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蒸汽機的歷史非常漫長，最早可以追溯到公元1世紀，古希臘數學家希羅發明的世界第一臺“蒸汽機”——汽轉球！ 希羅發明的蒸汽球示意圖 通過燃燒木材，產生水蒸汽。將燒水的鍋上表面進行密封，只留兩根管通到金屬球中，金屬球上另外伸出兩個管，用于蒸汽向外排出。蒸汽排出時產生旋轉力，金屬球就開始旋轉！ 從希羅開始，蒸汽機經過了漫長時間的發展！而進入近代以后，更加是突飛猛進，成為了第一次工業革命中的核心！ 在第一次工業革命的旗手瓦特隆重登場之前，我們有必要講一講在他之前的幾位巨人，畢竟羅馬不是一天到達的，瓦特版蒸汽機也不是從石頭縫里蹦出來的！   然而，我要講得近代蒸汽機領域的第一位巨人，卻不是英國人，而是一位法國人——丹尼斯·帕平！ 法國物理學家、數學家、發明家——丹尼斯·帕平，同時他也是吃貨一枚 帕平先生最開始的職業是一名醫生！17世紀的歐洲，醫生的社會地位還很低下，甚至沒有資格參加當時精英聚會的沙龍。 除了當醫生之外，帕平對發明創造格外感興趣，通過自己的努力逐漸成為物理方面的專業人才，并且有幸成為著名的物理學家惠更斯的助手，進行大氣壓力和真空作用實驗，他們還共同為路易十四的花園成功設計出一種新型水泵。 但是當時路易十四治下的法國，君主專制達到頂峰，農業是立國之本，沒能給帕平太多展示自己工業方面才華的機會，這讓帕平整日悶悶不樂。他總是期待著能夠離開法國，前往那個充滿無數機會，科學界的舞臺——英國倫敦。 十七世紀末，十八世紀初的倫敦科學風氣開放，是所有追求真理崇尚奮斗的人們心目中的圣堂！ 帕平不高興，一不高興，他就想吃東西！沒錯，帕平先生還有另外一個身份，那就是吃貨！ 有一次，他去爬阿爾卑斯山，走著走著就餓了，于是便找了一些樹枝，架起篝火，開始煮土豆（出去爬山都不忘背鍋和食材，果然吃貨一枚，鑒定完畢）。 水滾開了幾次，但土豆依然不熟。為了填飽肚子，他無可奈何地把沒熟的土豆硬吃了下去。 時隔多年，帕平又想起這件事，于是他找來許多書，查算了山的高度。隨后，一連串的問題開始在帕平的腦子里翻轉：物理學中什么樣的定律能夠解釋這個現象？水的沸點與大氣壓有什么關系？隨后，他又設想：如果用人工的辦法讓氣壓加大，水的沸點就不會像在平地上只是攝氏100度，而是更高些，煮東西所花的時間或許會更少。 可是，怎樣才能提高氣壓？ 帕平自己動手做了一個密閉容器，他要利用加熱的方法，讓容器內的水蒸氣不斷增加，又不散失，使容器內的氣壓增大，水的沸點也越來越高。可是，當他睜大眼睛盯著加熱容器的時候，容器內發出咚咚的聲響。帕平嚇壞了，只好暫時停止試驗。 機會，就這樣緊緊地等待著想要挖掘它的人。1681年，帕平終于找到了答案。這一次，他將在英國皇家學院，向世人展示他的驚人發現。 那一天，皇家學會坐滿了人，科學家們匯聚一堂，來見證“一項驚人的發現”！ 帕平身著盛裝，器宇軒昂，當著眾人的面，他展示了自己的發明：一只活塞裝在一個黃銅氣缸里。當他加熱裝在氣缸一端的水時，由此產生的蒸汽就推著活塞向上移動。當他把火熄滅后，蒸汽慢慢縮減，這就形成了一段真空，隨后，活塞在大氣的強力壓力下，開始向真空處移動。 “嘟~”容器發出刺耳的響聲，一股強力蒸汽沖了出來。人群沸騰了，大家開始慶祝帕平的試驗成功。 帕平設計的蒸汽鍋原理圖 從銅缸中活塞的上方通入蒸汽，讓其做功推動活塞向下，等蒸汽做功完成后，部分冷凝成水，活塞上方部分形成真空，活塞在大氣壓作用下向上運動。當剩余空間很小時，殘余水蒸汽被活塞頂出來。 一位科學家眼神中閃爍著期待的光芒，他興奮地問道：“這個裝置就能把深井里的水排出來嗎？” “不能。”帕平大聲回答道：“這種活塞裝置不大可能做得更大，必須要用其他方法來利用蒸汽。” 