蒸汽机带来的革命

机械时代

新发明对人类的影响


　　科学和技术是密切相关的，它们同处于人类认识自然和改造自然的统一 过程中。科学的主要职能在于理解和认识自然，科学是关于自然规律性的知 识体系。技术是人们为了特定的目的所应用的某种手段的总和，是各种工具、 设备和经验、工艺的体系。
　　近代以前，科学和技术的水平都比较低，科学不能直接地影响生产，而 生产也没有迫切地需要科学的成果，两者联系不紧。这时的技术直接来源于 工匠们在长期生产实践中积累起来的经验和手艺。
　　到近代以后，由于技术不断地趋向复杂、精密和综合，就由主要来源于 经验而发展为科学的自觉运用。
让我们来看看望远镜和显微镜的发明和应用。
　　在 17 世纪初，荷兰人首先发明了望远镜。望远镜由荷兰人发明出来绝不 是偶然的，因为那时在荷兰磨制玻璃和宝石技术很发达，也就有很多制作眼 镜的工人。
这一天，阳光普照，小鸟在空中唱着歌儿飞来飞去。在荷兰的密特尔堡
小镇，制镜工人利比斯赫为检查磨制出来的透镜质量，用透镜去看教堂顶上 的风向标。
当时，他带了一块凸透镜和凹透镜。当他把两块透镜离开一点排成一条
线时，惊讶地看到远处的风向标又大又近。他兴奋不已，立刻想到去制造能 看得更远更清楚的装置。
在 1608 年秋天，利比斯赫制造出这种装置，后来被称为荷兰式望远镜。
就是把一个凸透镜和一个凹透镜装在一个筒的两端，眼睛看的一端装凹透 镜。12 月，他又做出了双筒望远镜。
这个发明很快传开了。
　　意大利著名物理学家伽利略得知这一消息后，便灵机一动，去制造观测 天象的天文望远镜。
1610 年，望远镜第一次被用作科学仪器。满足人们好奇感的“荷兰望远
镜”在伽利略手中指向了月球，去窥探月球的奥秘。
　　l 月 7 日，枷利略看见了木星的 3 颗卫星，几天后，又发现了第 4 颗。 以后，他又不断地获得了月球表面的山脉、太阳黑子、金星盈亏、土星光环 等重大发现。
　　工匠们在大量实践的基础上偶然的发现，被具有良好科学素养的科学家 迅速接受了，并凭借自己在理论科学方面的优势又把这种自发的发明完善提 高。
　　此后，开普勒、夏依纳、惠更斯、牛顿、赫歇尔等天文学家，不断地制 造出折射望远镜、反射望远镜，为天文学的发展做出了巨大的贡献。
显微镜也是荷兰人发明的。 在眼镜店磨镜片的工人杨森，偶然间把镜片进行某种组合后，看见了极
其细小的物体。这是把两块凸透镜和两块四透镜各组成一对，通过凹透镜而 看到的。时间大约在 1590 年。
显微镜虽然比望远镜早发明 20 年，但没有像望远镜那样立即被天文学家

利用。当时人们认为：“要想把物体放大来观察，只要把物体靠近眼睛就可 以。为了放大观看近处的物体而特意使用显微镜是没有意义的。”
　　直到 1655 年，荷兰的列文虎克把自制的显微镜用于微生物研究，后来成 为第一个看到动物细胞、第一个发现精子细胞、第一个发现口腔细菌、第一 个看见红血球的人。列文虎克是世界上最早揭示微生物世界的科学家。
　　后来，英国的胡克用制作的显微镜，发现了软木的细胞，清楚地观察到 了蜜蜂的小针，鸟的羽毛构造等。
　　18 世纪中期，德国医学家里巴休恩制做显微镜，进行医学和生物学研 究，成为杰出的制做通过显微镜观察到的物体标本的人。
　　望远镜和显微镜向人们揭示了宇宙空间和微生物界的奥秘，但它们真正 的革命作用在于让人开拓眼界。一旦人的认识突破了往日狭隘的视野，随之 而来的便是认识上的飞跃。
我们再来看看时钟的发明。 随着人类文化的发展，在日常生活中，非常需要掌握时间。
　　早在公元前 2000 多年的古巴比伦，就发明了利用太阳影子计时的日晷。 这种日晷也叫日影棒，制作很简单，就是在板上直立起一根木棒，通过观察 棒影的长度来观察时间。
巴比伦人利用这种观察方法，把从日出到正午和从正午到太阳落山各分
为 6 等分，这就把太阳照射的白天分为 12 个小时。他们还根据棒影和板面所 形成的方位角的变化，来判别是午前还是午后。
后来，有人把日晷做成圆盘形，把一天分为 12 个时辰，刻在圆盘上。以
后再经过改进，成为比较精确的日晷仪。 日晷虽然很方便，但它有很大的缺点，就是只能在阳光普照的白天使用，
如果碰到阴天和雨天就不管用了。到了晚上更是无从谈起。另外，在屋里的
人也无法知道时间。 因此，在使用日晷的同一时期，有些地方使用特别的蜡烛、香、刻漏等
来计时。
　　那时候使用的刻漏，只是个盛水的罐或者壶，容器的底部有一个小孔， 水通过小孔一滴一滴地漏出来，根据落下来的水量就可以计算出时间。
此外，还有用砂来计时的“砂漏”，它是用砂子代替水来测定较短的时
间。如果用来测定较长的时间就需要很多砂子，砂漏还要人看管，而且做的 越精细，费用就越高，所以普通人家无法使用。因此，砂漏没有刻漏使用得 广泛。
　　中国也在公元前制造出了比较精确的日曼晷刻漏。中国的刻漏有人看 守，到规定的时间，看守人就击鼓向全城人报日寸。
　　但是，无论日晷还是刻漏，都不是理想的计时工具，于是人们进一步地 发明了机械钟。
　　机械钟大约是在 13 世纪发明成功的。这种钟架在高塔上，利用重锤下坠 的力量带动齿轮，齿轮再带动指针走动，并用“擒纵器”控制齿轮转动的速 度，从而得到比较正确的时间。
　　16 世纪时，机械钟终于胜过了刻漏，惠更斯进一步改进了用摆控制的机 械钟。
　　惠更斯是荷兰的天文学家、物理学家和数学家。1629 年 4 月出生于海牙， 法学教授的父亲希望儿子学习法律，但他对枯燥的法律条文不感兴趣。1655
　　
年获得法学博士学位后即放弃法学，致力于天文学和数学研究。
　　从 1652 年起，惠更斯开始研制自己设计的天文望远镜。1655 年，他用 望远镜进行天象观察时，发现了土星的最大一颗卫星——土卫六。这是继伽 利略发现木星的 4 颗卫星后，人们第一次知道除了地球和木星以外，其他行 星还有卫星。
　　这个发现给惠更斯极大的鼓舞，促使他进一步去观察和记录天上的星 辰。
　　天象的观测，对时间的准确性要求很高，可是那时的机械钟却不太准确。 有一次，惠更斯因为时间的误差而错过了次观察土星的机会。
“能不能制造出更准确的时钟呢？” “我一定要把它制造出来！”
惠更斯想到曾看过意大利科学家伽利略关于摆的等时性的论文： 在一根线的端部挂上重物，使重物进行小幅度摆动时，如果线的长度相
同，则振动周期就一定是相同的。由于钟摆受到空气的阻力，振幅会逐渐减 少，而周期却保持不变。
　　惠更斯想，既然物体的摆动具有等时的特性，如果能利用物体摆动的力 量来驱使机械钟里的齿轮转动，不就可以得到更准确的时间了吗？他想到这 里，兴奋异常，立即进行实验。
惠更斯对摆的摆动情况进行了仔细的比较，发现伽利略发表的摆的等时
性只在振幅小的时候适用。当振幅变大时，随着振幅的增大，周期也会变得 稍长一些。
因此，如果将摆用于机械钟，必须采用一种不受摆的周期影响的装置，
以及能使摆的摆动作用于时针的转动的装置。 惠更斯绞尽脑汁，日思夜想，失败了，就再实验。于是他的眼熬红了，
身体累瘦了，但仍然孜孜不倦地工作着。一次又一次的失败没有使他放弃努
力。
　　功夫不负有心人，惠更斯终于设计出一个钟摆机构，1656 年委托制钟 匠，成功地制造出第一座实用的摆钟。
自从惠更斯摆钟问世后，机械时钟进一步普及。有了这种新的摆钟，人
们开始形成精确的时间概念，开始建立统一的时间标准。惠更斯也因为新的 时钟的发明而名扬荷兰，传遍西欧。

