改良蒸汽機的牛人——瓦特（3）

2020-10-30 科學導報少年科學

改變歷史的六位科學家

特約作者 荀致遠 關雁龍

18世紀英國發明家瓦特，改良了蒸汽機，推動了人類向工業時代大步前行。

(接上期)

4.蒸汽機的改良者

1764年，瓦特在一次維修任務中接觸到了紐科門式蒸汽機。在修理紐科門式蒸汽機的過程中，他逐漸熟悉了蒸汽機的構造和原理，並且發現了這種蒸汽機存在兩個非常大的缺點：第一，活塞動作不連續而且很慢，不能很好地使用蒸汽。而活塞動作不連續會導致蒸汽機在使用的過程中，會出現頻繁的卡頓的情況。這就類似於我們乘坐的汽車，圓形的車輪是可以一直平穩轉動的，但如果輪子的轉動是轉一圈停一下呢？就好像司機踩了一下油門，立即又踩了剎車，車就會忽快忽慢，在這種情況下，乘坐的人們也會感覺非常不適；第二：蒸汽利用率低，浪費原料。也就是說，這個蒸汽機在使用時非常浪費能源。就像一個漏油的發動機一樣，即使已經給發動機準備了充足的燃料，可是因為這臺發動機在不斷的漏油，因此發動機真正用於工作的燃料就非常少，大部分都漏出去了，利用率非常低。

瓦特感覺這種蒸汽機使用起來太浪費了，因此他開始思考著如何對蒸汽機進行改良。

那麼他對蒸汽機做了什麼改進呢？

01第一次改良——安裝冷凝器

第一步，他在蒸汽機上安裝了冷凝器。在不斷的思考過程中，瓦特發現舊式蒸汽機效率低的一大原因就是每次工作一段時間後，都要用冷水將汽缸冷卻一次，而這個過程會消耗巨大的能量。

我們知道，蒸汽機其實就好像在燒開水，水燒開以後就會有蒸汽向上頂，蒸汽機就是利用這個力量來工作的。而汽缸就是用來盛放水的地方，蒸汽機每次好不容易把水燒開了，終於可以開始工作了，可是才工作沒一會兒，就需要澆冷水把汽缸冷卻掉。然而如果想要蒸汽機再次工作，又需要重新將汽缸內的水燒開，蒸汽機才能再次開始工作，如此往復循環，大部分的能量都被用於將汽缸內的水燒開了，用於工作的能量也就大大減少。

那麼瓦特怎麼解決這個問題的呢？他首先確定了冷卻汽缸的目的：把蒸汽冷卻重新變成水。那麼能不能不把汽缸降溫，就可以把蒸汽變成水呢？在產生這種設想以後，瓦特在同一年設計了一種帶有分離冷凝器的蒸汽機。

根據瓦特的構想，這種新的蒸汽機的熱效率將是老式紐科門蒸汽機的3倍。似乎這個問題就這樣輕易地被解決了。可是實際上呢，瓦特辛辛苦苦造出了幾臺蒸汽機，效果反而不如紐科門的蒸汽機，甚至四處漏氣，無法開動。他製作的蒸汽機甚至不能把蒸汽收集起來，蒸汽都跑掉了。

雪上加霜的是，在那個時代，製作一個蒸汽機是很昂貴的，瓦特的實驗使他欠了很多債務。但他沒有在困難面前退縮，他仍舊頂著巨大的壓力繼續進行試驗。直到解決了他的蒸汽機漏氣的問題，改良出了效率比舊式蒸汽機高得多的新式蒸汽機。而新式的蒸汽機也逐步被應用於各種工廠中。

02第二次改良——加隔熱層添潤滑油

瓦特在對蒸汽機進行了初步的改良後，並沒有就此滿足，僅僅用了3年時間，他就再次對蒸汽機進行了進一步的改良。他在汽缸的外面增加了隔熱層，就像給汽缸穿上了一層厚衣服，汽缸的熱量就不容易散發，這樣在汽缸加熱到一定程度後，維持溫度需要消耗的能量就會減少，消耗減少也意味著效率的提高；不僅如此，瓦特還在其他地方做了改良，比如他將活塞裝置中添加了潤滑油。在機械結構中使用潤滑油是非常常見的，我們也知道使用油是可以讓機器運動的更加順滑，不至於在工作過程中使機器磨損嚴重，但是在當時而言，瓦特的這一改進卻是意義非凡，加入油潤滑以後的機器損耗再次降低，效率在之前的基礎上再次得到提升。工廠有了先進的機器，也有了充足的能源，由此，人類向著工業時代大步前行。

