英國工程師瓦特發明了蒸汽機對嗎

General 更新 2022年09月29日

  很多人會有疑問,蒸汽機真的是瓦特發明的嗎?那麼小編就告訴你真相,一起來看看小編給大家精心準備的資料,歡迎閱讀!

  蒸汽機的發明

  人類對蒸汽的認識和利用,經歷了一個漫長的過程。早在公元前2世紀,古希臘人就製造過一種利用蒸汽噴射產生反作用的發動機。

  1698年,法國物理學家巴本發明了汽缸——活塞裝置。這個裝置源於高壓鍋上壓力閥所受的重力自身重量是由鍋內蒸汽的壓力作用在閥上來平衡的現象。但巴本畢竟是物理學家而不是一位工程師或熟練工人,未能把這個聰明的設想完善到可以實際應用。

  英國工程師托馬斯.塞維利修改了巴本的設想,在1698年發明了第一臺實際應用於礦井抽水的蒸汽機,第一次真正把蒸汽變成工業動力。但是這種機器有許多缺陷,熱損失極大,效率很低。由於靠大氣壓力汲水,使其工作受到限制;而且也很不安全。

  1705年英國鍛工托馬斯.紐可曼在另一位工人考利的幫助下,發明了一種實用的大氣活塞式蒸汽機。他將從礦井裡抽水的工作機和為它提供動力的蒸汽裝置完全分開,並靠搖稈的不平衡在重力作用使蒸汽裝置的活塞運動回程。這樣極大地減少熱量損失,保證了蒸汽機安全執行,降低了執行成本。

  1763年,格拉斯哥大學請詹姆斯•瓦特修理一臺紐可曼蒸汽機。瓦特通過大量實驗以及根據格拉斯哥大學教授布萊克提出的潛熱、比熱理論進行分析,深入研究了舊式蒸汽機,找出舊式機器效率低的原因:主要缺陷在於每一衝程都要用冷水將汽缸冷卻一次,從而消耗大量熱量,使絕大部分蒸汽不能有效利用。針對缺陷,瓦特提出減少蒸汽消耗、提高熱機效率的兩項措施:一,為了使汽缸始終保持蒸汽所必須具有的溫度,必須在汽缸外加上絕熱外套或用其他方法對汽缸加熱;二,使作功後的蒸汽儘可能快地冷卻,液化成水並要使這一過程在汽缸外進行。瓦特產生了採用分離冷凝器的最初設想。

  1765年,一種全新的蒸汽機在瓦特的手中誕生。瓦特發明的蒸汽機不僅少用大量的煤,而且使人類從此開始擁有自己創造的動力,而不再受制於大自然。後來人們把解決了工業化核心問題的瓦特蒸汽機,作為工業革命的標誌。瓦特也被稱為“工業革命之父”。

  瓦特在同年設計了一種帶有分離冷凝器的蒸汽機。據瓦特計算,這種新的蒸汽機的熱效率是紐可曼蒸汽機的三倍。

  此後三年多的時間裡,瓦特克服了材料和工藝等各方面的困難,終於在1769年製出第一臺樣機。同年,瓦特因這種帶有分離冷凝器的蒸汽機而獲得他的第一項蒸汽機專利。

  自1769年試製出帶有分離冷凝器的蒸汽機樣機後,瓦特就看出熱效率低已不是他的蒸汽機的主要弊病,而活塞只能作往返的直線運動才是根本侷限。1781年,瓦特研製出一套被稱為“太陽和行星”的齒輪聯動裝置,終於把活塞的往返的直線運動轉變為齒輪的旋轉運動。為了使輪軸的旋軸增加慣性,從而使圓周運動更加均勻,瓦特還在輪軸上加裝了一個飛輪。由於對傳統機構的這一重大革新,瓦特的蒸汽機才真正成為能帶動一切工作機的動力機。1781年底,瓦特因帶有齒輪和拉桿的機械聯動裝置獲得第二項蒸汽機專利。

