蒸汽機的發明和改進

蒸汽機是利用水蒸氣作介質做功，把熱能轉化為機械能的熱機。1698年，英國工程師托馬斯·塞維利（T. Savery, 1650～1715）根據巴本的模型，發明制造出一臺稱為“礦工之友”的應用于礦井抽水的蒸汽水泵，首次將蒸汽作為一種人為制造動力，用于抽取礦井中的積水。這種蒸汽水泵有一個帶有閥門的容器，先將蒸汽引入，然后關上閥門讓蒸汽冷凝，造成容器中的部分真空，再打開進水閥門吸入礦井中的水，最后關上進水閥門，引入高于大氣壓的蒸汽，把水從另一出口排出去。盡管它的操作很復雜，效率也不高，但它畢竟是可以實際應用的蒸汽水泵，而且是第一臺。塞維利在1698年獲得專利。這種水泵可以在淺礦井或小庫房用于短程提水。但這種機器還極不完善，離“劃時代”還有一定差距。

在總結前人經驗的基礎上，英國的鐵匠紐可門（T. Newcomen, 1663～1729）于1702年獲得“大氣蒸汽機”專利。紐可門機的蒸汽缸和抽水氣缸是分開的，而且有活塞。蒸汽進入氣缸后在內部噴水使之冷凝，造成部分真空，大氣壓推動活塞做功，帶動水泵活塞吸水和排水。經過改進后，這種蒸汽機在不少地方都得到了應用。英國工程師斯密頓（J. Smeaton, 1724～1792）于18世紀下半葉進一步改進了大氣蒸汽機，將其效率提高了一倍。紐可門機對開發英國的礦業資源、奠定英國工業發展的基礎起了重要作用。

英國格拉斯哥大學的儀器修理工瓦特（J. Watt, 1736～1819）對紐可門機進行了根本性改造。瓦特在修理紐可門機的時候注意到，在用冷水噴入氣缸使蒸汽機冷卻的同時，氣缸本身也冷卻下來，重新吸入蒸汽時又被加熱，要消耗很多蒸汽，導致蒸汽機的效率很低。在當時已經提出潛熱和比熱理論的啟發下，瓦特不僅找到了蒸汽機效率低下的原因，也找到了提高蒸汽機效率的途徑——要保持氣缸不被冷卻。于是他在氣缸上另外加了一個凝汽器，以使蒸汽冷卻。后來這個容器被稱為冷凝器。這是瓦特蒸汽機的一項重要改進。1769年他具有歷史意義的專利——“在火力機中減少蒸汽和燃料消耗的一種新方法”獲得批準，其中的基本部分是凝汽器的利用。1774年，瓦特制成了新型的單向蒸汽機，動作可靠，耗煤量比紐可門機有了明顯減少。他遂與別人合作興辦了蒸汽機制造廠。1781年，他把單向蒸汽機改進為雙向蒸汽機，效率進一步提高，成為許多國家經濟部門的通用熱機。馬克思在《資本論》中指出，直到瓦特發明第二種蒸汽機，即所謂的雙向蒸汽機后，才找到一種原動機，它的能力完全受人控制，可以移動，同時其本身又是推動的一種手段，這種原動機不像水車那樣只能在農村使用，它可以使生產集中在城市，而不會像水車那樣必須將生產分散在農村。1784年，瓦特取得了旋轉蒸汽機的專利。這一“萬能動力機”的問世，標志著其完成了把一個簡單的抽水裝置改造為復雜多用原動機的使命。1787年，為了在負荷變化的情況下保證蒸汽機相對穩定的速度，瓦特又安裝了離心式調速器；1790年，他又發明了蒸汽壓力表。經過一系列改進后的瓦特蒸汽機實用、效率高、性能可靠，開始走向標準化，逐步普及到整個工業領域。

蒸汽機的發明，尤其是瓦特蒸汽機的發明，被認為是第一次技術革命的標志性事件。因為這是一場動力革命，使人類由200萬年來以人力為主的手工勞動時代進入了近代機器大生產的蒸汽時代，具有特殊的意義。首先，蒸汽機的使用使得生產由原來以家庭為單位完成，變為由工廠完成，實現了生產組織的重大突破，使得生產效率大幅度提高；其次，蒸汽機的使用使得工廠的選址進一步擺脫了自然條件的限制，使生產和消費之間的空間距離大幅度縮小，使得生產與消費的適應性進一步加強；最后，蒸汽機將工具機、傳動機和動力機完整地結合起來，形成不可分割的整體，推動了機器體系的日臻完善，使得工廠生產的協調性進一步加強，管理技術得到進一步提高，生產效率大幅度提高。各種工具機都需要動力推動，蒸汽機可以完成這個任務。因此，蒸汽機的發明和應用，促進了英國各個工業部門的機械化。蒸汽機首先應用于輕工業——1784年英國建立了第一座蒸汽紡紗廠；此后，它被陸續運用到其他各個工業部門：在冶金工業上驅動鼓風機，在采礦工業上驅動排水機，在交通運輸業上驅動火車和汽船等。到1825年，英國已有蒸汽機1.5萬臺。