（待續）

相關焦點

  • 瓦特和改良蒸汽機
    瓦特出生於1736年1月19日。他的父親是個多才多藝的工匠，受父親的影響，瓦特從小就有實驗的興趣和才能。
  • 看工業革命的實質,瓦特改良蒸汽機引領世界走向了蒸汽時代
    1712 年，一位原本 籍籍無名的英國技術工人紐可門發明了第一臺實用的蒸汽機，一下子名聲大噪。這種蒸汽機開始應用在採礦業中，但效率很低，所耗費的原料煤的量也很大。節約成本是礦場主們最大的渴求，因此他們迫切希望有人能夠提高蒸汽機的效率，並降低煤的消耗量。這時，瓦特登場了。
  • 蒸汽機和瓦特的故事 瓦特改進蒸汽機的故事
    我們都知道蒸汽機是瓦特改良的，也正是因為改良的蒸汽機投入到工廠中使用，大大提高了生產效率，人類才進入了「蒸汽時代」，那麼大家知不知道蒸汽機和瓦特的故事呢?　　蒸汽機和瓦特的故事　　瓦特小的時候體弱多病，膽子又小，所以他喜歡一個人玩，經常獨自思考問題，非常愛動腦筋。
  • 蒸汽機之父瓦特背後的男人
    瓦特改良蒸汽機圖（蘇格蘭畫家詹姆斯·勞德作於1855年，現存蘇格蘭國家畫廊）貨幣作為商品交換的媒介，在世界政治經濟格局的更替中發揮著舉足輕重的作用特別是博爾頓，他對瓦特的資助為瓦特改良蒸汽機提供了經濟保障，並且將蒸汽機推向市場，使其獲得廣泛應用。50英鎊作為最大的英鎊紙幣面額，瓦特與博爾頓獲此殊榮，也是英國重視科學家與企業家的一個註腳。蒸汽機作為第一次工業革命的標誌，奠定了英國稱霸世界的基礎。羅巴克與博爾頓兩位企業家慧眼識珠，傾其所有，資助瓦特的蒸汽機實驗。正是在兩位企業家的資助與鼓勵下，瓦特才得以成功改良蒸汽機，並投入生產。
  • 蒸汽機到底是誰發明的,瓦特對蒸汽機的貢獻
    21歲時在格拉斯哥大學找到一份維修科學儀器的工作，一天，蘇格蘭科學家約翰·安德森讓瓦特修理紐科門大學的水泵，瓦特想出了一個改良紐科門蒸汽機的辦法。新蒸汽機提高了效率，同樣的動力只需要以前三分之一的蒸汽。為了讓新蒸汽機商用化，瓦特花費了很多精力和時間繼續改良。他設計了一個可以兩側進氣的氣缸，通過與飛輪聯動的閥門控制進氣方向。
  • 成功男人背後的男人:沒有他,蒸汽機之父瓦特會怎樣
    特別是博爾頓，他對瓦特的資助為瓦特改良蒸汽機提供了經濟保障，並且將蒸汽機推向市場，使其獲得廣泛應用。50英鎊作為最大的英鎊紙幣面額，瓦特與博爾頓獲此殊榮，也是英國重視科學家與企業家的一個註腳。面額50英鎊背面的馬修·博爾頓（左）和詹姆斯·瓦特（右）的肖像蒸汽機作為第一次工業革命的標誌，奠定了英國稱霸世界的基礎。
  • 蒸汽機不是瓦特最先發明的,但是他卻成功引發了工業革命
    為解決決這些問題，瓦特用玻璃瓶、竹筒等簡陋的器具做了一連串簡單而有趣的實驗，研究了蒸汽的密度、壓力和溫度之間的關係。他還對蒸汽機如何充分利用熱量作了一番仔細研究，並取得了突破性成果。改良成功在1769年，瓦特製成了單動式蒸汽機，其耗煤量僅為紐可門蒸汽機的四分之一，這是一個非常巨大的進步，但是瓦特並不滿足。
  • 仔仔科技說:科學小故事,瓦特是怎樣改良蒸汽機的?
    要回答這個問題，先得從科學與瓦特終生從事的儀器製造工作之間的聯繫談起。儀器製造人員是科學革命背後的「無名英雄」，所有領域的科學家都離不開這些「工匠」提供的工具。氣象學家需要氣壓計，化學家需要實驗分析工具，外科醫生需要鉗子和醫療設備。牛頓深入研究各種關係的測量和量化並引發了科學革命，而儀器製造人員是測量數據精確度的重要保證。
  • 蒸汽機真的是瓦特發明的嗎?
    上期我說了，瓦特被邀請去維修蒸汽機。這個說法有意思吧？大家不都說蒸汽機是瓦特發明的嗎？怎麼瓦特還被邀請去維修蒸汽機呢？如果他發明的真的是蒸汽機，那他現在維修的是什麼東西呢？ 瓦特以前見過蒸汽機嗎？瓦特以前真沒見過，但是他可聽說過有這種機器，還自己研究過蒸汽機的原理。這次，終於有機會可以當面研究了，瓦特特別開心。他不但修好了這臺教學用的蒸汽機，他還發現，這個蒸汽機效率太低了！他就開始自己研究蒸汽機，準備改進蒸汽機。最後，經過潛心思考，瓦特費了九牛二虎之力，終於設計好了圖紙，有人說，這下大家能用得上的蒸汽機可以造出來了吧？
