蒸汽机的发明背景

蒸汽机有很大的历史作用，推动了机械工业乃至社会的发展。随着它的发展而建立起来的热力学和机理，为汽轮机和内燃机的发展奠定了基础。汽轮机继承了蒸汽机以蒸汽为工质的特点，采用凝汽器降低排气压力，摒弃了往复运动和间歇进汽的缺点；内燃机继承了蒸汽机的基本结构和传动形式，采用燃料直接输入气缸燃烧的方式，形成热效率高得多的热循环；同时，蒸汽机中使用的汽缸、活塞、飞轮、飞锤调速器、阀门和密封件是许多现代机器的基本部件。瓦特不是蒸汽机的发明者。在他之前，很久以前就出现了蒸汽机，纽科门蒸汽机，但它消耗大量的煤，效率很低。运用科学理论，瓦特逐渐发现了这台蒸汽机的毛病。从1765年到1790年，他做了一系列发明，如分离式冷凝器、汽缸外保温层、用油润滑活塞、行星齿轮、平行连杆机构、离心调速器、节流阀、压力表等。，使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的三倍以上，最终发明了现代蒸汽机。

1764年，学校让瓦特修理一台纽盖特蒸汽机。在修理过程中，瓦特熟悉了蒸汽机的结构和原理，发现了这种蒸汽机的两大缺点:活塞动作不连续且缓慢；蒸汽利用率低，浪费原材料。后来，瓦特开始思考改进的方法。直到1765年春天，在一次散步中，瓦特想到，既然纽科门蒸汽机热效率低是由汽缸内的蒸汽凝结造成的，为什么不让蒸汽在汽缸外凝结呢？瓦特想出了使用独立冷凝器的最初想法。

产生这个想法后，瓦特在同年设计了一台带有独立冷凝器的蒸汽机。根据设计，冷凝器和气缸之间有一个调节阀，这样它们可以连接和分离。这样作功后的蒸汽就可以引入缸外的冷凝器，在缸内产生同样的真空，从而避免了缸在冷却和加热过程中的热量消耗。根据瓦特的理论，这种新型蒸汽机的热效率将是纽科门蒸汽机的三倍。从理论上讲，瓦特的带分离器冷凝器的蒸汽机明显优于纽科门的蒸汽机。但是，把理论的东西变成实际的东西，把图纸上的蒸汽机变成真正的蒸汽机，还有很长的路要走。瓦特辛辛苦苦造了几台蒸汽机，效果都不如纽科门的蒸汽机，甚至到处漏风，无法启动。尽管昂贵的实验使他负债累累，但他在困难面前没有退缩，继续进行实验。当布莱克知道瓦特的目标和困难处境后，他把瓦特介绍给了一个非常富有的朋友——化学技师罗巴克。那时，罗巴克是一个非常富有的企业家。他在苏格兰的卡隆开办了第一家大型炼铁厂。尽管那时罗巴克已年近50，但他仍然对科技新发明充满热情。他对当时才三十多岁的瓦特的新装置非常赞赏，当即与瓦特签约，赞助瓦特试制新蒸汽机。

从1766开始，在三年多的时间里，瓦特克服了材料和工艺上的困难，终于在1769做出了第一台样机。同年，瓦特因发明冷凝器而获得了他在革新纽科门蒸汽机过程中的第一项专利。虽然第一台带冷凝器的蒸汽机试制成功，但与纽科门蒸汽机相比，除了热效率得到显著提高外，在作为动力机器带动其他工作机器的性能方面并没有实质性的进步。也就是说，瓦特的蒸汽机仍然不能作为真正的动力机。