揭开工业革命的序幕


　　18 世纪从英国发端的技术革命是技术发展史上的一次巨大革命，它开创 了以机器代替手工工具的时代。这场革命是以工作机的诞生开始的，以蒸汽 机作为动力机被广泛使用为标志的。
　　这一次技术革命和与之相关的社会关系的变革，被称为第一次工业革命 或者产业革命。
　　从生产技术方面来说，工业革命使工厂制代替了手工工场，用机器代替 了手工劳动；从社会关系来说，工业革命使依附于落后生产方式的自耕农阶 级消失了，工业资产阶级和工业无产阶级形成和壮大起来。
　　英国是工业革命的发源地。英国工业革命从 18 世纪 60 年代开始，到 19 世纪 40 年代基本完成。
　　
　　工业革命从英国开始不是偶然的，这是有深刻政治前提、社会经济前提 和科学技术前提的。
　　17 世纪中期的英国资产阶级革命，推翻了英国的封建专制制度，建立了 资产阶级和土地贵族联盟为基础的君主立宪制度，从而成为世界上第一个确 立资产阶级政治统治的国家。资产阶级利用国家政权加速推行发展资本主义 的政策和措施，促进了工业革命各种前提条件的迅速形成。
　　资产阶级通过大规模地对外掠夺以及在国内实行的国债制度和消费税政 策，积累了巨额财富，为工业革命提供了所必须的货币资金；大规模的圈地 运动，为工业革命提供了大量的“自由”劳动力和广阔的国内市场。
　　英国工场手工业的高度发展，培养了大批富有实践经验的熟练工人，为 机器的发明和应用创造了条件；自然科学的发展及其成就，特别是牛顿的力 学和数学，为机器的产生奠定了科学理论基础。
　　欧洲其他国家虽然也有杰出能干的工人，也有具有发明精神的人，但这 些国家缺乏发展机器工业所需要的资金、劳动力和市场，以及保证资本主义 经济发展的政治、文化等条件。
　　在 1789 年，法国爆发了大革命，废除了封建统治阶级的特权，为资本主 义工业化扫除了障碍。拿破仑当政后，十分重视科学技术的发展，为法国的 工业革命创造了条件。此后，德国、美国、日本等国也纷纷加人工业革命的 行列，到 19 世纪末，这些国家先后都完成了工业革命。

棉纺织业的革命


英国的工业革命首先发生在纺织工业部门，以棉纺织业为最早。 纺织工业中的技术发明是适应社会经济发展的需要而产生的，它以相当
的经济力量为后盾，才能产生和推广应用。纺织机器的发明人大多是有丰富
经验、掌握传统技能的工匠，他们为技术革命做出了重要贡献。 纺锤的发明是从亚洲开始的。而棉纺从印度开始，丝纺从中国开始，毛
纺首先从欧洲开始。但在开始的时候，都没有使用所谓的工具。
　　手摇纺纱的纺车，是印度发明的，先传入中国和日本，在 14 世纪传到欧 洲。
在手摇纺车的基础上，德国的于尔根于 16 世纪中期发明了脚踏纺车。即
是给轮轴装上曲柄，并与脚踏板相连接，用脚踏动踏板，使纺车转动，纺车 带动纺锤旋转，空出来的双手就可以自由工作，于是两个纺锤同时可以纺出 两条纱。
　　织布机是很简陋的。织工们把纱线紧紧地系在木架上作经线，然后再把 纬线缠在小木梭上，用手来回在经线之间穿梭织布。
　　1733 年，当过纺织工场机械工人的约翰·凯伊发明了“飞梭”。旧式的 织机生产效率低，工人操作时累得手酸背疼。凯伊对旧式织机进行根本性的 改进，把经线之间的手工穿梭改成机械穿梭。由于穿梭的速度比原来大大加 快，故名“飞梭”。
　　飞梭简化了织工的劳动，增加了织布的速度，为实现织布机械化迈出了 重要一步。
　　由于飞梭提高了织布的效率，往往 1 个织工需要的棉纱，要由 10 个纺纱 工供应，甚至更多，从而导致缺纱现象日益严重，打破了纺纱与织布之间的
　　
基本平衡，客观上迫切要求纺纱技术提高。
　　1765 年，织工哈格里夫斯发明了多轴纺纱机，他以妻子的名字命名为“珍 妮纺纱机”。
　　哈格里斯是一个夏季当木工、冬季当织工的工匠，平日里和妻子感情甚 好，每当看到妻子累得手酸背疼时，就想发明一个高效率的纺车，使妻子轻 松一点。
　　在 1764 年的一天，珍妮和往日一样在纺纱，哈格里夫斯不小心把纺车碰 翻了。突然，他发现竖起来的纱锭和车轮仍在转动，而纱好像在自动形成。
“珍妮，你看。” “看什么？”
“纱锭由横轴位置变为立轴位置，并且仍然在转。” “刚刚倒，当然转了。” “我是说，几个纱锭并立在一起，不是仍可以用一个轮子来带转吗？” “我不知道。”
　　哈格里夫斯由此得到启发，经过反复研制，终于在 1765 年设计并制造出 一架同时可纺 8 个纱锭的纺纱机。
珍妮纺纱机一发明，就在纺纱行业中迅速推广开来。 哈格里夫斯又把纱锭增加到 16 个，最终又增加到 80 个。 哈格里夫斯发明了新的纺纱机，却遭到了意外的攻击。职工们控告他剥
夺了他们的生计，说：“如果这种机械多了，我们就都得失业。”他们还愤
怒地冲到哈格里夫斯的家里，捣毁机器，进行报复。 尽管如此，珍妮纺纱机还是不断地生产和应用。 但是，从技术上看，珍妮纺纱机还是不够完美的。它纺出的纱细而不结
实，只能用作纬纱，纺纱短缺的问题还是解决不了。另外，珍妮纺纱机以人
力为动力，从工艺原理看，它的纱锭可以继续增加，但是作为原动力的人力 是有限的，因此，纱锭的增加受到了限制。
随着珍妮纺纱机的不断改进，锭数的不断增加，迫切需要寻求新的动力。
　　1769 年，钟表匠阿克莱特发明了“水力纺纱机”。它以水车作为动力来 转动纺纱机，效果良好，纺出的纱更粗更牢固，转速也快。
水力纺纱机比珍妮纺纱机前进了一步，因此，在英国的一些河流两岸，
迅速建成一批采用水力纺纱的工厂。 水力纺纱机纺出的纱虽结实，但太粗，仍需进一步革新。
1779 年，工人克隆普顿综合珍妮纺纱机和水力纺纱机的优点，发明了“螺
机”。这种纺纱机纺出的纱既细又结实。螺机以水力为动力，最初的螺机有
40 个纱锭，后来发展到 900 个，又增加到 2000 个纱锭。 由于纺纱机的普遍运用，纱量大增，除了满足织工需要外，还有剩余，
这样纺纱和织布之间的平衡又被打破了。 织机的革命推动过纺机的革命。现在，纺机的革命又反过来推动织机的
革命。
　　1785 年，乡村牧师卡特赖特发明了水力织布机，提高工效 40 倍。这位 牧师也脱下黑袍，开办一家织布厂。
　　无论是螺机还是水力织布机都受到自然力的限制，因为人力是有限的， 水力受到地理条件的限制。
　　
动力革命


