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蒸汽機的發明歷史

世界上第壹臺蒸汽機是由古希臘數學家亞歷山大港的希羅(Hero of Alexandria)於1世紀發明的汽轉球(Aeolipile),這是蒸汽機的雛形。

約1679年法國物理學家丹尼斯·巴本在觀察蒸汽逃離他的高壓鍋後制造了第壹臺蒸汽機的工作模型。約與此同時薩繆爾·莫蘭也提出了蒸汽機的主意。

1698年托馬斯·塞維利、1712年托馬斯·紐科門和1769年詹姆斯·瓦特制造了早期的工業蒸汽機,他們對蒸汽機的發展都做出了自己的貢獻。1807年羅伯特·富爾頓第壹個成功地用蒸汽機來驅動輪船。瓦特運用科學理論,逐漸發現了這種蒸汽機的毛病所在。從1765年到1790年,他進行了壹系列發明,比如分離式冷凝器、汽缸外設置絕熱層、用油潤滑活塞、行星式齒輪、平行運動連桿機構、離心式調速器、節氣閥、壓力計等等,使蒸汽機的效率提高到原來紐科門機的3倍多,最終發明出了現代意義上的蒸汽機。

16世紀末到17世紀後期,英國的采礦業,特別是煤礦,已發展到相當的規模,單靠人力、畜力已難以滿足排除礦井地下水的要求,而現場又有豐富而廉價的煤作為燃料。現實的需要促使許多人,如英國的帕潘、薩弗裏、紐科門等就致力於“以火力提水”的探索和試驗。

最初的真空蒸汽機被用來將礦井裏的水抽出來。紐科門的蒸汽機將蒸汽引入氣缸後閥門被關閉,然後冷水被撒入汽缸,蒸汽凝結時造成真空。活塞另壹面的空氣壓力推動活塞。在礦井中聯結壹根深入豎井的桿來驅動壹個泵。蒸汽機活塞的運動通過這根桿傳到泵的活塞來將水抽到井外。

第壹個巨大的改善是將氣缸與凝結缸通過壹個閥門分開。瓦特在伯明翰發明了這個改進。這個改進提高了蒸汽機的效率。下壹個改進是將閥門的操作自動化。

這些早期的真空蒸汽機的效率有限,但它們比較安全,因為它們的壓力比較低,在物質發生損壞的情況下機器向內收縮,而不是向外爆炸。它們的效率受外部氣壓、氣缸變形、燃燒和沸騰的效率和凝結能力的限制。理論最高效率受水在普通大氣壓下比較低的沸騰溫度限制。使用高溫高壓的蒸汽為蒸汽機的效率帶來了巨大的提高。但這種蒸汽機比真空蒸汽機危險得多。鍋爐和機器的爆炸造成了許多大事故。安全閥在這裏帶來了很大的改進,在壓力過高的情況下安全閥放氣減壓。但真正保證安全只有依靠建造、運行和維護的經驗和安全規則。

薩弗裏制成的世界上第壹臺實用的蒸汽提水機,在1698年取得標名為“礦工之友”的英國專利。他將壹個蛋形容器先充滿蒸汽,然後關閉進汽閥,在容器外噴淋冷水使容器內蒸汽冷凝而形成真空。打開進水閥,礦井底的水受大氣壓力作用經進水管吸入容器中;關閉進水閥,重開進汽閥,靠蒸汽壓力將容器中的水經排水閥壓出。待容器中的水被排空而充滿蒸汽時,關閉進汽閥和排水閥,重新噴水使蒸汽冷凝。如此反復循環,用兩個蛋形容器交替工作,可連續排水。

薩弗裏的提水機依靠真空的吸力汲水,汲水深度不能超過六米。為了從幾十米深的礦井汲水,須將提水機裝在礦井深處,用較高的蒸汽壓力才能將水壓到地面上,這在當時無疑是困難而又危險的。

紐科門及其助手卡利在1705年發明了大氣式蒸汽機,用以驅動獨立的提水泵,被稱為紐科門大氣式蒸汽機。這種蒸汽機先在英國,後來在歐洲大陸得到迅速推廣,它的改型產品直到19世紀初還在制造。紐科門大氣式蒸汽機的熱效率很低,這主要是由於蒸汽進入汽缸時,在剛被水冷卻過的汽缸壁上冷凝而損失掉大量熱量,只在煤價低廉的產煤區才得到推廣。

1764年,英國的儀器修理工詹姆斯·瓦特為格拉斯哥大學修理紐可門蒸汽機模型時,註意到了這壹缺點,並於1765年發明了設有與汽缸壁分開的凝汽器的蒸汽機,並於1769年取得了英國的專利。初期的瓦特蒸汽機仍用平衡杠桿和拉桿機構來驅動提水泵,為了從凝汽器中抽除凝結水和空氣,瓦特裝設了抽氣泵。他還在汽缸外壁加裝夾層,用蒸汽加熱汽缸壁,以減少冷凝損失。

