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第6章 瓦特
姓名：詹姆斯·瓦特
出生地：英国格拉斯哥
生卒年：1736…1819年
历史评价
瓦特是世界公认的蒸汽机发明家。他的创造精神、超人的才能和不懈的钻研为后人留下了宝贵的精神和物质财富。瓦特改进、发明的蒸汽机是对近代科学和生产的巨大贡献，具有划时代的意义，它导致了第一次工业革命的兴起，极大地推进了社会生产力的发展。
瓦特于1736年出生在英国格拉斯哥附近的一个小镇格里诺克，他的父亲是一个经验丰富的木匠，祖父和叔父都是机械工匠。少年时代的瓦特，由于家境贫苦和体弱多病，没有受过完整的正规教育。他曾经就读于格里诺克的文法学校，数学成绩特别优秀，但没有毕业就退学了。但是，他在父母的教导下，一直坚持自学，很早就对物理和数学产生了兴趣。瓦特从6岁开始学习几何学，到15岁时就学完了《物理学原理》等书籍。他常常自己动手修理和制作起重机、滑车和一些航海器械。1753年，瓦特到格拉斯哥当徒工。由于收入过低不能维持生活，第二年他又到伦敦的一家仪表修理厂当徒工。凭借着自己的勤奋好学，他很快学会了制造那些难度较高的仪器。但是繁重的劳动和艰苦的生活损害了他的健康，一年后，他不得不回家休养。一年的学徒生活使他饱尝辛酸，也使他练就了精湛的手艺，培养了他坚韧的个性。
1756年，当他的身体稍有好转，瓦特再次踏上了坎坷的道路来到格拉斯哥市。他想当一名修造仪器的工人，但是因为他的手艺没有满师，当时的行会不允许。幸运的是，瓦特的才能引起了格拉斯哥大学教授台克的重视。在他的介绍下，瓦特进入格拉斯哥大学当了教学仪器的工人。这所学校拥有当时较为完善的仪器设备，这使瓦特在修理仪器时认识了先进的技术，开阔了眼界。这时，他对以蒸汽作动力的机械产生了浓厚的兴趣，开始收集有关资料，还为此学会了意大利文和德文。在大学里，他认识了化学家约瑟夫·布莱克和约翰·鲁宾逊等。瓦特从他们那里学到了很多科学理论知识。1764年，瓦特与表妹玛格丽特·米勒结了婚。
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工业革命
18世纪从英国发动的技术革命是技术发展史上的一次巨大革命，它开创了以机器代替手工工具的时代。
这场革命是以工作机的诞生开始的，以蒸汽机作为动力机被广泛使用为标志的。这一次技术革命和与之相关的社会关系的变革，被称为第一次工业革命或者产业革命。
从生产技术方面来说，工业革命使工厂制代替了手工工场，用机器代替了手工劳动；从社会关系来说，工业革命使依附于落后生产方式的自耕农阶级消失了，工业资产阶级和工业无产阶级形成和壮大起来。
英国是工业革命的发源地。英国工业革命从18世纪60年代开始，到19世纪40年代基本完成。
1764年，学校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，并且发现了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。直到1765年的春天，在一次散步时，瓦特想到，既然纽可门蒸汽机的热效率低是蒸汽在缸内冷凝造成的，那么为什么不能让蒸汽在缸外冷凝呢？瓦特产生了采用分离冷凝器的最初设想。
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。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却步，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朋友——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30多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。
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。
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。博尔顿当时已经40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。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。
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，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。1781年，瓦特仍然在参加圆月学社的活动，也许在聚会中会员们提到天文学家赫舍尔在当年发现的天王星以及由此引出的行星绕日的圆周运动启发了他，也许是钟表中的齿轮的圆周运动启发了他。他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轮的旋转运动。为了使轮轴的旋轴增加惯性，从而使圆周运动更加均匀，瓦特还在轮轴上加装了一个火飞轮。由于对传统机构的这一重大革新，瓦特的这种蒸汽机才真正成为能带动一切工作机的动力机。1781年底，瓦特以发明带有齿轮和拉杆的机械联动装置获得第二个专利。