　　在纺织机革命的带动下，造纸、榨油、印刷等行业的工作机革命也发展 起来。所有的工作机革命最后都遇到了动力的困难。因此，以工作机革命为 开端的第一次工业革命，必然向动力机的革命迈进。
　　动力、能源在社会生产中的作用极为重大。人们最初只能用自己的双手， 后来用风力、水力、畜力等自然力代替人力，当然是一种进步。
　　风力本身不需要成本，但不稳定，难以控制，不能广泛应用。水力易于 驾驭。但受地区和季节的限制，不能随意相加，有时甚至枯竭。马主要用于 交通运输以及矿井排水，但太昂贵，又麻烦。
　　在近代动力技术科学中，纽可门蒸汽机的诞生，展露了近代动力技术科 学的曙光。它直接来源于采煤业和采矿业的推动。
　　早在公元 1 世纪左右，古希腊的发明家希罗曾运用蒸汽的力量，发明过 一种玩具蒸汽机械。这种蒸汽机利用管口喷出蒸汽的反冲力，使带有喷气管 的臂能在一个轴上旋转。
　　1601 年，意大利物理学家包尔塔设计和研制过一种利用蒸汽提水的机 器。这是利用蒸汽对水面的压力和蒸汽冷凝产生的真空，把水从低水位通过 管子吸引上来。
1643 年，意大利物理学家托里拆利经过专门的实验研究，证明了大气压
力的存在。1654 年，德国的格里凯进行了著名的“马德堡半球实验”，这是 把两个半空心球合在一起抽掉空气后形成一个真空球，然后用 I6 匹马拉这个 球，结果无论怎样用力也拉不开，显示了大气压的巨大威力。
第一部活塞式蒸汽机是 1690 年由法国人巴本发明的。
　　巴本生于巴黎南部的布鲁斯，早年学习医学，曾作为惠更斯的助手进行 大气压力和真空作用实验，他们还共同为路易十四的花园成功地设计了一种 新型水泵。
1674 年，巴本应玻义耳之邀来到英国，并担任玻义耳的助手，即致力于
蒸汽泵的实验设计。 巴本从炼铁场广泛用的那种活塞式风箱中得到启发，发明了一个带活塞
的汽缸，汽缸里的活塞就像风箱里的活塞。
　　在实验的时候，将汽缸注入一定的水，放到火上加热，当水沸腾后，蒸 汽即推动活塞慢慢上升。然后，撤去火源，汽缸内的蒸汽即慢慢冷凝，汽缸 内便产生真空，在大气压力的推动下，活塞慢慢下降。
　　巴本从这个实验中认识到，由于蒸汽压力、大气压力和真空压力的相互 作用，完全能推动活塞及其活塞杆，作往返的直线运动，这种运动产生的机 械动力可以带动其他机械的运动。
为厂保证汽缸的安全，1680 年，巴本又发明了安全阀。 巴本第一次将汽缸、活塞机构、蒸汽冷凝形成真空原理，运用于蒸汽机，
实现用蒸汽作为动力的理想，为以后活塞式蒸汽机的发展开辟了道路。
　　在 I7 世纪末 18 世纪初，随着矿产品需求量的增大，矿井越挖越深，许 多矿井都遇到了严重的积水问题。为了解决矿井的排水问题，当时一般靠马 力转动辘轳来排除积水，但一个煤矿需要养几百匹马，这就使排水费用很高 而使煤矿开采失去意义。
发明家们对排水问题思考着解决的办法。英国的塞维里最早发明了蒸汽

泵排水。 塞维里是一位对力学和数学很感兴趣的军事机械工程师，又当过船长，
具有丰富的机械技术知识。1698 年，他发明了把动力装置和排水装置结合在 一起的蒸汽泵。塞维里称之为“蒸汽机”。
　　塞维里蒸汽泵的工作原理，是利用密闭容器内蒸汽凝结形成的真空，用 大气压力把低水位的水，通过吸人管压人容器，然后再用蒸汽将容器中的水 压向高处排出。
　　这是一种没有活塞的蒸汽机，虽然燃料消耗很大，也不太经济，但它是 人类历史上第一台实际应用的蒸汽机。这样，蒸汽动力技术基本完成了从实 验科学到应用技术的转变。
1705 年，英国的纽可门设计制成了一种更为实用的蒸汽机。 纽可门生于英国达特马斯的一个工匠家庭，年青时在一家工厂当铁工。
从 1680 年起，他和工匠考利合伙做采矿工具的生意，由于经常出人矿山，非 常熟悉矿井的排水难题，同时发现塞维里蒸汽泵在技术上还很不完善，便决 心对蒸汽机进行革新。
　　为了研制更好的蒸汽机，纽可门曾向塞维里本人请教，并专程前往伦敦， 拜访著名物理学家胡克，获得厂一些必要的科学实验和科学理论知识。
纽可门认为，塞维里蒸汽泵有两大缺点，一是热效率低，原因是由于蒸
汽冷凝是通过向汽缸内注人冷水实现的，从而消耗了大量的热；二是不能称 为动力机，基本上还是一个水泵，原因在于汽缸里没有活塞，无法将火力转 变为机械力，从而不可能成为带动其他工作机的动力机。
对此，纽可门进行了改进。
　　针对热效率问题，纽可门没有把水直接在汽缸中加热汽化，而是把汽缸 和锅炉分开，使蒸汽在锅炉中生成后，由管道送人汽缸。这样，一方面由于 锅炉的容积大于汽缸容积，可以输送更多的蒸汽，提高功率；另一方面由于 锅炉和汽缸分开，发动机部分的制造就比较容易。
针对火力的转换，纽可门吸收了巴本蒸汽泵的优点，引人了活塞装置，
使蒸汽压力、大气压力和真空在相互作用下推动活塞作往复式的机械运动。 这种机械运动传递出去，蒸汽泵就能成为蒸汽机。
纽可门通过不断地探索，综合了前人的技术成就，吸收了塞维里蒸汽泵
快速冷凝的优点，吸收了巴本蒸汽泵中活塞装置的长处，设计制成了气压式 蒸汽机。
纽可门蒸汽机，实现了用蒸汽推动活塞做一上一下的直线运动，每分钟
往返 16 次，每往返一次可将 45.5 升水提高到 46.6 米。该机即被用于矿井的 排水。
　　但是在实际操作过程中，感到很不方便的是，向汽缸内喷冷汽和蒸汽阀 门的开关必须由人手操作。后来，由贝顿对龙头和阀门的结构提出改进意见， 把龙头手柄与阀门开关用绳索连接起来，基本上实现了对龙头和阀门的自动 控制。
　　从 1712 年起，英国大部分煤矿和金属矿都安装了纽可门蒸汽机，特别是 深矿井。蒸汽机的使用给英国的煤矿主带来了丰厚的利润，使深层煤矿得到 进一步开采。英国北部有些煤矿较深而被积水淹没，濒临绝境，采用纽可门 蒸汽机后，改变了这种局面，矿井很快恢复了生产。
但是，纽可门的蒸汽机也有很大缺陷，就是蒸汽损耗严重，热效率依旧

