瓦特的水壺,究竟帶給他怎樣的啟發?

2021-02-13 賽先生

大家一定不陌生小學課本上瓦特和水壺的故事,但這個故事其實是由瓦特的兒子攥寫的,更多地具有象徵意義。那麼真實的水壺事件究竟是什麼樣的?

撰文 | 金斯基

編輯 | 金莊維


瓦特是兩百多年前英國的科學家。他小時候,有一天看奶奶做飯。一壺水開了,壺蓋不停地上下跳動。瓦特覺得很奇怪,就問:「奶奶,壺蓋為什麼會動?」

奶奶說:「水開了,水蒸氣衝出來,壺蓋就動了。」

瓦特還是不明白:為什麼水開了就會有水蒸氣呢?為什麼水蒸氣能讓壺蓋動起來呢?

於是,他常常坐在爐邊,一邊看一邊想。

長大後,他做了很多試驗。再後來,他發明了蒸汽機,成了一位有名的科學家。

還記得這段小學課本上的故事嗎?我們一提到瓦特和蒸汽機,就很自然地聯想到上面的故事。在其他國家,同樣的故事也出現教科書、繪畫作品和廣告海報上。


(左)明治時期的木版畫作品,只是日本版的瓦特已是青年了。(圖源:sainsbury-institute.org)

(右上)小學課本插圖(圖片來自網絡)

(右下)R.W.Buss的《瓦特的第一個蒸汽實驗》(圖源:rosscollection.co.uk)

對於天才般的人物,後人在描述其生平的時候,總會將其和身邊的事物聯繫在一起,攥寫出有趣的故事。除了瓦特和水壺,著名的例子還包括伽利略和比薩斜塔,牛頓和蘋果等等。這樣的名人典故一方面能增加閱讀的趣味性,但另一方面也容易讓人信以為真。

那麼真實的水壺事件是什麼樣的?讓我們先回到蒸汽澎湃的十八世紀。

能源危機

英國是第一次工業革命的發祥地,諸多起因中有一項關鍵因素不容忽視,那就是自然煤炭資源的採集。英國最早利用煤炭可追溯到13世紀,彼時英國的中北部地區都在進行小規模的煤炭開採。幸運的是,這些煤礦大部分是露天礦,儲量豐富,開採方便。即便如此,當時英國仍以木材資源為主要能源燃料。

到了16世紀,隨著人口增長和工業發展,所需的木材燃料也不斷增長,過度砍伐讓英國森林數量急速下降。國家急需新能源來代替舊能源,此時煤炭作為一種容易開採、燃燒值高的能源給英國帶來了新的希望。

1536年到1539年,亨利八世與羅馬教廷決裂,將教會手中的財富收歸王室所有,這其中就包括了大量豐富的煤礦。王室又將其中一些賣給商人,讓他們經營開採。但是由於當時比較容易開採的煤礦幾乎已經耗盡,為了滿足不斷增加的需求,人們只得不斷深入開採。

眾所周知,開採煤礦自古就是一個高危工作。進入地下深處採煤,除了容易對礦工生命造成威脅之外,如何高效排除礦井透水積水的問題同樣重要。

最早在開採還不深入的時候,礦工將水一桶桶從井道內背出。規模擴大以後,人們製造出水車、人力或者馬拉等裝置,將水運出來。但無論人力還是馬力,效率都極其低下,根本無法滿足大量採礦的需求。

到了17世紀末期,英國的五金商託馬斯•紐克曼(Thomas Newcomen)獨立發明了體積龐大的「蒸汽機」,準確說應該是氣壓機。這臺機器利用蒸汽的力量製造真空來抽水,可以晝夜不停地運作,於是很快就被安裝在煤礦上,作為排水機的發動機。但是紐克曼的排水機只能用在煤礦上,因為它本身需要大量煤礦供能。


「紐克曼氣壓機」工作示意圖(圖源:wikipedia)

改良蒸汽機

又過了將近半個多世紀,到了18世紀60年代,年近30的詹姆士•瓦特(James Watt)登場了。

1763年,瓦特在格拉斯哥大學工作,製造各種儀器。他當時被指派去修復紐克曼發動機模型,看看能否進行改良,以提高它的效能。自此,瓦特展開了一系列實驗,致力於研究蒸汽在氣缸中冷凝的過程,並進一步了解蒸汽的特性。

瓦特做實驗的經典「搭檔」——水壺——最早出現在他的一本實驗記錄中:

我將一根玻璃彎管一頭插入水壺嘴中,另一頭插入裝滿冷水的實驗杯中。我發現水壺中的水沸騰的時候,冷水杯中的水雖然只有少量增加,但水溫有明顯升高。我很吃驚,問布萊克博士,是不是變成水蒸氣的水擁有更多熱量?布萊克博士說這是他的理論之一.


瓦特1756年的實驗筆記,畫有水壺草圖。(圖源:Birmingham City Archives)

在早期試驗中,瓦特獨立發現了蒸汽冷凝過程中的潛熱(水蒸氣變成液態水過程中釋放的熱量)。後來,根據英國化學家約瑟夫•布萊克的潛熱學說,瓦特又重新做起相關的實驗。在這些實驗中,他多次用到了水壺和其他一些家用器具,甚至包括平底鍋。

這些實驗幫助他找到了紐克曼氣壓機耗能大的原因:紐克曼的機器需要將冷水灌入汽缸中,冷凝其中的水蒸氣。但在蒸汽冷凝過程中,汽缸本身也被降溫了。這就需要更多燃料來反覆加熱汽缸,造成巨大的能耗。

瓦特在回憶錄中寫道:「要製造出完美的蒸汽發動機,就要保持汽缸和蒸汽的溫度始終一致。但為了充分發揮其威力,蒸汽的溫度需要降到100攝氏度之下。」於是,瓦特產生了將冷凝過程分離出來的想法。

1765年,瓦特發明了分離式冷凝器,這一改良在蒸汽機的發展中起到了關鍵作用。他設計改良的蒸汽驅動機產煤的動力是紐特曼氣壓機的4倍,而且能在各種礦井中使用。

同時,他的蒸汽驅動機進一步提高了鋼鐵產量,從而降低鋼鐵價格。到1830年,英國的煤產量佔世界的4/5,而鐵產量遠超世界上其他國家的鐵產總量。這從根本上改變了工業規模,使得工廠代替傳統的手工業,英國也由此快速走上了現代工業化的道路。


瓦特蒸汽機(圖源:wikipedia)

追根溯源,我們可以了解到,成年瓦特通過利用水壺展開的一系列實驗幫助他了解水蒸氣的特性,從而啟發他改良蒸汽機,成為英國工業革命傳奇人物之一。而「少年瓦特與水壺」 的故事其實是瓦特的兒子——小詹姆士•瓦特(James Watt Jr.)——收集材料後攥寫的,更多地具有象徵意義。小瓦特希望借這個通俗易懂的軼聞,傳播父親的獨立探索精神和思想。

參考資料

[1] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%A9%B9%E5%A7%86%E6%96%AF%C2%B7%E7%93%A6%E7%89%B9

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Watt_steam_engine

[3] https://www.zhihu.com/question/46326716/answer/182226612?utm_campaign=official_account&utm_source=weibo&utm_medium=zhihu&utm_content=answer

[4] http://www.luojiji.com/thread-6430-1-1.html

[5] https://zhidao.baidu.com/question/10501137.html

[6] D.P.Miller, True myths: James Watt’s kettle, his condenser, and his chemisitry, Hist.Sci., xlii (2004)

文章頭圖及封面圖片來源:pixabay.com


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