蒸汽机和第一次工业革命：崛起的蒸汽时代
蒸汽机和第一次工业革命：崛起的蒸汽时代
人类历史上的每一次重大进步，往往都伴随着能源利用方式的革新。从古代的风力、水力到18世纪的蒸汽动力，这一转变不仅极大地提高了生产效率，更深刻地改变了人类社会的面貌。本文将带你走进蒸汽机的发展历程，揭秘瓦特改良蒸汽机背后的故事，以及这项伟大发明如何开启了一个全新的工业时代。
人类的历史从某种程度上来说，就是通过自身的聪明才智去开发利用能源的一部历史。但几千年内，人类能够利用的驱动力仅限于三种：动物或人肌肉产生的力量、风力、水力。而这一切在18世纪伴随着工业革命的进程得到了彻底的改变，而其中标志性的事件就是瓦特改良蒸汽机，它标志着人类进入了崭新的蒸汽动力机械时代。
很多人都陷入了这样一个误区：瓦特发明了蒸汽机。实际上，瓦特是改良了蒸汽机。
詹姆斯·瓦特的画像
蒸汽机古已有之，早在公元一世纪就存在了，只不过那时的蒸汽机效率特别低，根本没法投入大规模生产。后来到了18世纪，英国在煤炭开始时遇到了很大技术瓶颈，即没法将地下水抽取出来，这种情况造成了当时英国能源短缺。
直到托马斯·赛佛瑞和他的同伴托马斯·纽可门发明出了一种靠水蒸气驱动活塞的“纽可门蒸汽机”，这是第一款商用的蒸汽机。然而，和许多新生事物一样，纽可门蒸汽机也有着许多无法令人忍受的缺点：包括其惊人的燃料消耗率和巨大的体积，这就决定了这种蒸汽机无法在煤矿以外的地区使用。在这种情况下，针对蒸汽机的改进工作就显得尤为必要了。
纽可门发明的蒸汽机，注意其巨大的体积和左下角一个人大小的对比
这项蒸汽机的改进工作在苏格兰人詹姆斯·瓦特手里获得了成功。
瓦特经过大量的理论研究和反复的实验，发现纽可门蒸汽机效率低的原因是活塞每推动一次，气缸里的蒸汽都要先冷凝，然后再加热进行下一次推动，从而使得蒸汽80%的热量都耗费在维持气缸的温度上面。
为此，从1763年到1765年，瓦特设计了蒸汽冷凝器；1765年，他又取得关键性的进展，想到将冷凝器与气缸分离开来，使得气缸温度可以持续维持在注入的蒸汽的温度，并在此基础上建造了一个可以连续运转的模型。
瓦特设计蒸汽冷凝器
而他接下来的挑战就是建造实用的蒸汽机。在当时，他面临着两项困难：缺钱和加工工艺的问题。因为申请相关专利需要国会的认可，在相关程序上需要花费大量资金，为了弥补资金空缺，他通过布莱克教授拉到了富商罗巴克的赞助；而为了解决钢铁工人更像是铁匠而不是机械师，制造的气缸和其他部件都不理想的问题，他又与铸造厂老板博尔顿联手研制蒸汽机。
终于，在克服了一个又一个困难之后，1774年，瓦特的蒸汽机投入生产，并于1776年在波罗姆菲尔德煤矿首次向公众展示其工作状态。
瓦特建造的蒸汽机等比例复制模型
瓦特改良后的蒸汽机不仅工作效率提高了三倍以上，所需的原材料煤还只是纽可门式蒸汽机的四分之一。至此，人类历史上一项伟大的技术革新终于完成了，它将把人类带往蒸汽时代！
在这样的革命性发明之下，英国的煤矿开采很快地取得了长足进步，解决了18世纪的能源危机问题；
到了19世纪，蒸汽机被广泛地用于织布、炼铁等领域，在1760年到1850年间，英国棉纺产品的生产量增加了60倍，而棉布则成了英国最重要的产品，占出口总额的一半；
蒸汽机被应用于纺织工业
与此同时，蒸汽动力还促进了钢铁工业的转型，到19世纪50年代，英国生产的钢铁比世界其他地区生产的总和还要高；
除了提高生产效率，蒸汽机带来的工业革命还改变了人类的交通运输方式。在他的蒸汽机基础上，富尔顿发明了轮船，斯蒂芬森发明了火车，无数工厂改成了蒸汽机器，人类真正进入了工业时代。
蒸汽机车加快了19世纪的运输速度：蒸汽机→蒸汽轮机→发电机，蒸汽为第二次工业革命即电力发展铺平了道路。
蒸汽火车
而工业革命最深远的影响，更在于对人类社会的重新塑造，它催生了城市中的工人阶级，这个阶级的诞生深刻地影响了19世纪之后的世界史。
而在蒸汽机领域，在原本的蒸汽机上，瓦特又完善了一套行星齿轮传动系统，这套系统极大地扩展了蒸汽机的应用。蒸汽机步入了工厂，彻底改变了过去依赖人工的生产方式。
之后，经过他的改进，双向式蒸汽机和联协式蒸汽机先后投入使用，从此之后，纺织业、采矿业、冶金业、造纸业等工业部门，都先后采用这些改良过的蒸汽机作为动力。
如今，作为蒸汽机发明人的瓦特也被人们以各种方式纪念着，最为人所知的就是瓦特的名字被用作功率的标准单位。