5.3　作为原动机的蒸汽机

采煤业和钢铁业是蒸汽机最好的推动者［15］。木炭匮乏和水动力有限是对18世纪钢铁工业的经济威胁。人们曾想了许多办法来打破这种木材和水动力贫乏的局面。1757年，艾萨克·威尔金森（Isaac Wilkinson）获得了一项新机器专利，即“风箱……以便熔炉、锻炉或其他任何设备可以通过一条管子从几英里远的瀑布或有水位落差处获得鼓风”。但这项专利却从未使用过，一直到18世纪后期，钢铁厂仍在使用直接的水力。水位落差的不足，造成了金属熔炼与精加工有分离的倾向，采用蒸汽机来粉碎钢铁厂的矿石却阻止了这种分离趋势。更为重要的是，瓦特的蒸汽机免除了铁厂厂主们要为他们的风箱、锻锤和滚轧机不断供应水能的问题。在引进瓦特蒸汽机之前，铁厂的平均工作时间据估计是每年约40周，但一个干旱的季节还将使之大为缩短，这会给厂主们带来钱财上的损失，给工人们带来苦难。人们曾尝试过各种装置以便经济地利用水力，在科尔布鲁克代尔，流经水车的水还要再用纽科门蒸汽机加以提升，在弗内斯也曾把手动泵用于相同的目的。蒸汽动力意味着用廉价的矿物燃料就可以使钢铁厂进行生产，这样就没有理由把那些18世纪初曾作为制铁工业象征的熔炉、锻炉和滚轧机分开。

图98（A）设想的烟道机，热空气由烟道上升，使轧钢机工作；（B）设想的由热空气驱动的捣碎机。

到18世纪末，中部地区到处都是煤矿，绝大部分也都得依赖蒸汽机进行开采。这意味着很大的资金支出，因为安装一台纽科门蒸汽机大约要花费1500英镑，但是对较大型的企业来说这笔投资还是很值得的。由于博尔顿（Boulton）已经从苏格兰把瓦特设计的金尼尔蒸汽机带来，并把他的索霍厂（伯明翰）变成了现代工厂的原型，于是情况就有了变化。由博尔顿和瓦特的公司建造的头两台蒸汽机，一台安装在斯塔福德郡的布卢姆菲尔德煤矿，另一台安装在约翰·威尔金森（John Wilkson）建在什罗普的布罗斯利的新铸造厂里。

可是，确实有某些因素在阻碍用蒸汽机快速取代早期的原动机。早期的机器制造商为熟练工程师的匮乏所困。他们的蒸汽机正如其设计所清楚表明的那样，是由铁匠、修造轮子的工匠和木匠各色人等凑在一起制造的，当把零部件装配起来时，非常容易发生某些零部件不能工作的情况。瓦特发现，在格拉斯哥可以找到的由最好的工人制作的汽缸，其直径误差也达3/8英寸，而斯米顿则告诉他，“现今既没有工具又没有工人能够制造如此复杂而又十分精密的机器”。尽管如此，威尔金森却能够做到加工直径为72英寸的金属件时，极限误差不超过“一枚薄薄的6便士银币的厚度”。难怪瓦特不愿在他的蒸汽机中应用高压蒸汽（边码182），尽管这是提高热效率和能量输出的唯一途径。

因此，第一批蒸汽机的制造者们不得不既要培养制造蒸汽机所需的专业人员，又要想办法把蒸汽机的零部件精加工到足够的精度。直到那时，原动机还是由木材和少量金属部件组成的，而蒸汽机需要更坚固更耐用的材料。提高精度的办法是把合适的器具和材料牢固地卡在一台机器上，然后调节工具进行研磨、镗孔、开槽、钻孔、转动或切削等操作（第Ⅲ卷，边码334—336）。1794年，莫兹利（Maudslay）的滑动刀架便是由新型工程师们开发的一系列该类基础性的重要机床中的第一台，但是科学和机械工程的合作还不够紧密，未能产生明显快速的发展。

当瓦特的专利于1800年到期时，已经有496台瓦特蒸汽机在英国的矿山、金属加工场、纺织厂和啤酒厂里工作着。其中，308台是旋转式蒸汽机，164台是泵机，24台是鼓风机。有1台或2台蒸汽机的额定功率为40马力，但平均功率却只有15—16马力，因此并不比风车和水车的功率高多少。蒸汽机得益于其相对的机动性，以及其依赖于煤而不是其他易变的因素，但是如果它老停留在这个阶段，技术变革的进程就只能是非常缓慢的了。

蒸汽机真正发展成为一种新的和较强有力的原动机，是在1800—1850年间。在瓦特时代早期，尚未成熟的热理论对蒸汽机的发展有过一些影响，但尚不能对该类热机进行确切的计算。工程师们本身还得通过反复摸索，以便找到引进高压的方法。此外，他们还开发了较简便地把能量从蒸汽机传送到较小型的机器里去的方法。几门分支学科也为制造蒸汽机提供了有用的新知识。库仑（Coulomb）和拉伊尔（La Hire）等人通过测试材料，计算出蒸汽机零部件的准确尺寸，总结了切实可行的规律，使应用力学这门学科得以逐步发展。桥梁建造技术的兴起（第15章）对蒸汽机结构细节的计算贡献很大。一些工具和方法也被设计出来，用以测定弹性和作用于发动机零部件上的不同的应力。对蒸汽机和传动装置的摩擦情况及其重要性的研究开展得相当晚。马略特（Mariotte，1620—1684）、盖吕萨克（Gay-Lussac，1778—1850）和勒尼奥（Regnault，1810—1878）等人对气体理论的详尽阐述也很重要。