因为瓦特的蒸汽机还不理想，市场不广。当瓦特继续探索的时候，罗巴克自己也濒临破产，他把瓦特介绍给了他的朋友、工程师兼企业家博尔顿，这样瓦特就可以得到赞助继续他的研发。博尔顿四十多岁时是一名能干的工程师和企业家。他对瓦特的创新精神表示赞赏，并愿意赞助瓦特。博尔顿经常参加社交活动，他是当时伯明翰著名科学社团“满月社”的主要成员之一。这个社团的大部分参与者都是当地的科学家、工程师、学者和科学爱好者。经过博尔顿的介绍，瓦特也加入了满月社。在满月社的活动中，瓦特更多地了解了当时人们关注的气体化学和热化学，为他后来参与水的化学成分的争论奠定了基础。更重要的是，满月社的活动使瓦特进一步增长了科学知识，活跃了他的科学思想。

瓦特自与波顿合作以来，在资金、设备、材料等方面都得到了大力支持。瓦特还生产了两台带有独立冷凝器的蒸汽机，但这两台蒸汽机因为没有显著的改进而没有得到社会的重视。这两台蒸汽机耗资巨大，以至于博尔顿濒临破产，但他仍然慷慨资助瓦特。在他的支持下，瓦特坚持不懈地继续他的研究。自从1769年试制出带分离式冷凝器的蒸汽机样机后，瓦特就看出热效率低并不是他的蒸汽机的主要缺点，而根本的局限性在于活塞只能做往复直线运动。1781年，瓦特还在参加满月社的活动。也许在聚会上，成员们提到了当年天文学家赫歇尔发现的天王星和行星围绕太阳的圆周运动启发了他。也许是钟里齿轮的圆周运动给了他灵感。他想到，通过把活塞的往复直线运动转变为圆周旋转运动，可以把动力传递给任何工作机器。同年，他又研制出一套名为“太阳与行星”的齿轮联动装置，最终将活塞的往复直线运动转化为齿轮的旋转运动。为了增加车轴旋转轴的惯性，使圆周运动更加均匀，瓦特还在车轴上安装了一个火飞轮。由于对传统机制的这一伟大创新，瓦特的蒸汽机真正成为了可以驱动一切的动力机。1781年底，瓦特获得了发明齿轮拉杆机械联动装置的第二项专利。

因为这种蒸汽机装有车轴和飞轮，所以在将活塞的往复直线运动转化为车轴的旋转运动时，蒸汽机消耗了大量的能量。这样蒸汽机的效率不是很高，功率也不是很大。为了进一步提高蒸汽机的效率，增加蒸汽机的效率，瓦特在发明了齿轮联动装置后，对汽缸本身进行了研究。他发现，虽然他把纽科门蒸汽机的内冷凝改为外冷凝，蒸汽机的热效率显著提高，但他的蒸汽机中蒸汽驱动活塞的冲程过程与纽科门蒸汽机并无不同。两种蒸汽都是单一运动，从一端进入，从另一端出来。他想，如果蒸汽能从两端进出，就能推动活塞上下运动。那么，他的效率可以翻倍。在1782中，瓦特根据这一想法开发了一种带有双向装置的新圆柱体。由此，瓦特获得了他的第三项专利。将原来的单缸装置改造成双向缸，引入缸内的蒸汽首次由低压蒸汽变为高压蒸汽。这是瓦特在改进纽科门蒸汽机过程中的第三次飞跃。通过这三次技术飞跃，纽科门蒸汽机完全演变成了瓦特蒸汽机。

从最初接触蒸汽技术到瓦特蒸汽机的研制成功，瓦特走过了20多年的艰难历程。瓦特虽然多次受挫失败，但仍锲而不舍，锲而不舍，最终完成了纽科门蒸汽机的三大革新。蒸汽机已被广泛应用，并成为改造世界的动力。

1784年，瓦特在用飞轮、齿轮连杆和双向装置综合组装高压蒸汽机改造纽科门蒸汽机的过程中获得了他的第四项专利。1788年，瓦特发明了离心调速器和节流阀；1790年，他发明了汽缸指示器，瓦特完成了蒸汽机发明的全过程。