  為了進一步提高蒸汽機的效率,1782年,瓦特根據這一設想,設計了一種帶有雙向裝置的新汽缸,並獲得第三項蒸汽機專利。瓦特把原來的單向汽缸裝置改裝成雙向汽缸,並首次把引入汽缸的蒸汽由低壓蒸汽變為高壓蒸汽,這是瓦特在改進紐可曼蒸汽機的過程中的第三次飛躍。通過三次技術飛躍,紐可曼蒸汽機進化成瓦特蒸汽機。

  這種高效率的蒸汽機很快取代了舊式的蒸汽機,從此,動力機、傳動機和工作機組成了機器生產系統,成為工業化的核心。

  此後瓦特又發明了自動調節蒸汽機運轉速度的離心式調速器1788年、壓力計1790年、計數器、示功器、節流閥以及許多其他儀器,並相繼申請了專利。

  由於瓦特對紐可曼機所做的改進非常重要,所以人們認為是他發明了第一臺有實用價值的蒸汽機。

  瓦特逝世於1819年。後人為了紀念他的偉大發明,把發電機和電動機的功率計算單位稱為“瓦特”。現代家庭用的電燈、電暖器、電熨斗的功率都稱為“瓦”,那是“瓦特”的簡稱,也是為了紀念他為人類作出的傑出貢獻。

  晚年的瓦特非常富庶。但是他的主要財富來源不是製造蒸汽機的工廠,而是廣泛轉讓的高效能蒸汽機的發明專利。

  拓展:瓦特發明蒸汽機的故事

  瓦特為蒸汽機的推廣使用做出了不可磨滅的重要貢獻、有力的推動了社會的前進。恩格斯在《自然辨證法》中這樣寫道:“蒸汽機是第一個真正國際性的發明……瓦特個它加上了一個分離的冷凝器,這就使蒸汽機在原則上達到了現在的水平。”後人為了紀念這位偉大的發明家,把功率的單位定為“瓦特”。

  瓦特1736~1819世界公認的蒸汽機發明家。他的創造精神、超人的才能和不懈的鑽研為後人留下了寶貴的精神和物質財富。瓦特改進、發明的蒸汽機是對近代科學和生產的巨大貢獻,具有劃時代的意義,它導致了第一次工業技術革命的興起,極大的推進了社會生產力的發展。

  一

  1736年,瓦特出生在英國蘇格蘭格拉斯哥市附近的一個小鎮格里諾克,他的父親是一個經驗豐富的木匠,祖父和叔父都是機械工匠。少年時代的瓦特,由於家境貧苦和體弱多病,沒有受過完整的正規教育。他曾經就讀於格里諾克的文法學校,數學成績特別優秀,但沒有畢業就退學了。但是,他在父母的教導下,一直堅持自學,很早就對物理和數學產生了興趣。瓦特從六歲開始學習幾何學,到十五歲時就學完了《物理學原理》等書籍。他常常自己動手修理和製作起重機、滑車和一些航海器械。1753年,瓦特到格拉斯哥市當徒工。由於收入過低不能維持生活,第二年他又到倫敦的一家儀表修理廠當徒工。憑藉著自己的勤奮好學,他很快學會了製造那些難度較高的儀器。但是繁重的勞動和艱苦的生活損害了他的健康,一年後,他不得不回家休養。一年的學徒生活使他飽嘗辛酸,也使他練就了精湛的手藝,培養了他堅韌的個性。

  1756年,當他的身體稍有好轉,瓦特再次踏上了坎坷的道路來到格拉斯哥市。他想當一名修造儀器的工人,但是因為他的手藝沒有滿師,當時的行會不允許。幸運的是,瓦特的才能引起了格拉斯哥大學教授臺克的重視。在他的介紹下,瓦特進入格拉斯哥大學當了教學儀器的工人。這所學校擁有當時較為完善的儀器裝置,這使瓦特在修理儀器時認識了先進的技術,開闊了眼界。這時,他對以蒸汽作動力的機械產生了濃厚的興趣,開始收集有關資料,還為此學會了義大利文和德文。在大學裡,他認識了化學家約瑟夫·布萊克和約翰·魯賓遜等。瓦特從他們那裡學到了很多科學理論知識。1764年,瓦特與表妹瑪格麗特·米勒結了婚。