不高。因此耗费的煤炭量很大，除了用在燃料价格便宜的煤矿收益较大外， 很难成为各种工业通用的动力机。
　　即使在煤矿使用，开动这种蒸汽机每天要用 50 匹马来运送所需的煤 炭，这些马匹食用的饲料开销也很大，结果从矿山上赚来的钱也被马吃掉了 不少的一部分。
　　为了解决十分紧迫的工业动力问题，发明家和生产者都在不断地探索。 机修工瓦特是其中成就卓著的伟大发明家。
　　1736 年詹姆士·瓦特生于英国造船业中心格拉斯哥附近的格林诺克，父 亲是一个熟练的造船装配工人，祖父和叔父是机械工人。由于家庭环境的影 响，少年的瓦特就熟悉了一些机械方面的知识。由于家庭贫穷，瓦特身体也 不好，在受完初等教育后就辍学了。1754 年，瓦特的父亲经商失败而破产， 瓦特就走上社会，先在格拉斯哥当机械工学徒，不久到伦敦当学徒。由于他 勤奋学习，又有一定的基础，在努力实践的基础上，还没出师就能制造难度 较大的航海仪器、经纬仪等仪器。
但是，艰苦的学徒生活，繁重的体力劳动，使瓦特劳累过度，在 1756
年 8 月病倒了，不得不回家休养。为了生计，瓦特病还没有好就去格拉斯哥， 想经营仪器制造和修理，由于当地行会限制未果。
1757 年，瓦特经人介绍，到格拉斯哥大学修理教学仪器。瓦特由此结识
了该校的一些教师和学生，如布莱克教授和大学生鲁宾逊，并成为亲密的朋 友。瓦特修理仪器时，正好实验室里有一架巴本的蒸汽泵，他就用这架蒸汽 泵进行一些蒸汽动力实验，和该校的一位物理学教授一起进行蒸汽技术的实 验研究，并探讨如何改进蒸汽机的问题。
1763 年，格拉斯哥有一台纽可门蒸汽机坏了，大学请伦敦一位仪表工来
修理，但没有修好。第二年，瓦特接受了这一工作。 瓦特在修理纽可门蒸汽机时，对这种当时最先进的蒸汽机进行了深人的
研究。这台蒸汽机的主要缺点是耗煤量太多，热效率低，那么燃煤的热量跑
到哪里去了呢？ 通过对这台纽可门蒸汽机的机械结构和工作原理的解剖分析，他发现，
当蒸汽进人汽缸后，温度即上升到 100℃，为了得到真空，又要立即向汽缸
喷人冷水而冷凝，汽缸内的温度下降到 20℃左右。就这样一升一降，活塞才 能完成一个冲程的往返动作。
热量消耗太多的原因就在这每一冲程中，既要向汽缸喷人冷水使之变
凉，又要向汽缸内输送蒸汽使之变热，这样，大部分热量就用来加热汽缸了。 瓦特请人经过精确的计算，结果是 75%的蒸汽用来加热汽缸，只有 25%的蒸汽 用来作功。
　　同时，蒸汽经冷凝后温度仍然较高，真空度不好，也影响了蒸汽机的效 能。
　　抓住了问题的症结，就要寻求解决的办法。瓦特认为：“为了更有效地 利用蒸汽，以下两点都是必须的：第一，汽缸要始终保持蒸汽进人时的温度； 第二，当冷水喷人汽缸，蒸汽被冷凝时，汽缸又被冷却到 100℃以下。
　　为了使以上两个相互矛盾的要求都能实现，就不能直接采用纽可门机原 来的方法。改进的方案直到 1765 年才由瓦特设想出来，将汽缸和另一个冷凝 蒸汽的容器用连接件接通，缸内的蒸汽就像有弹性的液体一样，将会直接而 迅速地流入空的容器，如果用喷水或其他方法使容器保持低温，那么蒸汽就
　　
会继续进入容器直到全部凝结成水。 瓦特立即着手实验，并收到预期的效果。他把将蒸汽引入另外的冷凝蒸
汽的容器叫做冷凝器。 此后，瓦特在蒸汽机结构中做了改进，即封堵敞开式汽缸的端部，留下
通过活塞的缸孔，用蒸汽压力代替大气压力推下活塞。这样在接近地面处的 大气压力为一个大气压，利用蒸汽后，就可提升到任意个大气压，所以输出 的力比纽可门蒸汽机大得多。
　　瓦特的这些技术设想和发明，包含在他的 1769 年专利说明书中。这是瓦 特关于蒸汽机的第一项专利。
　　巧妙的设想为瓦特打开了通向成功的大门。但是要把设想变为现实并不 是轻而易举的，可能会遇到难以想象的困难。
　　那时，英国的工业界很少有人能够按照比较复杂的图纸，准确无误地加 工各种机器零件。要制造出瓦特设计的蒸汽机，需要有昂贵的金属材料。先 进的机构加工设备、熟练的机械加工和装配工人，才能制造出高精度的汽缸、 活塞和其他零配件。
　　这些条件瓦特都不具备。他有的只是 35 镑的年薪，为了试制一名试验用 的冷凝器，他已经变卖了所有值钱的东西而一贫如洗了。但瓦特并没有因失 败和贫穷而消沉，仍然在孜孜不倦地奋斗着。
当布莱克教授得知瓦特的处境时，将他推荐给工厂主罗巴克，双方签订
了合同：罗巴克向瓦特提供研制费用，获得瓦特的专利和 2/3 生产利润。这 一合同开辟了科学研究和工业生产相结合的道路。
通过努力，瓦特在 1769 年制造出第一台装有分离冷凝器的蒸汽机，比纽
可门的蒸汽机在热效率上提高了 2/3，但在性能上还无法作为真正的动力 机，没有引起社会的关注。
1772 年，英国经济萧条，不少企业倒闭，罗巴克也破产。瓦特又孤立无
援，颇感失望，但他看到已经克服了纽可门蒸汽机热效率低的缺点，现在所 要解决的是把蒸汽机怎样变为普遍的动力机。
“成功的路已走了一半，难道前功尽弃吗？”
“绝对不能！” 瓦特的伟大就在于他不断地克服困难，促使理想走向现实。
1774 年，罗巴克把瓦特介绍给自己的企业家朋友博尔顿，从而使瓦特的
研制工作能够继续进行。
　　1775 年，著名机械工程师威尔金森发明了能精密加工炮筒的镗床。用这 一技术对汽缸内壁进行精加工，使之与活塞严密配合以减少漏气，大大提高 了蒸汽机的功率。
　　1781 年，瓦特研制出了被称为“太阳和行星”的齿轮联动装置，终于把 活塞的往返直线运动转变为轮轴的旋转运动。旋转的轮轴可以通过齿轮或链 条带动任何工作机，实现了革新纽可门蒸汽机的第二次飞跃。年底，瓦特获 得了第二个专利。
　　1782 年，瓦特试制出带有双向装置的新汽缸。以前制造的蒸汽机都是单 汽缸，蒸汽从一面推动活塞，还是有些浪费。双向汽缸是蒸汽从两面交替地 推动活塞，功率比原来提高了 1 倍。
瓦特还首次把蒸汽缸的蒸汽由低压蒸汽改为高压蒸汽。 双向高压蒸汽机发明后，纽可门蒸汽机完全成为瓦特蒸汽机，瓦特获得

了第三个专利，从而实现了他在革新纽可门蒸汽机中的第三次飞跃。从此， 瓦特蒸汽机成为一切工作机的动力机。
　　1784 年，瓦特以他对纽可门蒸汽机革新的全部成果综合组装的蒸汽机， 获得第四个专利。在这个专利说明书中，瓦特详尽地说明了这种新式蒸汽机 的种种性能和优点，并把它说成是一种万能的动力机。
　　瓦特从 1757 年到格拉斯哥大学修理教学仪器而接触蒸汽机开始，到1784 年完成了他各种革新成果的综合组装为止，经历了 20 多年的漫长历程。在这 段时间里，虽然有无数的挫折和失败，但他那种不屈不挠的精神，不达目的 誓不罢休的毅力，终于实现了对纽可门蒸汽机的彻底革命。
　　瓦特蒸汽机发明后，对工业革命的发展起了巨大的推动作用。蒸汽机作 为一种不可抗拒的力量，迅速广泛地进人煤矿、铁矿、纺织、冶金、机械等 行业，在全世界范围内掀起了一场工业大革命，推动了社会生产力的惊人发 展。
　　从科学技术上看，瓦特蒸汽机的发明，表明科学理论对技术发展的促进 作用，第一次把热能转变为机械能；同时技术进步也推动了科学的发展。
　　蒸汽机的使用引起人们对热现象的广泛兴趣，推动了热学、热力学和能 量转化方面的基础理论的研究。

航运业的革命


　　瓦特蒸汽机的发展，使各行各业出现了一个前所未有的发展时期，原材 料、产品和机器的运输以及人员的频繁往来，使交通运输问题越来越突出， 海上的帆船和陆上的马车已经远远不能适应运输的需要，船与车的革命迫在 眉睫。
船，是渡河、过江、越海、跨洋的重要工具。
人类发明的最古老的船是木筏。 把水上浮的树木捆起来，抓着它们游泳或坐在上面，这就是船的起源。
后来随着捆在一起的树木的增多，对捆绑的方法加以改进，就成了木筏。
木筏之后是独木舟，就是把原木凿空，人坐在上面，这是最简单的船。 由于独木舟是用一根原木做成，因此它的容量有限。后来出现把两只独
木舟并列起来并用横木连接的船。这就是中国占代使用的舫。
船的方向是用桨来控制的，但要是大船就很困难，于是船上有了舵。 此外，很早就发明广利用风力的帆船。 中国是造船史非常悠久的国家。在商朝，中国人就“刳木为舟，剡木为
楫”。特别是在 15 世纪初年，明朝的郑和率领庞大的船队七下“西洋”，先 后到达中东、北非、东非等地。
　　郑和船队中最人的船，长是 44.4 丈，宽 18 丈，舵杆长 3.3 丈，张 12 帆，载重量 800 吨。其“体势巍然，巨无与敌，篷帆锚舵，非二、三百人莫 能举动”。中国的航海事业居世界前列。
　　西方的舟船也历史久远，尤其是在中世纪，由于中国用于辨别航海方向 的罗盘针的传人，曾进行过新航路开辟中的 4 次远航，即葡萄牙人迪亚士于
1487 年远航南非，到达非洲的最南端；意大利人哥伦布于 1492 年航行到美 洲；葡萄牙人达·枷马于 1498 年绕过非洲航行到印度；葡萄牙人麦哲伦于
1519 年进行环球航行。

