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18世纪前半叶，世界处于工业革命的前夕。 1736年1月19日 在英国工业和科学技术大发展的阵痛里，詹姆斯·瓦特（ 图1 ）降生了。谁也没有想到，这位自幼身体羸弱、少言寡语、动作迟缓、喜欢沉思的孩子会成为蒸汽机的发明者，更没有想到，他所发明的蒸汽机改变了整个世界。
顾名思义，蒸汽机是利用蒸汽工作的机器。实际上，瓦特并不是发明蒸汽机的第一人，在他出生之前，蒸汽机作为矿井提水的机械，已经有了70多年的历史，托马斯·塞维利和托马斯·纽卡曼才是这类蒸汽机的发明人。
图1
瓦特的父亲是熟练的造船工人，他拥有自己的造船作坊，母亲受过良好的教育，瓦特自小在宗教气氛浓厚的家庭环境中长大。由于身体羸弱，他没有系统地上过小学，所受到的初等教育主要来自父母亲。他勤奋好学，喜欢亲自动手做事，在数学和动手制作上表现了极高的天分。在他17岁时，母亲去世了，父亲的生意也开始走入下坡路，瓦特只得到伦敦一家仪表修理厂做学徒。1757年，在一位教授的帮助下，时年21岁的瓦特来到格拉斯哥大学。在校园里，他开设了一间小修理店，专门负责修理和制作仪器。借着这个机会，他开始在英国物理学家和化学家约瑟夫·布莱克的指导下研究机械原理，从此布莱克成为瓦特终生的导师和朋友。
1763年瓦特有了一个千载难逢的机会，影响到了他的一生。有一天，他得知有一台纽卡曼蒸汽机需要运到伦敦大修，他立刻请求学校接下这台机器，让他来修理，在布莱克的帮助下，他第一次见到了纽卡曼蒸汽机，如 图2 所示。他大胆地把机器拆开，亲眼看到了这台机器的结构，也发现了它工作的奥秘。原来，它先把热蒸汽引入气缸，然后关闭阀门，再用冷水冲气缸，由于热蒸汽骤然冷却，造成气缸真空，活塞随之压入，驱动水泵提水。等机器充分冷却之后，再重新充入热蒸汽，推下活塞，继续下一轮工作。瓦特反复研究发现，虽然它的构思非常巧妙，但大有值得改进之处。首先是活塞的运动太慢，工作也不连续，由于不断地冲水、放气，大约有80%的热蒸汽散失，使蒸汽的利用率太低，浪费了燃煤。
于是，在改进蒸汽机上，瓦特动上了脑筋。他首先把冷凝器与气缸分割成两个部分，这是一个非常大胆的举措，这相当于对一个已经有70年工作经验的老机器动了“心肺大手术”。然而，这个手术非常关键，术后的气缸不必喷入冷水冷却，也不必再等待冷却的时间，从而节省了能量，还可以连续地运转。接着，他又改进了气缸的结构，为了减少蒸汽的损失，他发明了双向气缸，活塞在气缸中间，随着蒸汽从气缸的两端进出，活塞做着双向往复运动。此外，为了使活塞连续运行，他又在助手威廉·默多克的帮助下，成功设计了行星式曲柄齿轮传动系统和惰性轮，把活塞杆的上下直线运动转化为圆周运动。
在上述的诸多改进中，包含着瓦特的一系列创造发明：双向气缸、连杆系统、曲柄行星齿轮转动系统、惯性轮和离心调速器等，瓦特随即取得了一系列发明专利。此外他还改进了制造工艺，提高了气缸与活塞的精密度。经过这一系列改进之后，与原来的纽卡曼蒸汽机相比，瓦特把蒸汽机的效率一下子提高到原来的5倍。 图3 就是瓦特蒸汽机的原型。
1769年3月1日瓦特的蒸汽机正式获得了专利，这台新面世的机器很快被用户接受。除了采矿业，在其他行业里也迅速推广开来。这一成功为瓦特带来了经济效益。1794年，瓦特与博尔顿联手，成立了专门制造蒸汽机的公司，在博尔顿的成功经营下，到了1824年，在仅30年的时间里，就生产了1165台蒸汽机，几乎每年生产40台。在英国工业，特别是煤矿业大发展的年代里，瓦特的蒸汽机跃马而上，立刻轰动了英国、欧洲乃至全世界。瓦特蒸汽机问世之后，它的原理和结构一直没有改变，在机械世界里，整整半个世纪之久，瓦特蒸汽机处于先锋地位始终没有动摇。
瓦特蒸汽机发明的价值是难以估量的，工业革命意味着以机器代替人力、以大规模工厂生产代替手工作坊，而蒸汽机正为这一需求应运而生。它改变了人们的工作方式，解放了劳动力，提高了工作效率，适应了工业化大生产，也使一系列精密加工工艺的开发成为可能。很快地，随着蒸汽机的发明，蒸汽火车与蒸汽轮船相继问世，促使了世界经济的迅速大发展，推动了技术进步，由此拉开了世界范围工业革命的序幕。
图2
图3
图4
瓦特被誉为人类历史上最重要的发明家之一。美国作家查尔斯·穆雷曾做过一项调查，在历史上最著名的229位发明家中，瓦特与爱迪生并列在第一位，在“对人类历史最有影响的百人”评选当中，瓦特因发明蒸汽机而被列为第22位。为纪念瓦特的贡献，国际单位制中的功率单位以瓦特命名。在瓦特的诞生地，苏格拉格里诺克的詹姆斯·瓦特学院校园里，人们为了纪念他而建起了塑像（ 图4 ）。
关键词： 詹姆斯·瓦特，蒸汽机，James Watt，atmos-pheric engine
图1： http://www.bbc.co.uk/history/historic_figures/watt_james.shtml
图2： http://www.engineeringhalloffame.org/profile-watt.html
图3： https://www.asme.org/engineering-topics/articles/energy/james-watt
图4： http://www.newworldencyclopedia.org/entry/James_Watt