  二

  1764年,學校請瓦特修理一臺紐可門式蒸汽機,在修理的過程中,瓦特熟悉了蒸汽機的構造和原理,並且發現了這種蒸汽機的兩大缺點:活塞動作不連續而且慢;蒸汽利用率低,浪費原料。以後,瓦特開始思考改進的辦法。直到1765年的春天,在一次散步時,瓦特想到,既然紐可門蒸汽機的熱效率低是蒸汽在缸內冷凝造成的,那麼為什麼不能讓蒸汽在缸外冷凝呢?瓦特產生了採用分離冷凝器的最初設想。

  在產生這種設想以後,瓦特在同年設計了一種帶有分離冷凝器的蒸汽機。按照設計,冷凝器與汽缸之間有一個調節閥門相連,使他們既能連通又能分開。這樣,既能把做工後的蒸汽引入汽缸外的冷凝器,又可以使汽缸內產生同樣的真空,避免了汽缸在一冷一熱過程中熱量的消耗,據瓦特理論計算,這種新的蒸汽機的熱效率將是紐可門蒸汽機的三倍。從理論上說,瓦特的這種帶有分離器冷凝器的蒸汽機顯然優於紐可門蒸汽機,但是,要把理論上的東西變為實際上的東西,把圖紙上的蒸汽機變為實在的蒸汽機,還要走很長的路。瓦特辛辛苦苦造出了幾臺蒸汽機,但效果反而不如紐可門蒸汽機,甚至四處漏氣,無法開動。

  儘管耗資巨大的試驗使他債臺高築,但他沒有在困難面前怯步,繼續進行試驗。當布萊克知道瓦特的奮鬥目標和困難處境時,他把瓦特介紹給了自己一個十分富有的朋友--化工技師羅巴克。當時羅巴克是一個十分富有的企業家,他在蘇格蘭的卡隆開辦了第一座規模較大的鍊鐵廠。雖然當時羅巴克已近50歲,但對科學技術的新發明仍然傾注著極大的熱情。他對當時只有三十來歲的瓦特的新裝置很是讚許,當即與瓦特簽訂合同,贊助瓦特進行新式蒸汽機的試製。

  從1766年開始,在三年多的時間裡,瓦特克服了在材料和工藝等各方面的困難,終於在1769年製出了第一臺樣機。同年,瓦特因發明冷凝器而獲得他在革新紐可門蒸汽機的過程中的第一項專利。第一臺帶有冷凝器的蒸汽機雖然試製成功了,但它同紐可門蒸汽機相比,除了熱效率有顯著提高外,在作為動力機來帶動其他工作機的效能方面仍未取得實質性進展。就是說,瓦特的這種蒸汽機還是無法作為真正的動力機。

  由於瓦特的這種蒸汽機仍不夠理想,銷路並不廣。當瓦特繼續進行探索時,羅巴克本人已瀕於破產,他又把瓦特介紹給了自己的朋友、工程師兼企業家博爾頓,以便瓦特能得到贊助繼續進行他的研製工作。

  博爾頓當時經四十多歲,是位能幹的工程師和企業家。他對瓦特的創新精神表示讚賞,並願意贊助瓦特。

  博爾頓經常參加社會活動,他是當時伯明翰地區著名的科學社團“圓月學社”的主要成員之一。參加這個學社的大多都是本地的一些科學家、工程師、學者以及科學愛好者。經博爾頓的介紹,瓦特也參加了圓月學社。在圓月學社活動期間,由於與化學家普列斯特列等交往,瓦特對當時人們關注的氣體化學與熱化學有了更多的瞭解,為他後來參加水的化學成分的爭論奠定了基礎。更重要的是,圓月學社的活動使瓦特進一步增長了科學見識,活躍了科學思想。