現場一片嘩然，人們驚呆了，原來這個裝置并不能排出井下的水，大家都把擔心的目光投向帕平。 “那它能做什么？”那位科學家已經收斂起笑容，嚴肅地問。 帕平環顧人群，嘴角露出得意的笑容，朗聲道：“能燉肉！” 現場哄堂大笑，緊接著又是一陣雷鳴般的掌聲。 午餐會時，帕平當著眾多科學家的面，把幾只活蹦亂跳的雞宰了，塞進壓力鍋里，然后架到火爐上。盞茶的功夫，一盤熱氣騰騰、香味撲鼻的清蒸雞，已經擺在桌上了。雞肉全爛熟了，雞骨頭也軟了。“這是在變魔術嗎？”現場的科學家們被折服了。 “這件神奇的廚具，我給他起名叫‘消化器’。”帕平得意極了。 帕平哥，別逗了，這個不就是高壓鍋嗎？ 帕平設計的“消化器”（高壓鍋）結構簡圖 帕平制作的“消化器”到了十七世紀晚期仍然在使用，這就是今天高壓鍋的雛形！ 這時候，就得講一下第二位巨人了，托馬斯?薩弗里！ 薩弗里是一個貴族，典型的高富帥，而且當過船長，具有豐富的機械技術知識。他制造出世界上第一臺真正能用在煤礦的蒸汽提水機。 薩弗里版蒸汽機的原理是，將一個蛋型容器先充滿蒸汽，然后關閉進汽閥，在容器外噴淋冷水使容器內蒸汽冷凝而形成真空。打開進水閥，礦井底的水受大氣壓力作用經進水管，流到容器中；關閉進水閥，重開進汽閥，靠蒸汽壓力將容器中的水經排水閥壓出。待容器中的水被排空而充滿蒸汽時，關閉進汽閥和排水閥，重新噴水使蒸汽冷凝。如此反復循環，用兩個蛋形容器交替工作，可實現連續排水。 薩弗里蒸汽機的實物圖，可以看到有兩個蛋形容器，二者交替工作，實現連續抽水。 薩弗里的蒸汽泵取代了用大量馬匹，順利將井下水抽了出來，這項偉大發明得到了廣大礦主和礦工們的喜愛。于是，薩弗里被礦工們親切地稱為“礦工之友。” 這個稱號實在是太棒了！薩弗里干脆于1698年申請了標名為“礦工之友”的英國專利，他成為了世界上第一個獲得蒸汽機專利權的人。
“礦工之友”托馬斯?薩弗里，比馮鞏的“婦女之友”可高大上多了！ 但沒想到的是，同一時代的兩位巨人，帕平和薩弗里之間卻發生了激烈地沖突！ 制造出蒸汽泵后，薩弗里的內心充滿驕傲，他將成果在皇家學會展出時，專程邀請帕平來欣賞，并希望得到帕平的認可。 面對薩弗里的蒸汽泵，帕平沒有說出太多贊美的語言，反而指出了很多的缺點，并提出重大改進意見。 在科學精英的面前不給自己面子，這讓薩弗里心生不快，他駁斥了帕平的觀點，并拒絕改進。 而帕平卻決心制造出更好的蒸汽機，并計劃用來開動船只，這樣他的成就將遠遠超過薩弗里。 沒有資金的支持，一切都是空想。帕平把一生精力和收入都用來進行科學研究，生活貧困，只得請皇家學會給予支持。他渴望申請到一筆經費來改進鍋爐，證明自己的蒸汽機比薩弗里的要優越得多。 這個消息讓薩弗里得知后，出面阻撓，拒絕帕平的申請。 阻撓的方式也很簡單，薩弗里和當時的新任皇家科學院院長牛頓說：“據可靠消息，帕平在德國的合作伙伴是萊布尼茲！”
牛頓與萊布尼茨相殺相愛，結果殃及帕平！ 帕平：我冤啊！ 牛頓知道后，就和帕平說：“你想搞研究可以，但皇家科學院已經有人（薩弗里）研究蒸汽機了，你要是也想搞，就和他合作吧！” 帕平：“我。。。” 結果，在帕平和薩弗里合作的很長一段時間里，帕平一分錢報酬都沒有得到！ 1712年，65歲的科學巨人帕平就這么光榮（撲街）了！ 拋去科學以外的恩恩怨怨，帕平和薩弗里主要的爭論焦點在于，薩弗里認為活塞的密封效果并不好，蒸汽機采用活塞會浪費大量水蒸汽，但帕平認為薩弗里的蒸汽機拋棄了活塞，結構過于復雜，提水高度有限（只能達到6米）。 很明顯，帕平提出應該將活塞運用在蒸汽機中的觀點是有道理的。薩弗里的心胸未免過于狹窄！ 最終把這種活塞運用于實際的發明家，并非倫敦知名的科學精英，而只是一個小鎮上的五金商，名叫托馬斯·紐科門，他也是我們要講的第三位巨人！ 