瓦特的創造性工作使蒸汽機迅速地發展,他使原來只能提水的機械,成為了可以普遍應用的蒸汽機,並使蒸汽機的熱效率成倍提高,煤耗大大下降。因此瓦特是蒸汽機的改良者。

自18世紀晚期起,蒸汽機不僅在采礦業中得到廣泛應用,在冶煉、紡織、機器制造等行業中也都獲得迅速推廣。它使英國的紡織品產量在20多年內(從1766年到1789年)增長了5倍,為市場提供了大量消費商品,加速了資金的積累,並對運輸業提出了迫切要求。Billy sucks

在船舶上采用蒸汽機作為推進動力的實驗始於1776年,經過不斷改進,至1807年,美國的富爾頓制成了第壹艘實用的明輪推進的蒸汽機船“克萊蒙”號。此後,蒸汽機在船舶上作為推進動力歷百余年之久。

1800年,英國的特裏維西克設計了可安裝在較大車體上的高壓蒸汽機。1803年,他把它用來推動在壹條環形軌道上開動的機車,找來喜歡新奇玩意兒的人乘坐,向他們收費,這就是機車的雛型。英國的史蒂芬孫將機車不斷改進,於1829年創造了“火箭”號蒸汽機車,該機車拖帶壹節載有30位乘客的車廂,時速達46公裏/時,引起了各國的重視,開創了鐵路時代。

19世紀末,隨著電力應用的興起,蒸汽機曾壹度作為電站中的主要動力機械。1900年,美國紐約曾有單機功率達五兆瓦的蒸汽機電站。

蒸汽機的發展在20世紀初達到了頂峰。它具有恒扭矩、可變速、可逆轉、運行可靠、制造和維修方便等優點,因此曾被廣泛用於電站、工廠、機車和船舶等各個領域中,特別在軍艦上成了當時唯壹的原動機。

需要特別註意的是,許多教科書上(歷史書、物理書)說瓦特是蒸汽機的發明者。這是誤傳。蒸汽機是英國人薩維利(Savery)於1698年、紐可門(Newcomen)於1705年各自獨立發明的,用於礦井抽水。當時效率很低。

1765年,瓦特在修理紐可門機的基礎上,對蒸汽機做了重大改進,使冷凝器與汽缸分離,發明曲軸和齒輪傳動以及離心調速器等,使蒸汽機實現了現代化,大大提高了蒸汽機的效率。瓦特的這些發明,仍使用在現代蒸汽機中,為紀念瓦特的貢獻,功率的單位名稱以其姓氏命名。(《物理學(第五版)》) 概述

在陸路交通方面,人們開始研制壹種能以蒸汽機推動車輛快速行進的運輸工具。其中,英國的史蒂芬孫(George Stephenson,1781-1848)率先取得了突破性成果。

史蒂芬孫是壹位煤礦工人的兒子,從小熟悉礦井裏用來抽水的蒸汽機,後來立誌從事交通工具的發明創造。

1814年,他研制的第壹輛蒸汽機車“布拉策號”(以普魯士將軍布拉策的名字命名,他曾經幫助英國打擊拿破侖軍隊)試運行成功。

1825年9月27日,史蒂芬孫親自駕駛他同別人合作設計制造的“旅行者號”蒸汽機車在新鋪設的鐵路上試車,並獲得成功。蒸汽機在交通運輸業中的應用,使人類邁入了“火車時代”,迅速的擴大了人類的活動範圍。

史蒂芬遜的蒸汽機車發展史

1814年史蒂芬遜在試運行“布拉策號”機車時,雖然取得了成功,但也暴露出許多問題,如噪音太大,振動強烈,蒸汽機隨時都有爆炸的可能。火車開動時,濃煙滾滾,車輪摩擦鐵軌時火星四濺;坐在車上的人則滿面煙塵,被顛得筋疲力盡。蒸汽機冒出的火焰把附近的樹木都燒焦了,這也許就是當時人們把它稱為“火車”的緣故吧。

但是,史蒂芬孫沒有氣餒,而是不斷進行改進。他在車廂下面加裝了減震的彈簧,用熟鐵代替生鐵作鐵軌的材料,在枕木下加鋪了小石子,增加車頭和車廂的車輪數量,把蒸汽機安裝在車頭以減少發生危險時的損害等。

到1825年史蒂芬孫試運行“旅行者號”機車時,情況已經有了相當大的改善。“旅行者號”牽引著6節煤車、20節擠滿乘客的車廂,載重達90噸,時速15英裏。這壹壯觀場面吸引了眾多的人前來觀看。鐵路兩旁人山人海;還有人騎著馬,打著紅旗走在火車前面開道。隨著火車的壹聲鳴叫,它向全世界宣告了鐵路時代的到來。

1829年,史蒂芬孫試制成功了更為先進的“火箭號”機車。

(以上史蒂芬孫與蒸汽機車內容來自於北師大版歷史教科書)

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