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一、瓦特生平詹姆斯·瓦特（1736—1819）是英国著名的发明家，是工业革命时的重要人物。1776年制造出第一台有实用价值的蒸汽机。以后又经过一系列重大改进，使之成为“万能的原动机”，在工业上得到广泛应用。他开辟了人类利用能源新时代，标志着工业革命的开始。后人为了纪念这位伟大的发明家，把功率的单位定为“瓦特”。瓦特1736年1月19日生于英国格拉斯哥。父亲是熟练的造船装备工人，后来经商。母亲出身于名门贵族，在瓦特幼年时代，不仅教瓦特学习语文和数学，还培养他观察思考的兴趣和动手实践的能力。瓦特从小体弱多病，上学后，他不爱剧烈活动，时常独自沉思默想。有一次瓦特看到水壶的水开了，蒸汽把壶盖冲的卟卟地响，他盯着水壶盖呆了一个小时，这是他第一次对蒸汽发生了浓厚的兴趣。一、瓦特生平瓦特因为身体不好，在文法学校没毕业就退学了。此后，他没进过正规学校。他在家坚持自学，钻研了天文学、化学、物理、解剖学等多门科学，还掌握了拉丁文、希腊文、法文、德文和意大利文。同时，又经常向父亲工场里的工人和技师学习技术、制作各种机械模型和从事化学、电学试验。一、瓦特生平瓦特17岁时，父亲经商失败，家道衰落。他先是到一家钟表店学手艺，后来到伦敦的当代有名的机械师学技术；他21岁时当修理工，后来他结识了著名化学家布莱克和物理学教授鲁比森；从他们那里学到许多科学理论知识。也是在这里，他开始了对蒸汽机的研究。一、瓦特生平早在公元前2世纪，人类对蒸汽的认识和利用已有一定的知识，到瓦特生活的时代，已经有“纽可门蒸汽机”。但这种蒸汽机、燃料消耗量大、效率低，只能往复地沿直线运动，不能在各种生产部门广泛使用。瓦特总结了前人的经验，经过反复改革和试验，花了十年的精力，终于发明了新型蒸汽机。一、瓦特生平1767年，瓦特与表妹玛格丽特·米勒结婚，此后他们共养育了6个孩子。1785年被选为伦敦皇家学会会员，1806年还被授予格拉斯哥大学法学博士，1814年被选为法兰西科学院外籍院士。1819年，83岁的瓦特在家中一、瓦特生平安然与世长辞了。在瓦特的讣告中，对他发明的蒸汽机有这样的赞颂：“它武装了人类，使虚弱无力的双手变得力大无穷，健全了人类的大脑以处理一切难题。它为机械动力在未来创造奇迹打下了坚实的基础，将有助并报偿后代的劳动。”瓦特终生刻苦学习，孜孜不倦地致力于科学事业，在前人成就的基础上，发明了蒸汽机，为人类科学技术的发展作出了划时代的贡献。他生前对人类的科学事业作出了杰出的贡献，各国人民怀一、瓦特生平念这位伟大的发明家，国际单位制中功率以瓦特为单位。1824年，在他逝世5周年时，伦敦公众为他在有名的威斯敏斯特大教堂树立了一座纪念碑。1832年，人们在格拉斯哥市乔治广场塑造了一座瓦特铜像。同样，格拉斯哥大学的博物馆里也有着瓦特的大理石雕像（系瓦特儿子所送）。1690年，法国人巴比首先发明了第一台活塞式蒸汽机，他的设计思想很新颖，汽缸中加热产生蒸汽，推动活塞上升到顶端，然后汽缸降温，活塞又被推回，于是装置就运转起来。但他未能制成实用的蒸汽机。二、瓦特和蒸汽机蒸汽机是一项改变了工业发展进程的技术创新。人类对蒸汽的认识和利用，经历了一个漫长的历史过程。最早可追溯到古希腊数学家希罗于1世纪发明的汽转球，不过它只不过是一个玩具而已。几百匹马，这就使排水费用很高而使煤矿开采失去意义。发明家们对排水问题思考着解决的办法。英国的塞维利最早发明了蒸汽泵排水。塞维利是一位对力学和数学很感兴趣的英国军事机械工程师，又当过船长，具有丰富的机械技术知识。。二、瓦特和蒸汽机在17世纪末18世纪初，随着矿产品需求量的增大，矿井越挖越深，许多矿井都遇到了严重的积水问题。为了解决矿井的排水问题，当时一般靠马力转动辘轳来排除积水，但一个煤矿需要养。这种机器在矿井中得到应用，被称为“矿山之友”。但是这种机器还是有许多缺陷必须克服：它的热损失极大，效率很低；由于靠大气压力汲水，使其工作受到限制；而且也很不安全。