  • 蒸汽機不是瓦特發明的,又是誰發明的呢?
    第一次工業革命進入高潮得益於瓦特改良了蒸汽機，使蒸汽機投入工廠使用，因為它能產生巨大的動力，而且不受自然條件的限制。使工業革命進入了一個全新的階段。那麼問題來了，蒸汽機不是瓦特發明的，那是誰最早發明了蒸汽機呢？
  • 蒸汽機發明家——瓦特
    瓦特改進、發明的蒸汽機是對近代科學和生產的巨大貢獻，具有劃時代的意義。它導致了第一次工業技術革命的興起，極大地推進了社會生產力的發展。後人為了紀念他，將功率的單位稱為瓦特。在18世紀的蘇格蘭，一個男孩在廚房裡看祖母做飯，灶上有一壺開水，壺蓋啪啪作響,不停地往上跳動。
  • 蒸汽機的發明者:瓦特
    瓦特在大學修理儀器期間，學校曾經把一臺舊式的紐可門蒸汽機交給他修理。他通過大量實驗以及根據格拉斯哥大學教授布萊克提出的潛熱、比熱理論進行分析，對舊式蒸汽機進行深入研究，找出了舊式機器效率低的主要原因。針對舊式蒸汽機的缺陷，瓦特提出了減少蒸汽消耗，提高熱機效率的兩項措施。
  • 蒸汽機的發明與創造,經過科學家的不斷改良,應用越來越廣泛!
    不過直到1765年，蘇格蘭人詹姆斯·瓦特才造出了第一合正常運轉的蒸汽機。原則上說，海倫的機器就是歷史上第一臺蒸汽機，但是由於它的功率很小，用兩根指頭就可以將其停下，因此在技術上應用蒸汽力的路途依然很遠。蒸汽機的發明與創造，經過科學家的不斷改良，應用越來越廣泛！
  • 名人故事33 | 發明蒸汽機的——瓦特
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  • 瓦特蒸汽機的重大改進者,工業革命的關鍵人物
    後人為了紀念這位偉大的發明家，把功率的單位定為「瓦特」。1819年8月25日，83歲的瓦特於英國斯塔福德郡漢茲沃斯的家中去世。瓦特的小店開業4年後，在朋友羅賓遜教授的引導下，瓦特開始了對蒸汽機的實驗。1763年，瓦特得知格拉斯哥大學有一臺紐科門蒸汽機（Newcomensteamengine），但是正在倫敦修理，他請求學校取回了這臺蒸汽機並親自進行了修理。
  • 為什麼有人說瓦特不是蒸汽機的唯一發明者?
    後人為了紀念這位偉大的發明家，把功率的單位定為「瓦特」（簡稱「瓦」，符號W）。但正如其它很多重大發明一樣，關於瓦特是否是一些蒸汽機相關的專利的發明者上一直有很多爭議。但對於其中最重要的分離式冷凝器，毫無爭議是由瓦特最早提出並獨自發明的。
  • 最強蝸牛貴重品瓦特蒸汽機測評
    在最強蝸牛中，瓦特蒸汽機是一個橙色SS級品質科技類的貴重品，在挖掘地縫的時候，瓦特蒸汽機可以增加獲得白蝌蚪的數量，那麼它的屬性怎麼樣呢?下面寒山就給玩家帶來最強蝸牛瓦特蒸汽機怎麼獲得的內容，一起去看看吧!
  • 蒸汽機的發明者瓦特竟然認為蒸汽機推動不了車輛?
    又有一次，家裡人全出去了，只留下瓦特一個看門。他呆呆地看著爐子 上燒水的茶壺。水快燒開了，壺蓋被蒸汽頂起來，一上一下地掀動著……他 想：這蒸汽的力量好大啊。如果能製造一個更大的爐子，再用大鍋爐燒開水， 那產生的水蒸汽肯定會比這個大幾十倍、幾百倍。用它來做各種機械的動力， 不是可以代替許多人力嗎？這就是後來人們傳說中的「瓦特發明蒸汽機」的 故事。
  • 蒸汽機居然不是瓦特發明的?
    上期我說了，瓦特被邀請去維修蒸汽機。這個說法有意思，大家都說蒸汽機是瓦特發明的，怎麼瓦特還被邀請去維修蒸汽機呢？如果他發明的真的是蒸汽機，那他現在維修的是什麼東西呢？要說清楚這事，還得從使用蒸汽這個事說起。早在古希臘的時候，就有一位科學家發明了一種玩具，這個玩具就是利用蒸汽推動一個球，不停地轉。
  • 瓦特:世界公認的蒸汽機發明家 歷史上的優才人物 No.41
    他對當時已出現的蒸汽機原始雛形作了一系列的重大改進，發明了單缸單動式和單缸雙動式蒸汽機，提高了蒸汽機的熱效率和運行可靠性，對當時社會生產力的發展作出了傑出貢獻。他改良了蒸汽機、發明了氣壓表、汽動錘。後人為了紀念他，將功率的單位稱為瓦特，常用符號「W」表示。瓦特是國際單位制中功率和輻射通量的計量單位，常用符號「W」表示。