可遺憾的是，紐科門的畫像我沒有找到，原因很可能是他過于低賤的出身，那時候的英國還是十足的貴族社會，恐怕沒有一個畫家肯屈尊降貴為紐科門畫一幅肖像畫。 紐科門出生于一個工匠家庭，年輕時在一家工廠當鐵工，后來開了自己的五金店，專門給煤礦供貨。 因為長期與煤礦打交道，所以紐科門非常熟悉井下的排水難題。 紐科門不僅知道井下排水有多么大的難度，更加知道這里面蘊含著多么巨大的商機，如果能解決煤礦排水的問題，那么他就不再是一個小商人，而是擁有無盡財富的偉人。 有了金錢的巨大誘惑，紐科門開始了自己的發明之路。 他通過中間人，開始了和薩弗里的合作生涯。有了薩弗里的幫助，他很快就取得了很大的進展，但代價是紐科門所有發明的專利權都歸薩弗里所有。當然，紐科門獲得了每年420英鎊的專利費。 經過反復的實驗，重要的是綜合了前人的技術成就，吸收了薩弗里蒸汽機快速冷凝的優點，帕平蒸汽泵中活塞裝置的長處，最終紐科門制造出了全新的氣壓式蒸汽機。
紐科門蒸汽機實物圖
紐科門蒸汽機動態圖 通過燒煤產生蒸汽，頂起活塞，推動提水裝置向下運動，當活塞上升到一定高度時，活塞氣缸旁的水罐向活塞下方注冷水，水蒸汽冷凝形成真空。此時活塞在大氣壓的壓力下向下運動，提水裝置將水從低處提上來。 1712年，第一臺紐科門蒸汽機在一個煤礦投入使用。當時還舉行了一個簡短的儀式，來紀念人類正在跨越的門檻。這臺機器被稱為“消防機”（英文名為Fire Engine，現在則代表“消防車”），因為它能夠持續不斷地從地下抽水到地上！ 同時，“消防員”這個稱謂，是指保持“消防機”爐內火焰不滅的人的代名詞。因此，消防員最開始是指保持火焰持續燃燒的人，這和今天的意思大相徑庭！
更復雜一些的紐科門蒸汽機動態圖，大家可以嘗試分析一下它的工作方式 紐科門的發明對于礦井經營者來說非常重要，因為這意味著他們可以從前所未有的深處把水抽上來。而且，由于這樣一臺機器工作起來相當于50匹馬的力量，因此它比它所取代的馬拉裝置要便宜得多。 即便這個裝置有著劃時代的意義，但主流的皇家學會的科學家們卻幾乎沒人愿意承認鈕科門的這項發明，甚至有些人還竭力削弱它的意義。一些歷史學家認為，紐科門低下的社會地位是問題的癥結所在。用一位協會成員的話說：“皇家學會才是倫敦這個小小科學舞臺的中心，這么一個人要想在創造力方面超過這些科學精英，那似乎是難以想象的。” 雖然鈕科門遭到了當時科學精英們的冷落，并且一度被歷史遺忘，但那些記得他的貢獻的人們，卻為他獻上了滿懷敬意的文字，稱他的發明是“人類創造性的最奇妙的結晶”，并贊頌他“帶給著世界……將燃料轉化為動力的技術，為人類帶來利益和便利”。 18世紀60年代，在英格蘭和蘇格蘭各地的煤礦上，可以看到數百臺紐科門發明的蒸汽機（其實它利用的是大氣壓力，而非蒸汽壓力，因此有時它被稱為氣壓機）在忙著抽水。由于需要相當大的動力，因此當時的一些機器大的驚人，有些汽缸有2米寬、3米長。 然而，除了在煤礦和少數幾個金屬礦山之外，這種機器卻并不怎么受歡迎，因為這種“最奇妙的結晶”有一個嚴重的缺點：它是一個燃料怪獸，需要大量的煤來維持運轉。當然，在急需這種機器的煤礦井口，煤是便宜且充足的，因此，雖然這種蒸汽機有著要命的好胃口，但它在煤礦仍有充裕的立足之地。 紐科門蒸汽機的致命問題在于： 1、活塞密封性不足，漏氣現象嚴重； 2、氣缸充滿水蒸汽后，依靠冷水進行冷凝，浪費了大量熱量； 3、大氣壓壓力有限，將水提升的高度也有限。  前人，已經給瓦特打下了雄厚的基礎！也給他留下了很多棘手的難題，接下來，就該瓦特先生大展神威了！
詹姆斯·瓦特 |
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來自： hercules028 > 《自然科學、現代科技、科學知識》