二、瓦特和蒸汽机塞维利修改了巴本的设想，于１６９８年，设计发明了第一台实际应用于矿井抽水的蒸汽机，第一次真正把蒸汽变成了工业动力。这是一种有一定意义的实用无活塞式蒸汽机这是一种没有活塞的蒸汽机，虽然燃料消耗很大，也不太经济，但它是人类历史上第一台实际应用的蒸汽机。这样，蒸汽动力技术基本完成了从实验科学到应用技术的转变。但受当时材料和技术的限制，无法推广。1蒸汽机的历史塞维里蒸汽泵的工作原理，是利用密闭容器内蒸汽凝结形成的真空，用大气压力把低水位的水，通过吸人管压入容器，然后再用蒸汽将容器中的水压向高处排出。做采矿工具的生意，由于经常出人矿山，非常熟悉矿井的排水难题，同时发现塞维里蒸汽泵在技术上还很不完善，便决心对蒸汽机进行革新。为了研制更好的蒸汽机，纽可门曾向塞维里本人请教，并专程前往伦敦，拜访著名物理学家胡克，获得厂一些必要的科学实验和科学理论知识。1蒸汽机的历史1705年，英国的纽可门设计制成了一种更为实用的蒸汽机。纽可门生于英国达特马斯的一个工匠家庭，年青时在一家工厂当铁工。从1680年，工匠考利合伙基本上还是一个水泵，原因在于汽缸里没有活塞，无法将火力转变为机械力，从而不可能成为带动其他工作机的动力机。对此，纽可门进行了改进。1蒸汽机的历史纽可门认为，塞维里蒸汽泵有两大缺点，一是热效率低，原因是由于蒸汽冷凝是通过向汽缸内注人冷水实现的，从而消耗了大量的热；二是不能称为动力机，，可输送更多的蒸汽，提高功率；另一方面由于锅炉和汽缸分开，发动机部分的制造就比较容易。针对火力的转换，纽可门吸收了巴本蒸汽泵的优点，引人了活塞装置，使蒸汽压力、大气压力和真空在相互作用下推动活塞作往复式的机械运动。这种机械运动传递出去，蒸汽泵就能成为蒸汽机。1蒸汽机的历史针对热效率问题，纽可门没有把水直接在汽缸中加热汽化，而是把汽缸和锅炉分开，使蒸汽在锅炉中生成后，由管道送人汽缸。这样，一方面由于锅炉的容积大于汽缸容积力推动活塞。在矿井中联结一根深入竖井的杆来驱动一个泵。蒸汽机活塞的运动通过这根杆传到泵的活塞来将水抽到井外。1蒸汽机的历史最初的真空蒸汽机被用来将矿井里的水抽出来。纽科门的蒸汽机将蒸汽引入气缸后阀门被关闭，然后冷水被撒入汽缸，蒸汽凝结时造成真空。活塞另一面的空气压蒸汽机，实现了用蒸汽推动活塞做一上一下的直线运动，每分钟往返16次，每往返一次可将45.5升水提高到46.6米。该机即被用于矿井的排水。1蒸汽机的历史纽可门通过不断地探索，综合了前人的技术成就，吸收了塞维里蒸汽泵快速冷凝的优点，吸收了巴本蒸汽泵中活塞装置的长处，设计制成了气压式蒸汽机。纽可门纽科门大气式蒸汽机的热效率很低，这主要是由于蒸汽进入汽缸时，在刚被水冷却过的汽缸壁上冷凝而损失掉大量热量，只在煤价低廉的产煤区才得到推广。1蒸汽机的历史纽可门及其助手卡利在1705年发明了大气式蒸汽机，用以驱动独立的提水泵，被称为纽科门大气式蒸汽机。这种蒸汽机先在英国，后来在欧洲大陆得到迅速推广。极低，烧起煤来浪费非常大。但是，纽科门的蒸汽机起初是用于煤矿，那里的煤价甚低，使用起来还是合算的，所以很快便被广泛采用。不过，对煤的大量浪费毕竟是那种机器的严重缺点，特别是用于别的地方时成本就太高，因此迫切需要提高蒸汽机的效率。纽可门通过把压缩蒸汽通入一个圆筒能够产生局部真空，于是大气压力就可以推动圆筒里的活塞。那样的蒸汽机，要把一个大汽缸交替着加热、冷却，当然是效率2纽可门机的缺陷1764年，格拉斯哥请瓦特修理一台纽可门式蒸汽机，在修理的过程中，瓦特熟悉了蒸汽机的构造和原理，并开始钻研蒸汽机。他通过大量实验以及根据格拉斯哥大学教授布莱克提出的潜热、比热理论进行分析，对旧式蒸汽机进行深入研究，找出了旧式机器效率低的主要原因：除了漏汽、散热等造成热量的浪费外，主要缺陷在于每一冲程都要用冷水将汽缸冷却一次，从而消耗了大量热量，使绝大部分蒸汽没有被有效利用。3发现问题瓦特发现这种蒸汽机的两大缺点：活塞动作不连续而且慢；蒸汽利用率低，浪费原料。以后，瓦特开始思考改进的办法。