xiě)到:“蒸汽機(jī)是第一個(gè)真正國(guó)際上的發(fā)明,瓦特給加上一個(gè)分離式的冷凝器,這就使蒸汽機(jī)在原則上達(dá)到了現(xiàn)在的水平”.[3]

3 彷徨歧路貴人助 鍥而不舍名遠(yuǎn)揚(yáng)

1766年,資金匱乏的瓦特經(jīng)好友布萊克(J.Blake 比熱容的提出者)介紹,開(kāi)始與富商羅巴克(Roebuck)合作,后者贊助研究經(jīng)費(fèi),作為交換,瓦特將專利權(quán)益的2/3讓給羅巴克．

1769年1月5日,瓦特因發(fā)明冷凝器獲得人生中的第一項(xiàng)專利,1769年9月,歷時(shí)6個(gè)月時(shí)間,第一臺(tái)瓦特蒸汽機(jī)終于完工,但接下來(lái)的一系列實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果卻令人大失所望——不是汽缸漏氣就是零件斷裂,工人的技術(shù)達(dá)不到瓦特設(shè)計(jì)所需要的精度．

1772年到1773年爆發(fā)了嚴(yán)重的金融危機(jī),瓦特的贊助者羅巴克遭遇破產(chǎn),1773年9月瓦特的妻子又死于難產(chǎn)．黎明之前是最黑暗的,就在瓦特絕望無(wú)助時(shí),羅巴克的債主——伯明翰的富商博爾頓(Bolton)同意羅巴克用手中的瓦特蒸汽機(jī)專利股份來(lái)抵償相關(guān)債務(wù)．

瓦特在1773年3月29日給他的新贊助商博爾頓的信中寫(xiě)到:“目前情況還不明朗,制造出理想的蒸汽機(jī)還需要大量的時(shí)間和資金”．此時(shí)瓦特踏上蒸汽機(jī)的改良之路已經(jīng)是第8個(gè)年頭了,8年間,他進(jìn)行了無(wú)數(shù)次的試驗(yàn),經(jīng)歷的失敗和沮喪就連他自己也記不清了．

瓦特和博爾頓性格迥異,但他們?cè)谑聵I(yè)上卻形成了完美的互補(bǔ)．1775年,距離瓦特獲得分離式冷凝器的專利已經(jīng)6年時(shí)間了,也就是說(shuō),專利使用期限僅剩8年,如果考慮研發(fā)還需幾年,等到產(chǎn)品投放市場(chǎng)時(shí),專利權(quán)也就到期,根本就沒(méi)有多少利潤(rùn)了．然而,博爾頓竟能說(shuō)服國(guó)會(huì)于1775年提交討論延長(zhǎng)專利有效期的議案,新的專利法案終于在1775年5月獲得通過(guò),專利權(quán)的有效期被延長(zhǎng)至24年．[4]另外,加農(nóng)大炮鏜孔精加工的專家John Wilkinson幫助瓦特解決了活塞與大汽缸的氣密性方面的疑難．因此,可以說(shuō)瓦特蒸汽機(jī)是科學(xué)理論、工藝技術(shù)和企業(yè)資本結(jié)合的產(chǎn)物,缺少任何一方,都是不可能實(shí)現(xiàn)的．

1776年,瓦特蒸汽機(jī)在布魯姆菲爾德(Broomfield)煤礦首次向公眾展示其工作狀態(tài)．此后,瓦特蒸汽機(jī)的訂單紛至沓來(lái),接下來(lái)的5年里,瓦特奔波于各個(gè)礦場(chǎng)的蒸汽機(jī)安裝現(xiàn)場(chǎng)．1782年瓦特取得雙向式蒸汽機(jī)(即雙沖程機(jī)[5])的專利,同年他提出一種功率單位——馬力．1783年,也就是第一臺(tái)瓦特蒸汽機(jī)安裝6年后,瓦特聲稱當(dāng)?shù)鼐椭皇Ｏ乱慌_(tái)紐可門(mén)蒸汽機(jī)了．