　　但是，航行的动力依然是人力和风力，即桨和帆，近代运河的船只也用 两岸骡马的畜力拉拽。也是原始的。
　　近代工业革命为船舶革命提供了条件。蒸汽机的发明及完善为之提供了 动力，冶金业为之准备了材料.机械制造业提供了加工手段。另外工业革命还 积累了资金。
　　1807 年，美国人富尔顿建造的“克莱蒙特”号轮船，在哈得逊河上逆流 而上，取得了轮船航行的首次成功。
但是，富尔顿并非轮船的发明人。 最早发明汽船的人是美国工程师菲奇。在 1787 年，把一台瓦特蒸汽机安
装到船上，进行试航，获得成功。1790 年，他又制造一艘大型汽船，开辟了 费城到巴尔的摩的定期航线。
　　菲奇没有申请发明专利，也没有公布他的发明，后来从事海上的投机买 卖，最后破产，在贫病交加中默默无闻地自杀而亡。
　　1788 年，英国的赛明顿制造在两侧装有桨轮的轮船，航行成功。1803 年，他制成一艘拖船在克莱德运河上航行。由于这台大马力的拖船将使在河 岸用缆绳拉船的拖船业者失业，而遭到他们的拼命反对，并把拖船强行拖上 岸，伟大的发明就这样被扼杀了。赛明顿在失望中逝世。
由于菲奇、赛明顿在造船史上没有建树，通常人们认为富尔顿是轮船的
第一个发明家，并被誉为“轮船之父”。
　　罗伯特·富尔顿于 1765 年生于美国宾夕法尼亚州的兰开斯特，16 岁时， 在费城学习绘画，曾为富兰克林画像而知名，又在富兰克林的资助下去英国 学画。
在英国期间，富尔顿对机械产生了浓厚的兴趣，并立志当个发明家。他
研究了赛明顿的拖船，会见了发明蒸汽机的瓦特。
　　1797 年，富尔顿去法国巴黎定居，先后发明了鱼雷和潜水艇。他来巴黎 是想把武器卖给拿破仑，但是拿破仑并不感兴趣，根本不相信富尔顿。
在法国，富尔顿结识了美国驻法公使，并在他家里看到了菲奇的轮船设
计图。于是，富尔顿决心自己制造轮船。
　　富尔顿说干就干，几经努力，在 1803 年建造了第一艘轮船，在巴黎的塞 纳河试航。
这是一艘以瓦特蒸汽机为动力，以桨轮为推进方式的汽船，长 70 英尺，
宽 8 英尺。
试航定于 8 月 10 日。 这一天，富尔顿满怀信心地走上汽船。这艘船机械全部安装完毕，等待
启航。 船启动了。
　　虽然这艘船逆水行驶时，速度已如快步前进的行人，但由于蒸汽机刚被 引上船，它的推进系统还不够完善，航速和稳定性方面都不够理想。
　　由于富尔顿的汽船研制工作没有得到法国政府的重视，第一艘轮船的试 船没有取得应有的成功，又因试制这艘船而濒于破产，他只得返回美国。
　　回国后，富尔顿得到美国的农场主、发明家利文斯顿的帮助，才有资金、 人力、材料去继续研究他的汽船。
　　富尔顿对前人所造的轮船和自己在巴黎造的轮船进行认真的研究，感到 有许多技术问题要解决，如船的吨位和动力大小的比例问题，船身长和宽的
　　
比例问题，桨轮大小问题等等，要正确解决这些问题，必须进行进一步的实 验。
　　多年来，富尔顿历尽艰辛，经过许多次波折，为了解决一个问题往往要 经过许多次失败。但他具有百折不挠的决心，不达目的誓不罢休。
在第二艘汽船的研制中，富尔顿在造船技术上进行了两个大革新。 第一是把明轮桨改为螺旋桨。富尔顿在第一艘汽船上用的是明轮桨推进
系统，它影响了汽船的速度、稳定性和耐波性。回到美国后，他听说有人发 明了螺旋桨船，富尔顿研究了它的技术资料后，认为螺旋桨有更大的优越性。 第二是大胆地采用铁板作为造船材料。人们总是认为浮力原理不适合金
属，因此造船只能用木质材料，要想用铁造船，那只能在梦中实现。
　　然而在 1787 年，威金逊首先用铁板造了一艘船，它安全地浮在水面 上，并没有沉没。从而把铁也能造船的梦想变为现实。
　　1806 年，富尔顿在组约附近的哈得逊河上正式开始建造他的第二艘汽 船。
　　富尔顿和工人们日夜兼程地建造新船。为了得到性能优良、马力强劲的 蒸汽机，富尔顿亲自跑到英国向瓦特求援。
　　当别人看到富尔顿用铁板造船时，流言四起，说富尔顿是个怪人，他的 船是用铜辨士熔造的。坚定的富尔顿岂能被谣言动摇决心，面对人们的造谣 诬蔑和攻击毁谤，只能一如既往，不断努力，继续前进。
通过一年多的紧张施工，一艘被命名为“克来蒙特”号的汽船终于建成。
船长 150 英尺，宽 13 英尺。好奇的人们从船旁经过，望着这艘怪船，都说这 是“富尔顿的蠢物”，因为他们没有看见这样的怪船：长长的船身，上面立 着一个大烟囱，却不见桅、帆之类的东西。
对于别人的讥笑，富尔顿并不在意，一笑置之。
1807 年 8 月 17 日，“克莱蒙特”号在哈得逊河上作历史性的航行。 试航的时间到了，富尔顿胸有成竹地看着船体滑人水中，工人点燃锅炉，
蒸汽机轰鸣起来，随着一声汽笛，船前进了。
“动了，动了！” “富尔顿真了不起！”
河岸围观的人也非常兴奋，跟着船跑起来。
　　“克莱蒙特”号在行进中相当稳定，而且速度也比较快，从纽约沿哈得 逊河逆流而上，到达上游的阿尔巴尼城，共 150 英里，只用 32 小时。
试航获得成功，富尔顿胜利了。从此，“克莱蒙特”号成为哈得逊河的
定期航轮。 “克莱蒙特”号的成功，是富尔顿认真研究、反复试验、不屈不挠、艰
苦探索的结果。在造船和修船期间，富尔顿每天早晨 5 时就到工地，整天在 那里工作，和木工、油工、水手们在一起。
　　“克莱蒙特”号一开始并不是完善的，锅炉和阀门经常漏气，经过多次 改进才消除这些缺陷。他为了改进船工的条件，也增加了一些设备，才不断 地使航速由 4 英里到 5 英里，又提高到 6 英里。
　　富尔顿的“克莱蒙特”号是近代造船史上第一艘真正的汽船。它以铁为 新型造船材料，以蒸汽机为新的动力系统，以螺旋桨为新的推进系统，开创 了造船史的新纪元。
“克莱蒙特”号标志了帆船时代的结束，汽船时代的开始。

1808 年，富尔顿又建造了两艘轮船。在以后的几年里，富尔顿又建造了
13 艘轮船，在世界船舶发展史上写下了光辉的一页。 自从富尔顿的“克莱蒙特”号试航成功以后，汽船制造业即在美国和欧
洲许多国家发展起来。到 20 世纪初，汽船成为许多国家的内河航运和海洋运 输的主要交通工具。
　　1815 年 2 月 23 日，富尔顿逝世。但当人们乘船邀游蔚蓝色的大海时， 一定不会忘记这位百折不回的富尔顿。

