瓦特与蒸汽机

詹姆士·瓦特是英国最伟大的工程师之一。工业革命初期，瓦特发明的实用性发动机便常被用来为纺织机以及矿场里的抽水泵提供动力。之后，工程师们将瓦特设计的发动机改造为适合汽车、轮船的动力引擎，最终蒸汽引擎火车头的推广引发了一场横跨欧美的铁路交通革命。

1736年1月19日，瓦特出生于苏格兰克莱德河畔的小镇格林诺克（位于格拉斯哥市附近），父亲为木匠兼商人，而瓦特是六个孩子中最小的一个。少年时代的瓦特没有接受完整的正规教育，但曾就读于格林诺克文法学校，并在父亲的工厂学习技术。1755年，瓦特只身前往伦敦，在一家精密仪器制造厂当学徒。2年后，成为格拉斯哥大学仪器制造厂工人，并拥有了自己的车间。1764年，学校里的一台纽可门蒸汽机模型出现了故障，请瓦特前去维修。在修理的过程中，瓦特意识到该类型蒸汽机的两大弊病：首先，活塞动作不连续而且非常慢；其次，该汽缸在不断地加热与冷凝的过程中，能量大量流失，热效率十分低下。

1765年，瓦特设计发明了带有分离冷凝器的蒸汽机，克服了纽可门蒸汽机的缺陷。该设计能够将做功后的蒸汽排入汽缸外的冷凝器，令汽缸产生真空，同时又可以始终保持汽缸处于高温状态，避免了在一冷一热的过程中造成的能量消耗。据瓦特的理论计算，这种新型蒸汽机的热效率是纽可门蒸汽机的3倍以上，因此，学校教授、苏格兰物理学家、化学家约瑟夫·布莱克（1728～1799年）决定资助瓦特继续研制蒸汽机。

1767年，瓦特前往伦敦，得到化工技师约翰·罗巴克的资助，二人开始合作研制蒸汽机，但1772年他们的工厂因经营不善而破产。不过罗巴克又将瓦特介绍给自己的朋友——工程师兼企业家马修·博尔顿（1728～1809年）。博尔顿在伯明翰附近的梭霍地区设有工厂，生产各式各样的金属制品，如镀金的用具、银纽扣与带扣等，并且博尔顿还于1797年设计了英国新型铸币技术，并为此设计了专用机械。

大事记

1765年 带分离冷凝器的蒸汽机问世

1769年 瓦特的蒸汽机获得专利

1775年 瓦特同马修·博尔顿合作设计制造蒸汽机

1781年 “太阳与行星齿轮”装置问世

1782年 双向作用蒸汽机问世

1788年 飞球离心调速传感器问世

1775年，与博尔顿合作之后，瓦特开始按照1769年设计的原型制造蒸汽机，不过与之前的蒸汽机相比，瓦特于1776年建造的第一台新型蒸汽机仍无显著提高。经过5年的不断摸索与改进，瓦特终于制造出真正意义上的实用型蒸汽机，随后便大批量生产。在此期间瓦特还不断地与仿冒侵权行为作斗争，保护自己的专利。在英国西南部城市康沃尔的铜矿、锡矿中绝大多数运行了50年之久的纽可门蒸汽机都被瓦特蒸汽机所取代。

瓦特一直潜心改进蒸汽机，为了将活塞的上下往复运动转化为旋转运动，1781年他发明了“太阳与行星齿轮”，以及杆和曲柄联动系统。这些改进使蒸汽机得以应用到机床、织布机与起重机上，结束了这些机械靠水能驱动的历史。

1782年，瓦特又设计了双向作用蒸汽机，即蒸汽能够从活塞的每一侧交替进入。这种机器在活塞的每一次运动时都利用了蒸汽力。1788年，瓦特设计了飞球离心调速器，用以控制引擎速度，这是历史上首台负反馈式装置被应用于蒸汽机之上。1790年，瓦特发明的压力计完成了瓦特式蒸汽机的历史性飞跃。至18世纪末，世界各地共有约500台瓦特式蒸汽机在不停地运作。

1783年，瓦特用“马力”作为瓦特式蒸汽机的输出功率单位，他用当时最普遍的动力源——马匹的输出标准作为参照。因为一匹马能够在1分钟之内将453千克重的物体抬升10米，所以由此计算得出马匹的动力为每分钟33000尺磅（1尺磅=1.3558焦耳），相当于每秒550尺磅，瓦特称之为1马力。根据这个标准，普通人的功率输出约为1/10马力，家用汽车的功率则约为20马力。

除了发明蒸汽机外，瓦特在其他领域亦作出过不少贡献，如于1780年获得专利、使用特制化学墨水复制文件的技术——胶版印刷术，以及用来复制雕塑的雕刻机等。1794年，博尔顿、瓦特以及瓦特的儿子一起开办公司，之后瓦特的儿子慢慢接手公司事务。1800年，瓦特退休，但其仍旧醉心于发明设计。1817年，小詹姆士·瓦特为“卡列多尼亚”号远洋蒸汽船设计制造蒸汽机，该船下水时，整个英国都为之振奋、欢呼。瓦特亲眼目睹了这一场景，见证了儿子的成功。

为了纪念瓦特的贡献，国际单位制中功率的单位被定为“瓦特”，在机械运动中，瓦特的定义是1焦耳/秒。而在电学单位制中，瓦特的定义是1伏特·安培。