  瓦特自與博爾頓合作之後即在資金、裝置、材料等方面得到大力支援。瓦特又生產了兩臺帶分離冷凝器的蒸汽機,由於沒有顯著的改進,這兩臺蒸汽機並沒有得到社會的關注。這兩臺蒸汽機耗資巨大,使博爾頓也瀕臨破產,但他仍然給瓦特以慷慨的贊助。在他的支援下,瓦特以百折不撓的毅力繼續研究。自1769年試製出帶有分離冷凝器的蒸汽機樣機之後,瓦特就已看出熱效率低已不是他的蒸汽機的主要弊病,而活塞只能作往返的直線運動才是它的根本侷限。1781年,瓦特仍然在參加圓月學社的活動,也許在聚會中會員們提到天文學家赫舍爾在當年發現的天王星以及由此引出的行星繞日的圓周運動啟發了他,也許是鐘錶中的齒輪的圓周運動啟發了他。他想到了把活塞往返的直線運動變為旋轉的圓周運動就可以使動力傳給任何工作機。同年,他研製出了一套被稱為“太陽和行星”的齒輪聯動裝置,終於把活塞的往返的直線運動轉變為齒輪的旋轉運動。為了使輪軸的旋軸增加慣性,從而使圓周運動更加均勻,瓦特還在輪軸上加裝了一個火飛輪。由於對傳統機構的這一重大革新,瓦特的這種蒸汽機才真正成為了能帶動一切工作及的動力機。1781年底,瓦特以發明帶有齒輪和拉桿的機械聯動裝置獲得第二個專利。

  由於這種蒸汽機加上了輪軸和飛輪,這時的蒸汽機在把活塞的往返直線運動轉變為輪軸的旋轉運動時,多消耗了不少能量。這樣,蒸汽機的效率不是很高,動力不是很大。為了進一步提高蒸汽機的效率,增大蒸汽機的效率,瓦特在發明齒輪聯動裝置之後,對汽缸本身進行了研究,他發現,他雖然把紐可門蒸汽機的內部冷凝變成了外部冷凝,使蒸汽機的熱效率有了顯著提高,但他的蒸汽機中蒸汽推動活塞的衝程工藝與紐可門蒸汽機沒有不同。兩者的蒸汽都是單項運動,從一端進入、另一端出來。他想,如果讓蒸汽能夠從兩端進入和排出,就可以讓蒸汽即能推動活塞向上運動又能推動活塞向下運動。那末,他的效率就可以提高一倍。1782年,瓦特根據這一設想,試製出了一種帶有雙向裝置的新汽缸。由此瓦特獲得了他的第三項專利。把原來的單項汽缸裝置改裝成雙向汽缸,並首次把引入汽缸的蒸汽由低壓蒸汽變為高壓蒸汽,這是瓦特在改進紐可門蒸汽機的過程中的第三次飛躍。通過這三次技術飛躍,紐可門蒸汽機完全演變為了瓦特蒸汽機。

  從最初接觸蒸汽技術到瓦特蒸汽機研製成功,瓦特走過了二十多年的艱難歷程。瓦特雖然多次受挫、屢遭失敗,但他仍然堅持不懈、百折不回,終於完成了對紐可門蒸汽機的三次革新。使蒸汽機得到了更廣泛的應用,成為改造世界的動力。

  1784年,瓦特以帶有飛輪、齒輪聯動裝置和雙向裝置的高壓蒸汽機的綜合組裝取得了他在革新紐可門蒸汽機過程中的第四項專利。1788年,瓦特發明了離心調速器和節氣閥;1790年,他又發明了汽缸示工器,至此瓦特完成了蒸汽機發明的全過程。

  三

  1785年,瓦特被當選為英國皇家學會會員。1814年,他被法國科學家學會接納為外國會員。

  1790年以後,優厚的專利稅使瓦特成為一個很有錢的名人。1819年8月5日,瓦特在希思菲爾德郡的家裡去世,遺體埋葬在漢德沃爾斯郊區的教堂裡。

  瓦特生活在十八、十九世紀的英國,所以在他的身上不可避免的帶有時代和階級的侷限。他曾經阻撓雙筒蒸汽機和高壓蒸汽機的發明和推廣,還嘲笑別人用蒸汽機來驅動車輛的努力。

  總的來說,瓦特為蒸汽機的推廣使用做出了不可磨滅的重要貢獻、有力的推動了社會的前進。恩格斯在《自然辨證法》中這樣寫道:“蒸汽機是第一個真正國際性的發明……瓦特個它加上了一個分離的冷凝器,這就使蒸汽機在原則上達到了現在的水平。”後人為了紀念這位偉大的發明家,把功率的單位定為“瓦特”。

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