陆上交通的新纪元


　　瓦特蒸汽机引起水域交通工具的革命，同时也促使陆上交通工具的革 命，英国人斯蒂芬逊的蒸汽机车驶进了近代科学技术史的舞台。
蒸汽机车，就是我们所熟悉的火车。一个火车头拉着一条长龙似的车厢， 飞快地在轨道上奔驰。它越过平原，穿过峻岭，飞渡桥梁，穿越隧道。 然而，这力大无比的火车头是谁发明的？又是怎么制造出来的？
　　车的历史和船同样久远，早期的车以人力和畜力为主要动力。马车是人 类文明史上数千年来主要的陆上交通工具，是近代火车的直接先驱。
18 世纪中期开始进行蒸汽机的研究，这时就有人想用蒸汽机来牵引车，
但不是在轨道上行驶的蒸汽机车，而是公路上行驶的蒸汽汽车。 在蒸汽机刚发明时，主要用于矿井下抽水泵的动力，后来有人想用于矿
车的牵引，以便把大量煤炭快速地运到远处。
　　那时，由于采矿业的发展，矿产品的运输是一个突出的问题，运输工具 仍然是马车。在使用马车的过程中，人们逐渐发现，马车在有轨道的路上行 驶时，拖拉的重量比在普通路面上高 3 倍。于是就铺设了木轨道，因为当时 的冶金业不发达。
木轨道的发明和应用，是运输业的一大进步，也为蒸汽机车的发明打下
了基础。
　　随着冶金业的发展，在 1738 年英国的一家矿山出现了第一条“铁轨”， 当然它只是包有铁皮的木轨，运行的仍然是马车。
1759 年，英国物理学家罗比森提出了用蒸汽车在铁轨上拉动车子的最初
设想，第一次把蒸汽机和铁轨联系起来。但是，许多人担心，具有铁轮的机 车又笨又重，在光滑的铁轨上行驶，只会打滑空转，根本无法前进。
于是，1769 年法国的居纽制造出蒸汽汽车，1783 年，英国的默多克制成
的也是蒸汽汽车。
　　1802 年，英国的特列维希克制造出了第一台真正的铁路上行驶的蒸汽机 车。这辆机车可以牵引 5 辆货车，载重 10 吨和 70 名乘客，时速 8 公里，性 能优异。
　　遗憾的是，用铸铁制造的铁轨非常脆，运行几次后就损坏了，机车再也 无法行驶。这样，尽管特列维希克的机车是一次巨大的成功，却没有能够得 到应用。同时，由于他缺乏继续研究的毅力，而逐渐被人们遗忘。
　　英国的斯蒂芬逊也热心研究蒸汽机车，终于发明了第一台真正可供实用 的蒸汽机车。
　　乔治·斯蒂芬逊，1781 年 6 月 8 日生于英国一个穷苦的矿工家庭，8 岁 时就去给人家放羊，16 岁时随父亲去煤矿做工，当上了一个给蒸汽机烧锅炉
　　
的工人的助手。由于天天和蒸汽机打交道，而热爱上机械，对蒸汽机的构造 和性能逐渐熟悉了。
　　要掌握技术，通晓理论，没有文化是非常困难的。他头脑里总是在想， 水蒸汽为什么能使机器转动？转动的机器为什么能代替人进行工作？这些原 理书上有，可是没有文化的斯蒂芬逊看不懂。于是他下决心努力学习文化。 矿上有一所夜校，专门招收 7 至 8 岁的儿童。这一天，一位大约 18 岁
的小伙子来到夜校，和比他矮半截的小同学一起上课，他就是斯蒂芬逊。 从这一天开始，斯蒂芬逊白天做工，下班后还帮别人修理钟表，晚上拖
着疲惫的身体去夜校读书。凭着坚韧的毅力，他从夜校毕业了。 有了知识，就可以阅读各种科技书籍，研究蒸汽机和其他机械，斯蒂芬
逊的理论和技术突飞猛进。
　　1809 年的一天，矿上的一辆运煤车坏了，许多技师查了很长时间，都找 不到原因。
“让我来试试。”斯蒂芬逊自告奋勇。 “你也行？”一个骄傲的技师鄙视地看着眼前这个不起眼的锅炉工。 “真不知天高地厚！”另一位技师也讥笑着附和。 “我会修好的！”斯蒂芬逊是那样的自信。 他从容不迫地把车子拆开，一件件检查、修正，然后重新安装好，运煤
车又欢快地开动了。
斯蒂芬逊由于修好了技师们修不好的运煤车，而被任命为工程师，年仅
28 岁。
　　1812 年，斯蒂芬逊在伦敦工业展览会上看到了特列维希克的蒸汽机车模 型，从而产生了极大的兴趣.投入到蒸汽机车的研制中。斯蒂芬逊对当时火车 制造和行驶中存在的问题，进行了认真的研究，总结前人的经验教训，加上 他具有蒸汽机及一般机器的基础知识，和不懈的奋斗精神，经过两年多的研 究试制，终于在 1814 年制成了他的第一台蒸汽机车，名字叫“布鲁茨赫尔” 号。
这台机车在坡道上行驶，载煤 30 吨，时速 7 公里。当然这台机车本身很
不完善，它的外型比较难看，构造简单，由于没有安装弹簧，行驶时颠簸剧 烈，甚至把铁轨都颠坏了。
于是有一些人对这一新生事物大肆指责。有人说隆隆的机车声破坏了世
界的安宁，铁路两旁的牛羊受惊不敢吃草，鸡鸭受惊而不能下蛋。有人说车 头冒火把附近的树烧焦了。有人说，锅炉会爆炸，车厢会颠覆，乘客将会遇 难。
斯蒂芬逊不怕讥笑与责难，克服困难，继续研究。
从 1814 年到 1825 年，斯蒂芬逊先后制造了 19 台机车，信心大增。 这期间，他对机车和轨道进行了重要的技术革新。首先是把蒸汽机的出
汽管道用小管引人烟囱，一方面减小了噪音；另一方面加快了出烟速度，使 煤燃烧更充分，提高了热效率，提高了机车的载重量和速度。
　　其次，在机车上增加了弹簧和其他部件，减轻了震动，提高了稳定性。 第三是改革铁路轨道。原来的轨道是在优质木轨外包上铁皮，而斯蒂芬 逊第一次用铁铸成的铁轨，并在枕木下铺了石子，从而加强了铁轨的抗震能
力。
1823 年，英国建造从斯托敦到达林顿之间的商业铁路，斯蒂芬逊出任总

工程师。
　　1825 年 9 月 27 日，斯蒂芬逊亲自驾驶自己设计制造的“旅行号”蒸汽 机车在这条铁路上试车。
　　有人这样描写试车的盛况：“今天早晨发生的情景是难以描述的，人人 精神振奋，心情愉快.有些人喜形于色，另一些人惊讶不已，使得这个场面丰 富多采。机车在预定的时刻开动了。??铁路两旁人山人海，许多人跟着火 车跑；另外一些人骑马沿路旁跟随火车。”
　　“旅行号”机车牵弓 132 节车厢，载有 90 吨货物，并带有 450 名乘客， 时速 20 公里。
这次试车成功了！从此，开辟了陆上运输的新纪元。
　　1826 年，英国决定在两大城市曼彻斯特和利物浦之间修建一条铁路，由 斯蒂芬逊主持修建。
这条铁路的工程是空前的。沿线要架设 63 座桥梁，在利物浦附近要开挖
2 公里的隧道。斯蒂芬逊不畏艰难，顽强拼搏。 他还顶住人为的非难。有人散布谣言，说什么火车和煤烟会毒害家禽牲
畜，火车要爆炸而炸死乘客。更严重的是，那些依靠运货马车和客车而谋生 的人们，担心铁路建成后将失去生活来源，而对斯蒂芬逊进行人身迫害。
斯蒂芬逊下定决心，不怕诽谤与恐吓，排除艰难和险阻，和工人们齐心
协力，顽强奋斗，终于把这条铁路建成了。 这个时期，也有其他人试制机车，他们提出：“这条铁路用斯蒂芬逊的
机车不一定合适，应该和其他机车进行比赛，从中选出最优秀的机车。”
“那就进行一次机车比赛来决定吧。”斯蒂芬逊欣然同意。 比赛的条件是，以时速 16 公里的速度，在利物浦附近的赖布尔 3.2 公里
的线路上往复行驶 20 次。
　　1829 年 10 月，比赛的日期到了。参加比赛的有 4 台机车，其中就有斯 蒂芬逊最新研制的“火箭号”。
赖布尔人山人海，人们观看这场从来没有看过的机车比赛。首先是“新
奇号”，在第三次往返中，机车管道破裂。第二台机车一开始就出了毛病而 不能行驶。
第三台登场的是“火箭号”，以平均 45 公里的时速，跑了 20 个来回，
获得了普遍赞誉。
最后一台在第 10 次往返中出了故障，人们为之惋惜。 斯蒂芬逊的“火箭号”机车大获全胜。 从此，人们不再怀疑蒸汽机车的性能了。在英国出现了铁路建筑的热潮。
其他国家的铁路运输也迅速发展起来。
　　斯蒂芬逊原来只是个牧童，18 岁时还是个文盲，但是他勇于实践，敢于 创新，甘于吃苦，乐于奉献，为蒸汽机车做出了杰出的贡献，被后人誉为“近 代蒸汽机车之父”。
　　此后，斯蒂芬逊一直从事机车制造和铁路建设工作，直到 1848 年逝世。 第一次工业革命是生产力发展的必然结果，极大地推动了社会的发展。 第一次工业革命从其进程来看，可分为三个阶段，即以纺织机械为内容 的工作机革命，以蒸汽机为内容的动力机革命，以汽船和机车为内容的运输 革命。这三个阶段依次可视为序曲、主调、尾声，构成了第一次工业革命的
完整乐章。