由于这种蒸汽机加上了轮轴和飞轮，这时的蒸汽机在把活塞的往返直线运动转变为轮轴的旋转运动时，多消耗了不少能量。这样，蒸汽机的效率不是很高，动力不是很大。为了进一步提高蒸汽机的效率，增大蒸汽机的效率，瓦特在发明齿轮联动装置之后，对汽缸本身进行了研究，他发现，他虽然把纽可门蒸汽机的内部冷凝变成了外部冷凝，使蒸汽机的热效率有了显著提高，但他的蒸汽机中蒸汽推动活塞的冲程工艺与纽可门蒸汽机没有不同。两者的蒸汽都是单项运动。
——传世佳言——
瓦特蒸汽机巨大的、不知疲倦的威力使生产方法以过去所不能想象的规模走上了机械化道路。
——罗尔特
端进入另一端出来。他想，如果让蒸汽能够从两端进入和排出，就可以让蒸汽即能推动活塞向上运动又能推动活塞向下运动。那么，它的效率就可以提高一倍。1782年，瓦特根据这一设想，试制出了一种带有双向装置的新汽缸。由此瓦特获得了他的第三项专利。把原来的单项汽缸装置改装成双向汽缸，并首次把引入汽缸的蒸汽由低压蒸汽变为高压蒸汽，这是瓦特在改进纽可门蒸汽机的过程中的第三次飞跃。通过这三次技术飞跃，纽可门蒸汽机完全演变为了瓦特蒸汽机。
从最初接触蒸汽技术到瓦特蒸汽机研制成功，瓦特走过了20多年的艰难历程。瓦特虽然多次受挫、屡遭失败，但他仍然坚持不懈、百折不回，终于完成了对纽可门蒸汽机的三次革新。使蒸汽机得到了更广泛的应用，成为改造世界的动力。
瓦特改良的蒸汽机模型
1784年，瓦特以带有飞轮、齿轮联动装置和双向装置的高压蒸汽机的综合组装取得了他在革新纽可门蒸汽机过程中的第四项专利。1788年，瓦特发明了离心调速器和节气阀；1790年，他又发明了汽缸示工器，至此瓦特完成了蒸汽机发明的全过程。
1785年，瓦特当选为英国皇家学会会员。1814年，他被法国科学家学会接纳为外国会员。
1790年以后，优厚的专利税使瓦特成为一个很有钱的名人。1819年8月5日，瓦特在希思菲尔德郡的家里去世，遗体埋葬在汉德沃尔斯郊区的教堂里。
第7章 斯蒂芬逊
姓名：乔治·斯蒂芬逊
出生地：英国诺森伯兰
生卒年：1781…1848年
历史评价
乔治·斯蒂芬逊一生未受过正规的文化教育，但他刻苦自学，勤于钻研创新，发明和制造了世界上第一辆蒸汽机车，被尊为铁路之父，开创了人类交通史上的新纪元。
斯蒂芬逊于1781年6月9日出生在英国诺森伯兰（今纽卡斯尔）的华勒姆村。父亲是煤矿工人，母亲是普通的家庭妇女。全家八口人全靠父亲一人挣钱养活，生活非常困苦。为了分担家中的生活重担，8岁起他就去给人家放牛，10岁时在煤矿上做些零活，14岁就跟随父亲到煤矿正式上工。
当时，煤矿里已经广泛使用瓦特改良的蒸汽机抽水。斯蒂芬逊来到矿上，先是担任蒸汽机司炉的助手，擦拭机器，给机器加油，做烧火工。斯蒂芬逊生性好钻研，他对蒸汽机能带动抽水机极感兴趣。别人修理机器时他在旁边细心观察，了解机器的构造和性能。他还利用工余时间用泥巴制作蒸汽机、锅炉、汽缸、飞轮，做得和真的差不多。
为了填补科学知识的空白，斯蒂芬逊决心从头学起。他开始在附近的一所夜校里读书，每周三个晚上上课。从此，他节衣缩食，把每一分能省下来的钱都积蓄起来，用来选购必要的书籍和交纳学费。白天他要到煤矿干活，随身带着书本，不放过可以利用的分分秒秒，有空就学；晚上下班回家，吃过晚饭，就伏案灯前，又如饥似渴地攻读起来；为了贴补家用，还得抓点空暇时间给人家刷补皮鞋、修理钟表，生活过得非常紧张。在夜校里，斯蒂芬逊和七八岁的孩子们一起上课，他一点也不感到害羞。他坚持刻苦学习，春夏秋冬，风雨无阻。随着时间的推移，斯蒂芬逊的知识也逐渐增多。他阅读各种科学知识的书籍，探求蒸汽机的奥秘。这样，他不仅熟悉了各种机器的使用情况，而且掌握了它们的理论知识。到1800年，19岁的斯蒂芬逊已经是矿上一名心灵手巧、艺高技深的机械师了。
斯蒂芬逊生活的十八九世纪是资本主义迅速发展时期。特别是1769年，苏格兰的瓦特发明了蒸汽机。蒸汽机的广泛使用，使手工业性质的小生产发展成大生产，大大推动了工业革命。这就把交通工具的改革提到日程上来。
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蒸汽机车
蒸汽机车是利用蒸汽机，把燃料（一般用煤）的热能变成机械能，而使机车运行的一种火车机车。它主要由锅炉、蒸汽机、车架走行部和煤水车四大部分组成。
蒸汽机车按工作性质分为客运机车、货运机车、调车机车。
客运机车是适用于牵引旅客列车的机车。
货运机车是专门用于牵引货物列车的机车。
调车机车是专门用于编组站或调车场进行列车编组、解体作业的机车。
蒸汽机在20世纪中开始被内燃机车取代。
1801年，英国