上一讲我们说了对与气体状态的认识，讲到了表征气体状态的压力，温度，密度这三个概念的联系以及认知史。但是，我们上一期讲到的都是所谓的不凝气体，在蒸汽机中主要的动力来源是蒸汽，相对于不凝气体，蒸气还涉及到相变化，而且相变化真是蒸气机能够连续运行的基础。

通常情况下水分为气，液，固三相，当然后来也发现了水的超临界态，理论上还预言了所谓冰-7的存在，但是这就不在我们今天的讨论范围之内了。人类对水的相变化的认识非常的早，水结冰是非常自然的现象，而加热水生成蒸汽则是在人类能够利用火之后就发现了。利用蒸汽做功最早的记载出现在公元1世纪，就是著名的希罗气转球。

和后来的蒸汽机一样，气转球可以分成两个部分，首先是烧水产生蒸气的部分，现在我们给他一个专用名词——锅炉。还有就是蒸气喷出带动球体的部件，这就是所谓的蒸气传动件，这个部件将蒸气热能转化为机械能。非常遗憾的是，气转球并没有实用化，最关键的问题在与其传动结构不合理，通过蒸气喷射进行传动有点像后来的汽轮机，也就是我们说的透平。透平这种东西对当时的人来说过度超前了，因为在那个时代由于压力容器制造能力的限制，人类无法产生高压蒸气，而即使是现在的低压的透平，需要的蒸气压力也在十个大气压左右。

一直到18世纪中叶以前，锅炉的发展都相当大的限制，归根到底在于压力容器制造技术非常落后，钢铁还没有大规模普及，还记得我们前几讲说过的铅室法硫酸吗？这个反应器力学强度的支撑竟然靠得是木头。那个时候，人类发生的蒸气基本上都是常压或者接近常压的。

由于蒸气压力上不去，人类只能另寻他法，而这时候只能考虑充分地利用蒸气的相变过程了。第一台有实际意义的蒸汽机发明于十七世纪末期（康熙年间），这台蒸汽机以其发明者名字被命名为塞维利蒸汽机。塞维利蒸汽机，实际上应叫做蒸汽提水机。其运行过程如下：首先蒸气进入一个蒸气储罐中，然后关闭蒸气进口，随后用水将蒸气储罐内的蒸气冷却，变为冷凝水。蒸气冷却后形成的真空可以用于将水从水井中抽吸上来。吸上的水充满蒸气储罐，随后通过排水阀排出。随后蒸气再次通入储罐，重新开始下一个循环。塞维利蒸汽机的突出贡献就是不直接利用蒸汽动能而采用蒸汽相变过程进行做工，而为了连续使用这种相变过程，整个过程必须以往复循环的形式进行下去。后来的各种蒸汽机，甚至是汽车发动机都没有摆脱这一点。塞维利蒸气机主要的缺点还是过程不连续，在没有自控的年代，蒸气阀与进水阀的启闭都要靠人工完成，一个运行周期耗时非常长，蒸汽机效率极端低下。

为了解决这一个问题，另一个经典的结构诞生了，那就是活塞。实际上活塞的提出要早于塞维利蒸汽机，大概在1679年（康熙18年），法国物理学家丹尼斯-巴本首先发明了高压锅和安全阀，在同时他也提出了采用蒸气直接推动活塞的构想。可是非常遗憾的是，这种构想在当时仍然过分超前了，因为活塞与气缸间的密封对于当时的人类是一个困难的课题，因为当时的加工精度不足，活塞与气缸间的间隙非常大，活塞漏气严重。时间到了1712年，活塞的加工才稍微有了点进步，英国的一个铁匠，托马斯-纽可门发明了所谓纽可门蒸汽机。

纽可门蒸气机实验了活塞的高效运行，相对于塞维利蒸汽机纯人工操作，纽可门蒸汽机每分钟可以往返16次，效率大大提高。这种蒸汽机很快在欧洲得到了推广，但非常可惜的是，此人铁匠出身，对知识产权保护做的不好，一直没有申请专利，错过了大富大贵的机会。