第一次工业革命极大地推动了自然科学的发展。

能量的规律 对热的探索

　　在第一次工业革命中，蒸汽机的发明、改进和应用，极大地推动了社会 的发展。同时，蒸汽机的使用引起人们对热现象的广泛兴趣，推动 J 人们对 热学、热力学和能量转化方面的基础理论的研究。
　　能量转化和守恒定律的发现，是 19 世纪的三大科学成就之一。这一成就 是人们经历长期的实验研究和理论探索的结果。
　　人们在长期的生活实践中经常接触到热现象，逐步积累了关于热的知 识。但是由于缺乏测量手段和实际应用的迫切性，人们对热的认识水平还是 相当的落后，除了定性地发现热传递、透镜能聚焦生热等现象，还没有对热 现象规律进行定量的研究。
　　自从伽利略制造了第一支温度计，就开始了对热进行定量研究。伽利略 是热量概念的创立者，为了测量热的量度，在 1593 年发明了温度计，主要靠 空气膨胀来度量温度的变化，不太准确。自此之后，人们对热有了较为明确 的量度概念。
人们相继对温度计进行了改进。1642 年，意大利的西门图学院制出了酒
精温度计，能比较方便地度量热。
1714 年，德国物理学家华伦海特发明了水银温度计。他把水的沸点定为
212°，冰、纯水和食盐的混合温度为 60°。后来他发现液体的沸点，随着 气压的升高而升高，随着气压的降低而降低。华伦海特的温度计，就是人们 通常所称的“华氏温标”。
到 1742 年，瑞典物理学家摄尔希斯把水的沸点作为 0°，冰点作为 100
°，制成了百分温标，后来这种划分被颠倒过来，成为通用的“摄氏温标”。 热量概念的产生和量热仪表的不断精密，使热学不断向前发展。 随着化学中对燃烧现象的研究，诞生了热化学。 这时，人们在生活中和生产实践中已经认识到较热的和较冷的物体的不
同，认识到具有不同冷热程序的物体相互接触后使原来较热的物体变冷，原
来较冷的物体变热，最后具有同样程度的热。 但是人们还不能正确区分温度和热量这两个概念。 正是在热化学的研究中，英国化学家布莱克最先把温度和热量这样两个
不同的热学概念区分开来，分别称为热的强度和热的分量。 布莱克发现熔解、汽化时要吸收热量而不改变温度，提出了“比热”和
“潜热”的概念，形成了量热学的基础。 比热是比热容的简称，指单位质量的某种物质，温度升高 1℃吸收的热
量。潜热即熔解热，即单位质量的某种晶体在熔点变成同温度的液体时吸收 热量。汽化时潜热，是单位质量的液体变成同温度的气体时吸收的热量。
　　布莱克创立了比热的理论，来解释不同物体升高相同的温度所需热量的 不同。
　　关于热的本质，布莱克也进行过探讨。他认为“热”和物体燃烧时的“燃 素”一样，是一种由特殊的“热粒子”组成的“热流体”。这种“热粒子”
　　
后来被称为“热素”或“热质”。这就是关于热的本质的“热质说”。 热质说是 18 世纪占统治地位的观点。它认为热本身是一种没有质量、没
有体积、具有广泛渗透性的物质。热从一种物体渗透到另一种物体中去，在 热交换之前和之后，热质量是守恒的。
　　用这种理论可以解释当时已知的热现象。物体的温度高是由于热质多， 受热膨胀是由于热质进人物体所造成，热的传递是热质由高温物体到低温物 体的流动，太阳光通过透镜聚焦是热质的集中，辐射则是热质的扩散。
　　布莱克还根据热质说解释潜热现象。他认为固体的融化、液体的蒸发是 热质参与化学变化的结果，即热质与冰化合生成水，也可与水化合生成汽。 因此，在冰融为水和水蒸发为汽时，虽然要吸收大量的热质，由于热质被化 合掉，温度并没有升高。
　　热质说是一个错误的理论，但它力图从自然本身去说明自然，并且成功 地解释了许多热现象，因此在理解热的本质方面一直占据统治地位。
　　关于热的本质的另一种解释，认为热是一种运动，即热是看不见的物质 分子的运动或是其他粒子的运动。18 世纪前的培根和笛卡尔都持这种观点，
18 世纪 40 年代，俄国的罗蒙诺索夫也认为热是分子的转动引起的。但这些 都是极个别人的观点，没有引起重视。
直到 18 世纪末，才有一些人开始对热质说表示怀疑。
　　从美国移居到法国的汤普森，即后来的朗福尔德伯爵是最早从物理学角 度论证热与运动相联系的人。
1798 年，他在一家兵工厂做了著名的“朗福尔德热学实验”。用锐钻头
和钝钻头同时钻造炮膛，并测量它们产生的热量。在相同时间内锐钻头钻得 深，但锐钻头比钝钻头产生的热量少。
根据热质说，钝钻头产生的热量多，释放了更多的热质，应该钻进的深
度更深。但事实正好相反。 另外，他还发现从钻炮膛发出巨量的热，但周围环境却没有变冷。 这些都是热质说解释不通的，朗福尔德经过分析，认为能够连续不断产
生出来的热不可能是物质，热是机械运动的一种形式，它的本质在于机械运
动，运动产生热。他还进一步认识到，运动所产生的热的量与所做的功成正 比。
这样，他就提出了“热之唯动说”，也就是与热质说对立的热动说。
　　同一时期，另一位研究热与运动关系的人是英国化学家戴维。1799 年， 他进行了摩擦冰块的实验。在杜绝热源的装置中，使两块冰相互摩擦，结果 冰融化了。
实验证明，两块冰在摩擦运动中产生了热，将冰融化了。 朗福尔德和戴维的实验是令人信服的，为以后热质说的崩溃和热动说的
确立提供了最早的实验证据。但这个问题一直到 19 世纪热力学第一定律问世 时，才真正得到解决。
　　在热动说和热质说的论争中，包含着力学、热学和化学的相互渗透，促 进了热力学这门新兴学科的产生。

