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世界科技史上,瓦特是怎么以学徒出身而改良蒸汽机的?

2021-03-05 13:00

  世界科技史上,有这样一位科学家、发明家,他没有接受过正规的教育,只是以学徒出身,但是他凭借自己的聪明才智完成了人类社会急需的一项伟大发明,为人类历史发展做出了极大的贡献。这个人就是发明蒸汽机的瓦特。下面趣历史小编就为大家带来详细的介绍,一起来看看吧!

  詹姆斯·瓦特,从小受到机械工匠父亲的影响,对制造小工艺充满浓厚的兴趣。关于瓦特有一个有趣的故事:有一天,家里的一壶水开了,壶盖被水蒸汽吹得一直在跳。这对于常人来讲是司空见惯的事情,但小瓦特对它却充满好奇,他一直在琢磨壶盖一直跳动的原因。

  由此可见,瓦特从小就善于独立思考,这种习惯使他受益终身。瓦特由于体弱多病,不得不做出退学的决定,但是这并没有影响他对知识的痴迷追求。他一直坚持自学,完成了几何学的课程。后来瓦特当过修理厂的徒工,他凭借自己的好学很快就掌握了技术,但是由于高强度的劳动使得他的身体每况愈下,最后他被迫回家休养。

  当身体条件有所好转后,瓦特准备学习制造仪器,但是由于他不够条件未获允许。不过塞翁失马,焉知非福,格拉斯哥大学教授台克非常欣赏瓦特的才能,把他介绍到格拉斯哥大学当了修理教学仪器的工人。这段经历对于瓦特的一生是非常关键的。在这段时间里,他认识了化学家约瑟夫·布莱克和约翰·鲁宾逊等,由于好学,瓦特学到了很多科学理论知识。

  一次,瓦特在修理一台纽可门蒸汽机的过程中,发现了旧式机器效率低的主要原因:原来每次冲程冷水冷却汽缸的过程会造成热量的消耗,绝大部分蒸汽被白白浪费。因此,瓦特认为,如果在汽缸外加上绝热外套让蒸汽保持所必须具有的温度,或者让作功后的蒸汽尽快冷却,这样就可以提高热机的效率。

  后来,瓦特意识到蒸汽在缸内冷凝最终导致了蒸汽机热效率低,那如果将蒸汽在缸外冷凝不就解决难题了吗?于是瓦特分离冷凝器的最初设想产生了。瓦特设计蒸汽机的道路充满坎坷,根据分离冷凝器的设想,瓦特设计了一种带有分离冷凝器的蒸汽机,然而其效果却并不如人意。其效率远远没能达到瓦特的预想,而这次失败已经让瓦特身陷困境,债台高筑。

  不过此时瓦特认识了化工技师罗巴克,罗巴克表示支持瓦特的实验。此后的三年,瓦特战胜重重困难,最终于1769年制造出了第一台样机,同时,瓦特还发明了冷凝器,使他获得了在革新纽可门蒸汽机过程中自己的第一项专利。没想到由于这种蒸汽机的销售不佳,罗巴克竟濒于破产。所幸这时工程师兼企业家博尔顿又开始与瓦特合作。但是,此后研发生产的蒸汽机不但改进不大,而且耗费了巨资。博尔顿也不堪忍受如此大的压力,到了濒临破产的地步。

  此时,瓦特意识到自己所面临的难题已经不再是热效率低,而是活塞往返运动只能呈直线状态。随后,瓦特受到行星绕日圆周运动的启发,他将活塞往返的直线运动变为旋转的圆周运动,同时还在轮轴上加装了一个飞轮,这样蒸汽机成就了可以带动一切工作机的动力机。

  1781年底,瓦特因发明带有齿轮和拉杆的机械联动装置荣获了自己的第二个专利。

  为了进一步提高蒸汽机的效率,瓦特在发明齿轮联动装置之后,对汽缸本身进行了研究,发现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,从一端进入、另一端出来。

  他想,如果让蒸汽能够从两端进入和排出,就可以让蒸汽既能推动活塞向上运动又能推动活塞向下运动,那么,他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。把原来的单向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。

  由于瓦特把蒸汽机的往复直线运动变成为连续而均匀的圆周运动,从而可以经过传动装置带动一切机器运转,成为能普遍用于工业和交通运输业的“万能动力机”。这种高效率的蒸汽机很快取代了旧式的蒸汽机,被各工业部门迅速采用。从此,动力机、传动机和工作机组成了机器生产系统,成为产业近代化的核心。

  到19世纪30年代,蒸汽机广泛应用到纺织、冶金、采煤、交通等部门去,很快引起了一场技术革命。美国人富尔顿发明了用瓦特蒸汽机作动力的轮船,英国人史蒂芬逊发明了用瓦特蒸汽机作动力的火车。

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