1784年瓦特成為愛(ài)丁堡皇家學(xué)會(huì)會(huì)員,同年取得了帶有飛輪、齒輪聯(lián)動(dòng)裝置和雙向裝置的高壓蒸汽機(jī)的專利．由于瓦特對(duì)蒸汽機(jī)的改進(jìn)所作出的重大貢獻(xiàn),1785年瓦特當(dāng)選為倫敦皇家學(xué)會(huì)會(huì)員．瓦特還研究了水蒸氣飽和蒸汽壓與溫度間的關(guān)系,發(fā)明了水銀開(kāi)口管壓力指示器、鍋爐水位計(jì)等．

為了使蒸汽機(jī)在有負(fù)載的時(shí)候仍能保持平穩(wěn)運(yùn)行,1788年瓦特發(fā)明了離心調(diào)速器,如圖3所示,飛球飛行的速度越高,其運(yùn)動(dòng)半徑就越大,安裝一個(gè)與飛球轉(zhuǎn)動(dòng)半徑成相反關(guān)系的閥門(mén),這樣就可以使運(yùn)動(dòng)半徑越大時(shí),蒸汽流量就越低,就這樣,進(jìn)入汽缸里的蒸汽的量得到了調(diào)節(jié),蒸汽機(jī)于是有了不斷修正自己“錯(cuò)誤”的“頭腦”,這就是人們所說(shuō)的“機(jī)械自動(dòng)化控制”．

圖3

1784年4月28日,瓦特平生最得意的一項(xiàng)機(jī)械發(fā)明“平行傳動(dòng)裝置”獲得專利,實(shí)現(xiàn)了把活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu),使蒸汽機(jī)成為可用于各種不同用途的原動(dòng)力機(jī)器．從此,制陶業(yè)、紡織業(yè)、采礦業(yè)、冶金業(yè)、造紙業(yè)等都陸續(xù)安裝上了瓦特蒸汽機(jī)．

4 時(shí)代號(hào)角奏絕唱 文明翻開(kāi)新篇章

瓦特不僅僅在改良蒸汽機(jī)方面做出過(guò)巨大的貢獻(xiàn),他還是一位博學(xué)多才的發(fā)明家和學(xué)者．

1763年瓦特首次發(fā)明了一臺(tái)用來(lái)畫(huà)三維物體的投影儀．1778年在博爾頓的鼓勵(lì)和資金支持下,瓦特發(fā)明了拷貝機(jī)．瓦特還研制出了一種測(cè)量液體密度的儀器．

1783年瓦特出版《水的化學(xué)組成研究》[6]一書(shū),指出水不是元素,而是一種化合物．這使得瓦特獲得廣泛贊譽(yù),英國(guó)化學(xué)家戴維,英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊,德國(guó)的化學(xué)家有機(jī)化學(xué)創(chuàng)始人李比希(Liebig),法國(guó)物理學(xué)家阿拉果,美國(guó)物理學(xué)家亨利等眾多權(quán)威人士都給與了高度肯定．

1785年6月4日,瓦特獲得改良熔爐的專利．

瓦特對(duì)機(jī)械功的概念的建立也做出過(guò)重要的貢獻(xiàn)．

能率數(shù)是指根據(jù)消耗一蒲式耳(bushel,約36 L)的煤炭,能把多少百萬(wàn)磅的水提高1英尺來(lái)計(jì)算的．紐可門(mén)蒸汽機(jī)的能率數(shù)一般在5左右,而瓦特蒸汽機(jī)的平均能率數(shù)約為17.5．[7]