热力学理论的创立大

热力学的理论基础，是由法国工程师卡诺创建的。

　　萨迪·卡诺，1796 年生于法国巴黎，父亲是法国著名的将军、军事工程 师，在数学和物理方面也有很深的造诣。卡诺从小受到良好的教育，对数学 和物理非常感兴趣，并表现出一定的才能。
　　卡诺在青年时代就学干巴黎多种工艺学院。在这里，他受深入研究蒸汽 机的克拉特教授的影响，而喜欢上蒸汽机。毕业后.卡诺到陆军中任机械工程 师。
　　卡诺生活的时代，正是蒸汽机登 f 工业动力王位的蒸汽时代，蒸汽机应 用到采矿、机械、冶金、交通运输等一系列工业部门，促使社会生产力迅速 发展。尤其是最早进行工业革命的英国，发展更快。
　　相比之下，法国进展缓慢。1789 年法国大革命爆发后，法国政局动荡， 战争频繁，1815 年拿破仑的“百日王朝”覆灭后，出现了波旁王朝的复辟， 法国沦为欧洲的落后国家之一。
　　为了振兴祖国，法国的有识之士积极从事蒸汽机研究，以此促进法国科 学和工业的繁荣。人疾呼：“蒸汽机对法兰西极为重要，在英国已证明了它 的用途不断扩大，注定要给文明世界带来一场伟大的革命。”
1820 年，卡诺离开军队后，就专心致志地研究蒸汽机。 英国的瓦特在革新纽可门蒸汽机的过程中，曾得到科学的帮助，发明了
冷凝器，提高了蒸汽机的效率。在 18 世纪末到 19 世纪初，蒸汽机主要靠工
匠的经验技艺制作和改进，因此，它的效率提高很慢。从 1794 年到 1840 年， 其效率仅由 3%提高到 8%。
这样，进一步提高蒸汽机的效率是生产和交通运输的迫切需要，这是工
匠们的经验所不能解决的，必须从理论上去探索热动力的机制，靠热力理论 去解决问题。
卡诺在研究蒸汽机的过程中，最主要的是研究它的热效率问题，也就是
热能和机械能之间转化问题。 卡诺搜集了前人研究蒸汽机的资料，经过认真分析后，发现他们仅仅从
蒸汽机的实用性、安全性和燃料的经济性等方面，来判断它的优劣。卡诺认
为，这些方面都不是本质的，在蒸汽机的工作过程中，将热能转化为机械能 才是最本质的。
因此，提高蒸汽机的效率，应该由此着手。卡诺有过良好的数理训练，
并熟悉各种蒸汽机的设计，于是采用一种抽象的数理分析方法，希望设计一 种最理想、功率最大的理想热机。
经过 1400 个日日夜夜的苦战，1824 年，卡诺发表了《关于火的动力及
产生这种动力的机器的研究》。 在这部著作里，卡诺舍弃了与热机工作过程无关紧要的辅助因素和次要
因素，构思设计了“理想蒸汽机”，阐述了他的理想热机理论。 卡诺假设工作物质为理想气体，气体与两个恒温热源（恒定的高温热源
和恒定的低温热源）交换能量，即热机没有摩擦、散热、漏气等因素存在， 这种热机称为卡诺热机，其循环过程叫卡诺循环。
　　卡诺指出，只有存在较大温差的两个热源间才能有机械功产生，热机效 率与工作物质无关，主要取决于两个热源之间的温差，即锅炉和冷凝器之间 的温度差，而与循环过程无关。
　　他说：“我们可以恰当地把热的动力和一个瀑布的动力相比，瀑布的动 力依赖于它的高度和水量，热的动力则依赖于所用的热素和我们可以称之为
　　
热素的下落速度，即交换热素的物体之间的温度差。” 卡诺的热机理论，实际上已包括了后来总结的热力学第二定律：热只能
在从高温热源转向低温热源的过程中作功。 但是，卡诺用错误的热质说的观念去解释他发现的这一定律。他认为热
的动力依赖于热质的数量和热质的温度差。热机在运转时，热质的总量是不 变的，热质由高温物体流向低温物体而作功。只有热质本身的守恒，不是热 能向机械能的转化。
　　在不断的探索和研究中，到 1830 年，卡诺接受了热动说，对热能转化为 机械能的认识前进了一步。
　　卡诺在一篇手稿中写道；“动力或能量是自然界中一个不变量。准确地 说，它既不能产生，也不能消灭。实际上它只改变形式，也就是说，它有时 引起一种运动，有时则引起另一种运动，但决不会消灭。”
　　卡诺的这一见解，已接近发现热力学第一定律，也就是能量守恒和转化 定律。
　　遗憾的是，这一有价值的见解还没有来得及发表，卡诺就在 1832 年的霍 乱中死去。直到 1878 年，他的遗稿才发表。
　　卡诺生前，由于当时的蒸汽机专家和热机工程师几乎都是清一色的实干 家，不注重理论，从而使卡诺关于提高热机效率的正确途径得不到应有的重 视。
由于卡诺已接近于发现热力学第一定律和热力学第二定律，提出了理想
热机的热力循环理论，从而奠定了热力学的理论基础。。 卡诺生前，有许多人热衷于永动机的研究，幼想发明一种不使用任何能
量就可以永远作功的机器，卡诺的热机理论问世后，彻底证明了永动机是造
不出来的。
　　卡诺死后，法国另一位工程师克拉佩龙在 1834 年重新研究了他的理论， 并用压力容积图介绍和推广了卡诺的成果，推动了热机研究的深入。

能


　　卡诺揭示了热能和机械能之间的转化，并且说明能量既不能产生，也不 能消灭，已接近发现能量守恒和转化定律。同一时期、磁能、电能、化学能 等更多的能量之间的转化得到了进一步研究，到 40 年代初，能量守恒和转化 定律被不同学科的人几乎同时发现了。
“能”这个词，在希腊语里是“使用某种动作”的意思。 把石子放在弹弓的橡皮筋上，用力往后拉，然后突然松手，石子就会飞
向远处。这种使别的物体运动或者移动位置的能力就叫做能。 挥动的锤子能把钉子钉进木板里，飞行的炮弹能击穿钢板，猛烈运动的
空气——暴风甚至能吹倒树木、毁坏房屋。这种物体由于运动而具有的能叫 做动能。从观察得知，物体的质量越大，速度越快，它的动能就越大。
　　位于高处的物体，由于地球引力，其重力的作用方向总是指向低处如果 将山间的雨水汇集到贮水池里，利用水落下时的力量可以推动发电机旋转。 打桩机的重锤落下时，能把木桩或钢铁构件打进地基里。
　　这种由于物体位于较高的位置而具有的能叫做势能。水池的水和打桩的 重锤都具有势能。
　　
　　在 16、17 世纪，伽利略和牛顿等科学家，通过确定速度、加速度和力之 间的关系，对动能和势能的原理有所认识。他们认识到，当物体下降时速度 加快，动能就增加了；同时，高度降低，势能就减少了。如果把物体抛向空 中，随着动能的减少，势能就相应增加。
　　因此，在运动过程中，两种能量的总和总是一个恒量。这就是机械能守 恒定律。
　　到 18 世纪，人们进一步认识到热、光、声等也具有能量，能量可以从一 种形式转化为另一种形式。
最早公布能量守恒和转化定律的是德国青年医生迈尔。
　　1814 年，迈尔出生于德国，1840 年他在一艘远洋海轮上当船医，船从荷 兰驶往东印度，船在热带的爪哇岛停留时，他给当地人看病。
　　当他从病人身上抽取出血液时，奇怪地发现，患者的静脉血要比在欧洲 见到的病人的静脉血颜色红亮得多，这是为什么呢？
　　迈尔在学医时，曾研究拉瓦锡的燃烧理论和一些化学知识。在拉瓦锡理 论的启示下，他仔细琢磨其中的原因，是不是因为在热带地区气温高，几乎 不需要利用血液中的养分就能维持体温呢？
　　迈尔按照拉瓦锡的观点设想，动物体温是由氧化过程产生的热，由于热 带炎热，那么人的体温只需要从食物中吸取少量的热即可维持，因此食物氧 化作用减弱，剩下多余的氧留在静脉血里，血红素结合了氧就显得红亮了。 据此，迈尔认为人的体温是由食物化学能转化来的。他进一步认为人体 动力，也就是肌肉机械作功的能量，也来源于食物化学能；热能和机械能加
在一起的总量，应该等于食物化学能。
这样，热能、机械能和化学能都是等价的，而巨能够相互转化。 在航行期间，迈尔还听船员说：“暴风雨来时，海水温度比平时要高一
点。”迈尔认为这应该是机械能转化为热能的缘故。
　　1841 年，迈尔随船回国，对航行期间的发现继续进行研究，并且做了一 些实验，写成论文《论力的量和质的量的测定》。在这篇论文里，他提出了 热是运动的观点，说明了热是由运动转化来的，并阐述了能量守恒和转化方 面的见解。
他把论文投给德国的权威刊物《物理学和化学年鉴》。由于热质说统治
着人们的头脑，权威们都相信是物质而不是运动，因此不承认迈尔的见解， 便以缺乏实验依据为由，拒绝发表。
迈尔对学术上的第一次打击非常生气，但又无可奈何，决心进一步用实
验来证明自己的观点。 迈尔做了这样两个实验。一是把一块与水温相同的金属，从高处落入水
槽里，结果水的温度升高了。二是用力摇动水槽，结果水温也能升高。 当然，这两个实验都是简单的定性实验，但接着迈尔对实验进行了定量
测定。1842 年，他初步计算出热功当量为 1 卡等于 365 克米，相当于 3.58 焦耳，接近于现代精确的热功当量值 4.184 焦耳。
　　1842 年，迈尔把自己的研究成果写成论文《论无机界的力》，终于在德 国的《化学与药物杂志》上发表。
　　论文虽然发表了，但没有受到人们的青睐，反而受到了不少嘲笑和攻击： “迈尔荒唐透顶”，“迈尔空谈哲理”。
学术上的第二次打击，使迈尔精神上受到了很大的刺激，从此迈尔开始