热理论的进一步发展十分关键，不仅包括量热学和温度测量，还包括热力学这门新学科的大多数内容。热力学的基础是由卡诺（Sadi Carnot，1796—1832）在他的著作《论热的原动力》（Motive Power of Heat）［16］中奠定的。他指出，蒸汽机的效率取决于工作介质和汽缸与冷凝器之间的温差。1842年，梅耶（Robert Mayer，1814—1878）计算出单位热量的功当量。能量守恒定律——热力学第一定律——则是由亥姆霍兹（Helmholtz，1821—1894）于1847年表述的。焦耳（Joule，1818—1889）仔细测定了热功当量（1843年），他的工作后来由兰金（1820—1872）所证实。克劳修斯（Clausius，1822—1888）最终把卡诺的热理论和已发现的热功当量整合表述成热力学第二定律，即热量本身不能从冷的物体传向热的物体。唯有在这些定律问世之后，蒸汽机的设计方能有长足进步。

早期的工程师在表示蒸汽机的动力并相互比较时遇到了困惑。在大多数情况下，给出的数字都是表达发动机的“能率”（duty），单位为100万英尺磅每蒲式耳（84磅）煤。这使得我们虽然可以算出蒸汽机的热效率，却无从计算出准确的动力。以下是报道的数据：［17］

往复式蒸汽机

博尔顿和瓦特在说到“20马力蒸汽机”时，使用了瓦特于1783年定义的一个单位，每“马力”就是在1分钟内把3.3万磅重物抬升1英尺的功率，但实际上早期的工程师们在寻找恰当的功的单位时遇到了很大困难。博尔顿和瓦特制造了一系列的4—30马力和36—100马力的蒸汽机，其中“20马力蒸汽机”是最常用的。托马斯·杨（Thomas Young，1773—1829）在讨论蒸汽机的效率时说：

一匹马一天的工作等于5—6个人一天的工作，一匹骡子的力气等于3—4个人的力气。喂养一匹马一天的花费通常是雇一个人一天花费的2—3倍，因此，可以把马力成本估算为人力成本的一半……根据博尔顿先生的权威意见，1蒲式耳（84磅）的煤，相当于8⅓个人一天的劳动，也许还要更多些。这些煤的价钱很少会大于1个工人一天的工资，但是开动一台蒸汽机的花费通常为这台机器所代替的马的花费的一半多一点。［18］

热能的节省和热效率的提高，对于蒸汽机的未来前途最为重要。热能的充分利用，需要采用高压蒸汽。1810年，埃文斯（Evans）和特里维西克（Trevithick）已经在采用3.5大气压的蒸汽了，到1830年蒸汽压力已升高到5—6大气压（边码190）。1840—1850年间，许多较老式的蒸汽机都已改造成高压蒸汽机。尽管如此，科学和工程技术的相互渗透还很缓慢，亨德森（L.J.Henderson）说过，“直到1850年，蒸汽机为科学所做的要比科学为蒸汽机所做的更多”，这是有一定道理的。能量的概念和对能量定律的认识形成了新旧工程技术的分水岭，通过细读法里（Farey）［19］和特雷德戈尔德（Tredgold）［20］所著的有关蒸汽机的早期手册，可以很清楚地看到这一点。

因此，在19世纪初，蒸汽机的改进较为缓慢（图99）。到1820年，伯明翰还只有60台蒸汽机，“总蒸汽动力为1000马力”。1835年，兰开夏郡和约克郡的西赖丁有1369台蒸汽机和866座水车。同年的一张仍保存于伯明翰的蒸汽机清单中提到的总台数为169台，合计在一起为2700马力，这些蒸汽机建造于1780—1835年，其中94台已有10年或接近10年的历史。这些总马力中，有275马力用于磨面粉，1770马力用于加工金属，279马力用于抽水，87马力用于玻璃研磨，97马力用于加工木材，44马力用于造纸，37马力用于碎土，61马力用于抛光，还有50马力用于其他目的。平均下来，每台蒸汽机的功率还是只有大约15马力。在普鲁士，1835年的蒸汽机功率平均为31.5马力；到1904年提高到55.1马力。

图99　蒸汽引入的编年图表。

这种情况可以从英国煤炭的年产量得到反映。1700年的煤产量约为300万吨，大部分供应国内。到1800年，由于引入蒸汽机，这一数字翻了一番。到1850年，它已增长为1700年煤产量的20倍，达到6000万吨，因为这时蒸汽机已经是最主要的工业动力源了。甚至早在1824年，卡诺就一语中的：“掠夺英国的蒸汽机便是掠夺英国的煤和铁，便是夺去英国的财富之源，破坏英国的繁荣，摧毁那个庞大的帝国。”

偶然地，我们得到了早期蒸汽机功率的更为确切的数据［21］。到1850年，蒸汽机已发展成更高效的原动机了，这可以由以下的数字来说明：

5.3 作为原动机的蒸汽机

5.3　作为原动机的蒸汽机