瓦特和他的蒸汽機(jī)

　　1764年，學(xué)校請瓦特修理一臺紐可門式蒸汽機(jī)，在修理的過程中，瓦特熟悉了蒸汽機(jī)的構(gòu)造和原理，并且發(fā)現(xiàn)了這種蒸汽機(jī)的兩大缺點(diǎn)：活塞動作不連續(xù)而且慢;蒸汽利用率低，浪費(fèi)原料。以后，瓦特開始思考改進(jìn)的辦法。直到1765年的春天，在一次散步時(shí)，瓦特想到，既然紐可門蒸汽機(jī)的熱效率低是蒸汽在缸內(nèi)冷凝造成的，那么為什么不能讓蒸汽在缸外冷凝呢?瓦特產(chǎn)生了采用分離冷凝器的最初設(shè)想。

　　在產(chǎn)生這種設(shè)想以后，瓦特在同年設(shè)計(jì)了一種帶有分離冷凝器的蒸汽機(jī)。按照設(shè)計(jì)，冷凝器與汽缸之間有一個(gè)調(diào)節(jié)閥門相連，使他們既能連通又能分開。這樣，既能把做工后的蒸汽引入汽缸外的冷凝器，又可以使汽缸內(nèi)產(chǎn)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(jù)瓦特理論計(jì)算，這種新的蒸汽機(jī)的熱效率將是紐可門蒸汽機(jī)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(jī)顯然優(yōu)于紐可門蒸汽機(jī)，但是，要把理論上的東西變?yōu)閷?shí)際上的東西，把圖紙上的蒸汽機(jī)變?yōu)閷?shí)在的蒸汽機(jī)，還要走很長的路。瓦特辛辛苦苦造出了幾臺蒸汽機(jī)，但效果反而不如紐可門蒸汽機(jī)，甚至四處漏氣，無法開動。

　　盡管耗資巨大的試驗(yàn)使他債臺高筑，但他沒有在困難面前怯步，繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)布萊克知道瓦特的奮斗目標(biāo)和困難處境時(shí)，他把瓦特介紹給了自己一個(gè)十分富有的朋友--化工技師羅巴克。當(dāng)時(shí)羅巴克是一個(gè)十分富有的企業(yè)家，他在蘇格蘭的卡隆開辦了第一座規(guī)模較大的煉鐵廠。雖然當(dāng)時(shí)羅巴克已近50歲，但對科學(xué)技術(shù)的新發(fā)明仍然傾注著極大的熱情。他對當(dāng)時(shí)只有三十來歲的瓦特的新裝置很是贊許，當(dāng)即與瓦特簽訂合同，贊助瓦特進(jìn)行新式蒸汽機(jī)的試制。

　　從1766年開始，在三年多的時(shí)間里，瓦特克服了在材料和工藝等各方面的困難，終于在1769年制出了第一臺樣機(jī)。同年，瓦特因發(fā)明冷凝器而獲得他在革新紐可門蒸汽機(jī)的過程中的第一項(xiàng)專利。第一臺帶有冷凝器的蒸汽機(jī)雖然試制成功了，但它同紐可門蒸汽機(jī)相比，除了熱效率有顯著提高外，在作為動力機(jī)來帶動其他工作機(jī)的性能方面仍未取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。就是說，瓦特的這種蒸汽機(jī)還是無法作為真正的動力機(jī)。

　　由于瓦特的這種蒸汽機(jī)仍不夠理想，銷路并不廣。當(dāng)瓦特繼續(xù)進(jìn)行探索時(shí)，羅巴克本人已瀕于破產(chǎn)，他又把瓦特介紹給了自己的朋友、工程師兼企業(yè)家博爾頓，以便瓦特能得到贊助繼續(xù)進(jìn)行他的研制工作。

　　博爾頓當(dāng)時(shí)經(jīng)四十多歲，是位能干的工程師和企業(yè)家。他對瓦特的創(chuàng)新精神表示贊賞，并愿意贊助瓦特。

　　博爾頓經(jīng)常參加社會活動，他是當(dāng)時(shí)伯明翰地區(qū)著名的科學(xué)社團(tuán)“圓月學(xué)社”的主要成員之一。參加這個(gè)學(xué)社的大多都是本地的一些科學(xué)家、工程師、學(xué)者以及科學(xué)愛好者。經(jīng)博爾頓的介紹，瓦特也參加了圓月學(xué)社。在圓月學(xué)社活動期間，由于與化學(xué)家普列斯特列等交往，瓦特對當(dāng)時(shí)人們關(guān)注的氣體化學(xué)與熱化學(xué)有了更多的了解，為他后來參加水的化學(xué)成分的爭論奠定了基礎(chǔ)。更重要的是，圓月學(xué)社的活動使瓦特進(jìn)一步增長了科學(xué)見識，活躍了科學(xué)思想。

　　瓦特自與博爾頓合作之后即在資金、設(shè)備、材料等方面得到大力支持。瓦特又生產(chǎn)了兩臺帶分離冷凝器的蒸汽機(jī)，由于沒有顯著的改進(jìn)，這兩臺蒸汽機(jī)并沒有得到社會的關(guān)注。這兩臺蒸汽機(jī)耗資巨大，使博爾頓也瀕臨破產(chǎn)，但他仍然給瓦特以慷慨的贊助。在他的支持下，瓦特以百折不撓的毅力繼續(xù)研究。自1769年試制出帶有分離冷凝器的蒸汽機(jī)樣機(jī)之后，瓦特就已看出熱效率低已不是他的蒸汽機(jī)的主要弊病，而活塞只能作往返的直線運(yùn)動才是它的根本局限。1781年，瓦特仍然在參加圓月學(xué)社的活動，也許在聚會中會員們提到天文學(xué)家赫舍爾在當(dāng)年發(fā)現(xiàn)的天王星以及由此引出的行星繞日的圓周運(yùn)動啟發(fā)了他，也許是鐘表中的齒輪的圓周運(yùn)動啟發(fā)了他。他想到了把活塞往返的直線運(yùn)動變?yōu)樾D(zhuǎn)的圓周運(yùn)動就可以使動力傳給任何工作機(jī)。同年，他研制出了一套被稱為“太陽和行星”的齒輪聯(lián)動裝置，終于把活塞的往返的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)辇X輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。為了使輪軸的旋軸增加慣性，從而使圓周運(yùn)動更加均勻，瓦特還在輪軸上加裝了一個(gè)火飛輪。由于對傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的這一重大革新，瓦特的這種蒸汽機(jī)才真正成為了能帶動一切工作及的動力機(jī)。1781年底，瓦特以發(fā)明帶有齒輪和拉桿的機(jī)械聯(lián)動裝置獲得第二個(gè)專利。