蒸汽機的故事

蒸汽機是一個能夠將蒸汽中的熱能轉換為功的熱機。泵、鐵路機車和輪船曾使用蒸汽機驅動。蒸汽機在工業革命中起了基本的作用。今天人們還使用氣輪機來發電。

蒸汽機需要一個使水沸騰產生高壓蒸汽的鍋爐，這個鍋爐可以使用木頭、煤、石油或天然氣甚至垃圾作為熱源。蒸汽膨脹推動活塞做功。

世界上第一臺蒸汽機是古希臘的亞歷山大利亞城的希羅於1世紀發明的風光管，不過它只不過是一個玩具而已。

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製造了第一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·瓦特製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·富爾頓第一個成功地用蒸汽機來驅動輪船


1769年尼古拉·約瑟夫·居紐首次用他的「蒸汽車」展示了自動的蒸汽車的可行性。這輛車可以說是第一輛汽車。這輛車作為運輸工具不太有用，但用來拖農具卻很不錯。

一直到20世紀初蒸汽機汽車依然可以與其它驅動方式的汽車抗衡。今天大多數汽車是用內燃機驅動的。蒸汽機汽車最大的缺點是它至少需要30秒鐘時間來獲得足夠的壓力。

世界上第一列蒸汽機火車是1804年2月21日理察·特拉維斯克在威爾斯展示的

現代蒸汽機的最大的優點是它幾乎可以利用所有的燃料將熱能轉化為機械能。不象內燃機那樣它對其燃料不挑剔。此外沒有蒸汽機的話原子能無法被使用。原子反應爐即不直接產生機械能，又不直接產生電能，原子反應爐實際上只是加熱水，這個水被沸騰後的蒸汽通過蒸汽機來轉化為有用的功。蒸汽不一定需要通過燃燒來產生，比如使用太陽能聚熱器也可以產生蒸汽推動蒸汽機。

另一種有類似優點的小巧的外燃機是斯特林發動機。其缺點是它在許多情況下難以運行。現代的混合動力汽車就是為了彌補這個缺點而設計的。

尤其在高山上蒸汽機機車的優點顯著，因為它們也可以在比較低的氣壓下運行。當南美洲將用柴油-電力機車取代它們的蒸汽機車後這一點就被發現了。在高山上他們不得不使用功率比較高的柴油機車。

在瑞士和奧地利新的齒軌鐵路使用現代的蒸汽機，這些蒸汽機只需要一個人來運行，比起過去的蒸汽機它節省60%的燃料，比起電力機和柴油機它輕50%，因此對齒軌的磨損小得多。在日內瓦湖上也有一艘新的蒸汽機船，它是世界上第一艘遙控的蒸汽機船。

　　　　瓦　特

（James Watt）

聽到瓦特這個名字，我想大家可能聽過這樣的故事，就是，瓦特有一次看到水壺的水燒開了，蒸汽不斷地向上冒而掀動著壺蓋，瓦特因此受到了啟發，以後就發明了蒸汽機。

故事和事實總是有些差距的，事實上早在瓦特之前，就有人發明了蒸汽機，瓦特只是把別人發明的蒸汽機加以改良，讓蒸汽機不但更好用，還可以用在工業生產上。但是，光是「改良」，就足足讓瓦特奮鬥了將近20年的光陰喔！

開始研究蒸氣機

1763年底，瓦特接受格拉斯哥大學的委託，修理一台紐科門式蒸氣機的模型，從此開啟瓦特改良蒸氣機的研究之路。



紐科門式蒸汽機最大的缺點就是：活塞轉動一次的時間太久、而且耗費太多的燃料。1765年初春的一天，瓦特靈機一動在氣筒外另作一個凝結器，把氣筒裡的蒸氣引入凝結器中加以冷卻，這樣既可以防止蒸汽的浪費，又同時解決燃料耗費和活塞轉動時間的問題。經過一次又一次的實驗，瓦特改良這個模型蒸氣機終於成功的運轉。接下來的工作就是要作一台真實的蒸氣機了。但是製作模型和真實的蒸氣機製造畢竟有一段差距。
擺在眼前的問題是：當時的接縫材料有限，導致蒸汽大量地從縫隙中跑出去，機器的效能很差。第二個問題就是經費。瓦特在實驗期間，必須一試再試，於是，額外地增加許多開銷，做到最後，他的錢快要花完了。迫不得已，只


紐科門式蒸汽機



有找布拉克教授商量。教授很慷慨地借給他一千二百英鎊，並且介紹一位曾是他的學生的實業家─羅伯克先生。羅伯克自己也經營過礦場，對於瓦特蒸氣機的研究極有興趣，便答應出資協助研究。可惜在羅伯克的工廠，因為製作技術不良，機器作出來並不理想，這時恰好英國發生了全國性的經濟不景氣，有很多家公司倒閉，羅伯克的公司也受波及，到了山窮水盡的地步，無法再援助瓦特的蒸汽機製造工作，最後只好終止彼此的合作關係。為了繼續實驗以及生活下去，瓦特只好去當運河工程的測量員。從瓦特開始研究蒸氣機到這時候，已經花了將近十年的光陰。

旋轉式蒸氣機誕生 為了讓紡織業等其他工業也可以運用蒸氣機，瓦特接受蒲爾頓的建議，開始研究旋轉式蒸氣機（原本的蒸氣機是『往復式』的直線運動），另外瓦特還大動腦筋，把以前那種只在汽筒內的活塞一邊放進蒸汽來發動活塞的方法，改進成兩邊可以輪流輸放蒸汽，而使蒸汽的力量能夠應用於活塞的來回轉動，這種情形的機器就叫做複動機。一七八二年，瓦特獲得了回轉式和複動機的專利權。
一七八八年，瓦特又發明了遠心調速的自動速度調節裝置。這是蒸汽機轉動得太快的時候，可減少汽筒的蒸汽量降低速度；相反地，轉動速度慢了。


瓦特的蒸氣機模擬動畫


就是自動地保持蒸汽機的轉動在一定的速度上，這種裝置等於是今日工業自動化的先驅。

除了發明蒸氣機之外，瓦特還發明了一種透印版的印刷，用來複印他工作上的大量圖紙、文件；瓦特也是第一位在機械製圖上採用圖紙著色，用色彩來代表不同的部位或不同用途的材料，這個方法一直沿用至今。

圖片來源：

http://www.geocities.com/Athens/Acropolis/6914/wvae.htm


無論如何，瓦特的發明和改良，讓蒸氣機通用於各種工業用途，產生穩定、大量而有效率的動力來源，進而帶動整個歐洲的工業革命，改變人類的歷史，讓人類擺脫對於水、風等自然力的依賴。


這個故事實在太妙了，但可惜的是，瓦特打算製造自己的蒸汽機的想法，實際上是在他修理托馬斯‧紐科曼的一台原型蒸汽機時產生的。這種蒸汽機紐科曼在57年前就已發明出來了，到瓦特修理時，英格蘭已經製造出100多台。而紐科曼的蒸汽機又是在英國人托馬斯．薩弗裡於1698年獲得專利權之後才有的，但在薩弗裡獲得專利權之前，法國人丹尼．帕龐已於1680年左右設計出這種蒸汽機（但沒有製造），而帕龐的設計思想則來自他的前人荷蘭科學家克裡斯蒂安‧惠更斯和其他人。所有這些並不是要否認瓦特大大改進了紐科曼的蒸汽機（把一個獨立的蒸汽冷凝器同一個往複式汽缸合併在一起），就像紐科曼曾經大大改進了薩弗裡的蒸汽機一樣。