蒸汽机的发明和改进

蒸汽机是利用水蒸气作介质做功，把热能转化为机械能的热机。1698年，英国工程师托马斯·塞维利（T. Savery, 1650～1715）根据巴本的模型，发明制造出一台称为“矿工之友”的应用于矿井抽水的蒸汽水泵，首次将蒸汽作为一种人为制造动力，用于抽取矿井中的积水。这种蒸汽水泵有一个带有阀门的容器，先将蒸汽引入，然后关上阀门让蒸汽冷凝，造成容器中的部分真空，再打开进水阀门吸入矿井中的水，最后关上进水阀门，引入高于大气压的蒸汽，把水从另一出口排出去。尽管它的操作很复杂，效率也不高，但它毕竟是可以实际应用的蒸汽水泵，而且是第一台。塞维利在1698年获得专利。这种水泵可以在浅矿井或小库房用于短程提水。但这种机器还极不完善，离“划时代”还有一定差距。

在总结前人经验的基础上，英国的铁匠纽可门（T. Newcomen, 1663～1729）于1702年获得“大气蒸汽机”专利。纽可门机的蒸汽缸和抽水气缸是分开的，而且有活塞。蒸汽进入气缸后在内部喷水使之冷凝，造成部分真空，大气压推动活塞做功，带动水泵活塞吸水和排水。经过改进后，这种蒸汽机在不少地方都得到了应用。英国工程师斯密顿（J. Smeaton, 1724～1792）于18世纪下半叶进一步改进了大气蒸汽机，将其效率提高了一倍。纽可门机对开发英国的矿业资源、奠定英国工业发展的基础起了重要作用。

英国格拉斯哥大学的仪器修理工瓦特（J. Watt, 1736～1819）对纽可门机进行了根本性改造。瓦特在修理纽可门机的时候注意到，在用冷水喷入气缸使蒸汽机冷却的同时，气缸本身也冷却下来，重新吸入蒸汽时又被加热，要消耗很多蒸汽，导致蒸汽机的效率很低。在当时已经提出潜热和比热理论的启发下，瓦特不仅找到了蒸汽机效率低下的原因，也找到了提高蒸汽机效率的途径——要保持气缸不被冷却。于是他在气缸上另外加了一个凝汽器，以使蒸汽冷却。后来这个容器被称为冷凝器。这是瓦特蒸汽机的一项重要改进。1769年他具有历史意义的专利——“在火力机中减少蒸汽和燃料消耗的一种新方法”获得批准，其中的基本部分是凝汽器的利用。1774年，瓦特制成了新型的单向蒸汽机，动作可靠，耗煤量比纽可门机有了明显减少。他遂与别人合作兴办了蒸汽机制造厂。1781年，他把单向蒸汽机改进为双向蒸汽机，效率进一步提高，成为许多国家经济部门的通用热机。马克思在《资本论》中指出，直到瓦特发明第二种蒸汽机，即所谓的双向蒸汽机后，才找到一种原动机，它的能力完全受人控制，可以移动，同时其本身又是推动的一种手段，这种原动机不像水车那样只能在农村使用，它可以使生产集中在城市，而不会像水车那样必须将生产分散在农村。1784年，瓦特取得了旋转蒸汽机的专利。这一“万能动力机”的问世，标志着其完成了把一个简单的抽水装置改造为复杂多用原动机的使命。1787年，为了在负荷变化的情况下保证蒸汽机相对稳定的速度，瓦特又安装了离心式调速器；1790年，他又发明了蒸汽压力表。经过一系列改进后的瓦特蒸汽机实用、效率高、性能可靠，开始走向标准化，逐步普及到整个工业领域。

蒸汽机的发明，尤其是瓦特蒸汽机的发明，被认为是第一次技术革命的标志性事件。因为这是一场动力革命，使人类由200万年来以人力为主的手工劳动时代进入了近代机器大生产的蒸汽时代，具有特殊的意义。首先，蒸汽机的使用使得生产由原来以家庭为单位完成，变为由工厂完成，实现了生产组织的重大突破，使得生产效率大幅度提高；其次，蒸汽机的使用使得工厂的选址进一步摆脱了自然条件的限制，使生产和消费之间的空间距离大幅度缩小，使得生产与消费的适应性进一步加强；最后，蒸汽机将工具机、传动机和动力机完整地结合起来，形成不可分割的整体，推动了机器体系的日臻完善，使得工厂生产的协调性进一步加强，管理技术得到进一步提高，生产效率大幅度提高。各种工具机都需要动力推动，蒸汽机可以完成这个任务。因此，蒸汽机的发明和应用，促进了英国各个工业部门的机械化。蒸汽机首先应用于轻工业——1784年英国建立了第一座蒸汽纺纱厂；此后，它被陆续运用到其他各个工业部门：在冶金工业上驱动鼓风机，在采矿工业上驱动排水机，在交通运输业上驱动火车和汽船等。到1825年，英国已有蒸汽机1.5万台。