6.1　帕潘（1647—1712）之前

6.1　帕潘（1647—1712）之前

已知最早的由蒸汽动力驱动的装置，是公元1世纪希罗（Hero）设计的“风神轮”，也叫汽转球。它可以被认为是反动式汽轮机的原型，但只是一种哲学上的玩具，并不能产生任何显见的动力。希罗还发明了另一种热机，机器中空气在加热时产生的膨胀力，被用于驱动水槽中的水通过一个虹吸管升到一只悬挂着的水桶中，随着重量的增加水桶会下降，从而打开一扇由平衡锤关闭的神庙门（第Ⅱ卷，边码635，图575）。

直到17世纪，人们的注意力才再次转向了从热量中获得动力。波尔塔（Giovanni Battista delle Porta，1538—1615）在他的《灵学三书》（Tre libri de'spiritali，那不勒斯，1606年）中，不仅阐明了作用在液面上的蒸汽压力是如何驱使水从水槽中上升的，而且解释了蒸汽的凝结如何产生吸力，从而可以从水位较低的水面吸水。1615年，法国的一位花匠科斯（Salomon de Caus）描述了一座用蒸汽驱动的观赏喷泉。在锅炉上装一根一端开口的管子，向下延伸到几乎接近底部，管子的外部端口是一只装有龙头的喷嘴。当蒸汽压力升到足够高的程度时，龙头被打开，一股水就向上喷射出去。为下一次喷水，锅炉需被重新加水并使压力再次升高。意大利建筑师布兰卡（Giovanni Branca，1571—1640）是第一个认识到作用在轮子四周叶片上的喷射蒸汽流可以使轮子转动的人。1629年，他描述了根据这一原理工作的一类冲击式汽轮机，它是通过三倍减速齿轮连接到一对落锤上的（图98）。这一设计由于过于粗糙而无法达到工作要求，使得这一概念直到19世纪才得到运用。

一个导致蒸汽机的发明的重要步骤是大气压力的发现。对于水会升高并进入采用抽吸或其他方法创造的真空空间，一种被认可的解释是所谓的“自然界讨厌真空”，但是这不能给出水的升高为什么会受到限制的原因。据说由于科西莫二世（Cosimo de'Medici Ⅱ）——托斯卡纳（Tuscany，1590—1620）大公的工程师们在制造从50英尺深处抽水的抽吸泵时没有取得成功（虽然经验已经证明提升30英尺左右是其极限），于是便向伽利略（Galileo，1564—1642）求助。伽利略开始进行试验，这一试验在他去世后由他的学生托里拆利（Evangelista Torricelli，1608—1647）继续进行。1643年，托里拆利宣称大气施加的压力等于约30英寸长的垂直水银柱的压力，而且正是这一压力决定了通过抽吸使液体可以被提升的高度。托里拆利预言此压力将随海拔的增高而降低，这一论点被帕斯卡（Blaise Pascal，1623—1662）提出的一个实验所证实。他在1647年将一只气压表带到了奥弗涅的一座4800英尺高的山顶上，水银柱在登高过程中下降了约3英寸。

这一发现表明，利用大气压力对活塞上做功是可能的，由此导致了许多国家开始进行实验工作并最终发明了蒸汽机。通过机械方式产生真空的一个成功尝试，是由马格德堡市市长冯·居里克（Otto von Guericke，1602—1686）完成的，他运用已有的泵的知识改进了一台用于抽空气而不是抽水的泵。借助于这种设备，他进行了多次显示大气压力效应的壮观表演（图100）。其中一次是1654年在拉蒂斯邦进行的，他使用一只固定的20英寸直径的垂直汽缸，里面有一只配合精密的活塞，通过绳子悬挂在滑轮上。他将一只空气泵与汽缸连接起来，使活塞的下面产生部分真空，从而导致活塞下降，即使由50名壮汉协力拉绳也不能使它上升。他还使用同一装置提升很重的重物。因此很显然，若真空能任意重复形成，那么设计一台利用大气压力推动的有用的蒸汽机便已见端倪。

1663年，萨默塞特（Edward Somerset，1601—1667）——后来的第二位伍斯特侯爵也制成过这类机器。他的描述由于过于模糊而不能在此讨论，但他的确取得了某些成功，并且不仅仅是在实验室规模上，因为法国历史学家索尔比耶（Samuel Sorbière，1615—1670）在1664年，以及科西莫三世在1669年，都记录过曾在沃克斯霍尔见过侯爵的机器，它可以迫使水升高到40英尺的高度。1663年，侯爵获得了议会法案的保证，使他可以“获得由他发明的水作用蒸汽机的利益和利润……期限为99年”。但是，这种蒸汽机并没有取得商业上的成功。(https://www.daowen.com)

有几位早期的发明家曾设想用火药的爆炸力作为一种动力来源。这一思想通常是利用火药爆炸来产生真空，从而可以从大气的压力中获取动力。因此，惠更斯（Christian Huygens，1629—1695）在1680年提出了一种火药蒸汽机的形式，其中爆炸发生在汽缸内一个活塞的下面，该活塞由平衡锤提升到一个较高位置，几乎所有的爆炸气体都通过自动的释放阀门逸出。随着残留的部分气体的冷却，空气的压力会迫使活塞下降，这样就可以提起重物。在惠更斯用这一装置做第一次实验时，他有了一位助手帕潘（Denis Papin，1647—1712？）。帕潘由于“蒸煮锅”（digester，1681年）或蒸汽压力锅的发明，以及为预防它的爆炸而设计的安全阀而闻名。

帕潘意识到爆炸后汽缸中的气体残留会使惠更斯活塞的下面不可能达到满意的真空度，还发现了使用某些不会有残留物的物质的必要性。1690年，他的思索转向了蒸汽，他写道：

因为这是水的一种特性，即加热少量的水使其转变为水蒸气，它会具有一种像空气一样的弹性力（elastic force），但是一旦冷却，它又会重新还原为水，所以没有一丝一毫的所谓弹性力残留。我断定只要用水，在不太剧烈的热的帮助下，花上很少的费用即可构造出机器，从而产生用火药不可能获得的完全真空。

帕潘1690年设计的发动机由一根直径约2.5英寸的竖管组成，配有活塞和连杆。只要将少量的水加到管子的底部，在管子外部加热，产生的蒸汽会将活塞推到管子的顶部，并由抓钩吊住。当通过冷却管子使蒸汽凝结时，用手放开抓钩，大气压力会迫使活塞下降。因此，这一管子必须完成三重任务，即锅炉、发动机汽缸和冷凝器。帕潘的发动机表明了一种原理，但是并无实用价值。然而，他是第一个应用蒸汽在汽缸中驱动活塞的人，而且还指出了一种周期性的操作，后来由纽科门（Newcomen）将其付诸实际应用。