时间又过了60年，我们故事的主角，瓦特登场了，据说最初是因为一所大学里的纽可们蒸汽机坏了，我们的瓦师傅就被请去搞搞维修，修着修着，瓦特突然觉得这个蒸汽机是可以改进的，从此踏上了科学研究的不归路。现在就让我们重现一下瓦特改进纽克门蒸汽机的过程。

首先，纽可门蒸汽机最大的问题在于蒸气的冷却过程，这个过程和蒸气膨胀过程竟然是在一个气缸内完成的。由于喷水冷却气缸内的蒸汽，导致气缸内温度降低，而新通入气缸内的蒸气首先要将气缸加热，而后来喷水冷却过程又要将蒸气和已经加热的气缸冷却，这样一冷一热之间就额外导致了热量的损失。于是很自然的，瓦特想到把蒸汽机分成两部分，一个是做工用的气缸，一个是用于冷却蒸气冷凝器。

是不是非常简单，于是瓦特开始动手自己攒蒸汽机，结果毫不意外的失败了，虽然想法不错，工程难度还是非常大的，机械加工精度这些都是问题。瓦特这一失败还把自己坑到半死，由于研发经费高的可怕，瓦特都快吃不上饭了。几经周折，瓦特终于找到了一个名叫罗巴克的企业家，这位对科学技术有非常高的热情，立刻开始赞助瓦特的蒸汽机研究。就这样瓦特又做了几台样机，终于稍有成功，蒸汽机的热效率终于提高了。

此时，纽可门蒸汽机的第二个缺点暴露出来了，这种蒸汽机无法作为动力机使用，因为活塞是往复运动，以来一回跑的是冤枉路，没有位移，所以这种设备只能用于提水。瓦特还想把蒸汽机改一改，当时这个时候因为研发工作耗资巨大，罗巴克也快破产了。不过他始终坚信蒸汽机是有前途的，又为瓦特介绍了企业家博尔顿。尽管有了两位前车之鉴，博尔顿还是义无反顾地支持了瓦特，结果又折腾了几年，博尔顿也快破产了，这时候已经是1781年了，16年过去了，为了搞蒸汽机，三个企业家濒临破产。瓦特认识到，必须改变活塞只能做直线往复运动，才能让蒸汽机有更广阔的应用。终于，瓦特想出了一个具有革命性的结构，那就是曲柄传动。曲柄传动的作用是将活塞的直线运动转化为了转动运动，这一个改进终于能让蒸汽机可以驱动转动机械了，比如说轮子。

随后，瓦特又对蒸汽机进行了改进，采用了双气缸联动装置，这项改进出现的时间为1782年。之前提到过纽可门蒸汽机的活塞运行频率还是太低，主要是因为活塞的退行过程仍然是需要依靠大气压驱动的。双气缸联动装置，可以让蒸气交替推动活塞的前行与退行，整个过程完全自动化，活塞的运动频率进一步提高，这是瓦特蒸汽机的第三个改进。至此瓦特的蒸汽机改进完成并受到了市场空前的欢迎，他和他的赞助商门终于咸鱼翻身走上人生巅峰。

此后瓦特还在继续着他的发明历程，1788年（乾隆年间）他又发明了离心调速器和蒸气调节阀，离心调速器可能大家有点陌生，这是一个经典的利用负反馈调节的机械装置。《三体》里云天明给程心的三个故事里，就有一把雨伞，这把雨伞的结构就类似于离心调速器，用于暗示一个不变的量——光速。

瓦特的蒸汽机研发从1765年开始，历经艰难，逐步改进，包括他自己在内的三个企业家不计成本的投入，最终获得了回报，前后坚持不懈地努力了近20年。正是这样的工匠精神推动了人类历史上的巨大进步。而蒸汽机的改进仍在继续，随着锅炉技术的发展，更加高压的蒸气出现了，同时一种更加高效的蒸汽动力设备诞生了，那就是透平。下一讲，我们将要来说说高压蒸气的制备与透平的发展过程。

来源：知乎 www.zhihu.com

作者：知乎用户（登录查看详情）

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