针对这一缺陷，瓦特提出了减少蒸汽消耗、提高热机效率的两项措施：一，为了使汽缸始终保持蒸汽所必须具有的温度，必须在汽缸外加上绝热外套或用其他方法对汽缸加热；二，使作功后的蒸汽尽可能快地冷却，液化成水并要使这一过程在汽缸外进行。3发现问题这一时期，英国工匠斯米顿也在考虑改进蒸汽机的问题。但他和瓦特各自是按照完全不同的思路分别改进过纽可门的蒸汽机。斯米顿采用的纯粹是靠经验办法，有条不紊、一个一个的试验样机，不改动基本的设计，只是改变各个零部件的尺寸。就这样，他把纽可门蒸汽机的效率提高了一倍。瓦特在1765年的一个星期日外出散心的时候突然想到他的解决办法。他的想法是，纽科门蒸汽机的主要缺陷在于每一冲程都要用冷水将汽缸冷却一次，从而耗了大量热量，使绝大部分蒸汽没有被有效利用。3发现问题在产生这种设想以后，瓦特在同年设计了一种带有分离冷凝器的蒸汽机。按照设计，冷凝器与汽缸之间有一个调节阀门相连，使他们既能连通又能分开。这样，既能把做工后的蒸汽引入汽缸外的冷凝器，又可以使汽缸内产生同样的真空，避免了汽缸在一冷一热过程中热量的消耗，据瓦特理论计算，这种新的蒸汽机的热效率将是纽可门蒸汽机的三倍。从理论上说，瓦特的这种带有分离器冷凝器的蒸汽机显然优于纽可门蒸汽机，但是，要把理论上的东西变为实际上的东西，把图纸上的蒸汽机变为实在的蒸汽机，还要走很长的路。3发现问题瓦特辛辛苦苦造出了几台蒸汽机，但效果反而不如纽可门蒸汽机，甚至四处漏气，无法开动。尽管耗资巨大的试验使他债台高筑，但他没有在困难面前怯步，继续进行试验。当布莱克知道瓦特的奋斗目标和困难处境时，他把瓦特介绍给了自己一个十分富有的化工技师罗巴克。当时罗巴克是一个十分富有的企业家，他在苏格兰的卡隆开办了第一座规模较大的炼铁厂。虽然当时罗巴克已近50岁，但对科学技术的新发明仍然倾注着极大的热情。他对当时只有三十来岁的瓦特的新装置很是赞许，当即与瓦特签订合同，赞助瓦特进行新式蒸汽机的试制。3发现问题从1766年开始，在三年多的时间里，瓦特克服了在材料和工艺等各方面的困难，终于在1769年制出了第一台样机。同年，瓦特因发明冷凝器而获得他在革新纽可门蒸汽机的过程中的第一项专利。第一台带有冷凝器的蒸汽机虽然试制成功了，但它同纽可门蒸汽机相比，除了热效率有显著提高外，在作为动力机来带动其他工作机的性能方面仍未取得实质性进展。就是说，瓦特的这种蒸汽机还是无法作为真正的动力机。3发现问题由于瓦特的这种蒸汽机仍不够理想，销路并不广。当瓦特继续进行探索时，罗巴克本人已濒于破产，他又把瓦特介绍给了自己的朋友、工程师兼企业家博尔顿，以便瓦特能得到赞助继续进行他的研制工作。博尔顿当时经四十多岁，是位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。3发现问题博尔顿经常参加社会活动，他是当时伯明翰地区著名的科学社团“圆月学社”的主要成员之一。参加这个学社的大多都是本地的一些科学家、工程师、学者以及科学爱好者。经博尔顿的介绍，瓦特也参加了圆月学社。在圆月学社活动期间，由于与化学家普列斯特列等交往，瓦特对当时人们关注的气体化学与热化学有了更多的了解，为他后来参加水的化学成分的争论奠定了基础。更重要的是，圆月学社的活动使瓦特进一步增长了科学见识，活跃了科学思想。4合作研发瓦特自与博尔顿合作之后即在资金、设备、材料等方面得到大力支持。瓦特又生产了两台带分离冷凝器的蒸汽机，由于没有显著的改进，而且，这两台蒸汽机并没有得到社会的关注。这两台蒸汽机耗资巨大，使博尔顿也濒临破产，但他仍然给瓦特以慷慨的赞助。在他的支持下，瓦特以百折不挠的毅力继续研究。自1769年试制出带有分离冷凝器的蒸汽机样机之后，瓦特就已看出热效率低已不是他的蒸汽机的主要弊病，而活塞只能作往返的直线运动才是它的根本局限。4合作研发１７８１年，瓦特从行星绕日的圆周运动受到启发，想到了把活塞往返的直线运动变为旋转的圆周运动就可以使动力传给任何工作机。同年，他研制出了一套被称为“太阳和行星”的齿轮联动装置，终于把活塞的往返的直线运动转变为齿