“本公司向貴礦提供蒸汽機(jī),所要求的回報(bào)僅為使用此機(jī)器比起用紐可門(mén)蒸汽機(jī)做相同的功所節(jié)省下來(lái)的煤碳的價(jià)值的三分之一．”[8]這是瓦特首次將蒸汽機(jī)做成商品時(shí),所設(shè)計(jì)的廣告宣傳語(yǔ)．在與礦廠主的談判中,亟待澄清如何理解“同樣的功”．瓦特發(fā)現(xiàn)機(jī)器所施加的力越大,在力的作用下物體沿力的方向移動(dòng)的距離越大,蒸汽機(jī)消耗的煤就越多．在瓦特蒸汽機(jī)替換紐可門(mén)蒸汽機(jī)的過(guò)程中,功的概念得以醞釀．1796年,設(shè)計(jì)出用汽缸內(nèi)活塞的位置,即容積(V)和壓強(qiáng)(p)的變化來(lái)表示做功多少的示意圖——“示功圖”(即p-V圖),它成為19世紀(jì)初法國(guó)卡諾(carnot)創(chuàng)立熱力學(xué)的基礎(chǔ)．[9]在瓦特研究的基礎(chǔ)上,1829年,法國(guó)科學(xué)家科里奧利(Coriolis)在其出版的《機(jī)器功效的計(jì)算》一書(shū)中正式指出:“作用于物體上的力和受力點(diǎn)沿力的方向的位移的標(biāo)量積叫做該力的機(jī)械功”．

瓦特的另一項(xiàng)重要貢獻(xiàn)是發(fā)明了一種用于土木工程測(cè)距的望遠(yuǎn)鏡．1808年,他在格拉斯哥大學(xué)設(shè)立瓦特獎(jiǎng)學(xué)金,到1809年時(shí),瓦特成為“月光學(xué)會(huì)”最后一位健在的成員．1814年瓦特當(dāng)選法蘭西學(xué)院的外籍(僅有8名)院士．1819年8月25日瓦特在伯明翰的家中安詳?shù)仉x世,享年83歲．

瓦特最先提出用螺旋槳來(lái)推進(jìn)輪船的設(shè)想,瓦特蒸汽機(jī)的發(fā)明為研究蒸汽航海提供了可行性．在以瓦特蒸汽機(jī)作為動(dòng)力的基礎(chǔ)上,1807年8月18日美國(guó)人富爾頓(Robert Fulton)發(fā)明的輪船試航成功,而1814年英國(guó)人史蒂芬孫(Stephenson)制造的蒸汽火車試車成功．

瓦特蒸汽機(jī)的普及,促使更多的人投身到蒸汽機(jī)的理論研究中來(lái),以期從理論規(guī)律的高度來(lái)指導(dǎo)蒸汽機(jī)的進(jìn)一步改良．1824年卡諾《論火的動(dòng)力》發(fā)表,不可否認(rèn),卡諾對(duì)瓦特蒸汽機(jī)的理論研究,在“熱力學(xué)”理論建立的過(guò)程中起到了關(guān)鍵的作用[10]．

瓦特蒸汽機(jī)的廣泛采用,極大地推動(dòng)了蓬勃興起的工業(yè)革命．也使世界工業(yè)步入“蒸汽時(shí)代”．后人為了紀(jì)念瓦特,把功率的單位命名為瓦特．1821年以瓦特命名的“瓦特工藝學(xué)?！背闪?在英國(guó)有50余條道路被命名為“瓦特路”．50英鎊的一面就印有瓦特和博爾頓的肖像．多個(gè)國(guó)家發(fā)行郵票紀(jì)念瓦特,如英國(guó)1999年發(fā)行,古巴1996年發(fā)行,馬爾代夫2000年發(fā)行,塞拉利昂2002年發(fā)行[11],德國(guó)2010年發(fā)行,馬其頓2011年發(fā)行等等．

瓦特的訃告中寫(xiě)道:“他武裝了人類,使虛弱無(wú)力的雙手變得力大無(wú)窮”．瓦特給我們留下了一把開(kāi)啟工業(yè)時(shí)代大門(mén)的鑰匙,后人接受他的饋贈(zèng),并沿著他開(kāi)辟的道路繼續(xù)前行．

“科學(xué)之路沒(méi)有平坦的大道,只有不畏勞苦沿著陡峭山路攀登的人,才有希望達(dá)到輝煌的頂點(diǎn)”——詹姆斯·瓦特．