1763年初夏的一个午后，在苏格兰格拉斯哥大学的仪器修理铺里，28岁的机械师，或者说修理匠，詹姆斯·瓦特接到了来自格拉斯哥大学的特殊任务，维修一台纽科门蒸汽机的教具模型机。
格拉斯哥大学
由于瓦特这几年在维修学校精密仪器仪表所表现出的高超技巧和动手能力，校方决定死马当活马医，将这台被运到伦敦专业厂都没修好的神秘机器送到小有名气的瓦特修理铺，希望他来试试。
格拉斯哥大学
纽可门蒸汽机
这位苏格兰青年绝不会想到，眼前这个名为蒸汽机的神秘大家伙竟会成为自己为之奋斗一生的事业，而这次历史性的邂逅，也将名不见经传的詹姆斯·瓦特推到了历史的舞台中央。
此后，他对蒸汽机的一系列改进和发明创造，世人将“工业革命之父”的帽子牢牢戴在了瓦特的头上，也被人们称为“伟大的蒸汽魔法师”（the Great Steamer）。
无论如何，蒸汽机的历史意义，无论怎么夸大也不为过，詹姆斯·瓦特对人类的贡献完全担得上这一系列殊荣。
詹姆斯·瓦特和他的蒸汽机
对于我们普通人来说，最能彰显瓦特存在的就是我们每个月的电费账单。电费账单上会写明用电量，它以千瓦时（kWh）为单位。其中的大写字母W就是代表瓦特，它是功率的单位。
那么，瓦特又是如何让人类进入“蒸汽时代”，让英国迸发出工业革命的浪潮呢？
瓦特改进蒸汽机后，人类社会发展指数直接
烧开水梗
对于人类文明，一直流传着一个烧开水的梗，即五彩斑斓的人类能源文明，就是建立在各种花式烧开水之上的。青铜时代内燃机是谁发明的，我们利用薪柴烧开水煮食物；白银时代，我们利用煤炭烧开水—蒸汽机出现了；
烧开水
白银时代，我们利用煤炭烧开水—蒸汽机出现了；
黄金时代，我们利用煤炭-石油烧开水发电；
沙特石油发电厂
王者时代，我们利用核能烧开水发电。
核能发电
总之，就是离不开烧开水。
蒸汽机极简史
我们都知道，蒸汽机的工作原理通俗点讲，就是烧开水产生膨胀的蒸汽，蒸汽推动活塞做功，进而让与活塞连接的各种机械做往复式运动，向外输出动力。
蒸汽机
这里，我们提到了一个非常关键的部件—活塞。
活塞
其实最早进入工业领域实用的蒸汽机没有活塞，这种蒸汽机叫塞维利蒸汽机，发明与十七世纪末，即我国的清朝康熙年间，并于1698年取得名为“矿工之友”英国发明专利。
塞维利蒸汽机
这种蒸汽机利用容器中热蒸汽冷却后形成的真空，即利用内外压强差将水从水井中抽取上来。当然，这种常压下的蒸汽压力很有限，只能抽取不超过6米深的水，且过程不连续，各个阀门的启闭都需要人工完成。
塞维利蒸汽机示意图
显然，这种蒸汽机只是初步具备实用意义，但这也是人类利用非自然力进行生产的开端。
对于活塞，其实在塞维利蒸汽机出现的十几年前，就由法国物理学家丹尼斯·巴本发明。这位仁兄发明了高压锅和安全阀，并在对高压锅的蒸汽研究中，提出了用蒸汽推动汽缸中活塞的构想。
因此，巴本完成了后世蒸汽机基本工作原理的设计。当然，以当时的制造水平，这注定是无法实现的，其中最为关键的活塞和缸筒之间的密封。
对于十七世纪的人们来说，根本无解，因为用于制造精度较高的缸筒的机床，100年后才由英国人约翰·威尔金森在制造火炮炮筒时发明了较高精度镗床。而借由威尔金森的镗床帮助，同时期的詹姆斯·瓦特才得以将他对蒸汽机的改进设想由设计图纸变为实物，当然，这是后话。
高压锅和安全阀
既然已经有了巴本的设计蓝图，1712年，苏格兰铁匠托马斯·纽科门终于搞到精度勉强能用的活塞，以此发明了活塞式蒸汽机，即纽科门蒸汽机。
纽科门蒸汽机
纽科门蒸汽机利用活塞这一关键部件实现了蒸汽机自动循环运行。即蒸气由锅炉进入汽缸，在蒸气压力的作用下，汽缸中的活塞被顶至缸筒顶端，随后打开冷水阀将冷水喷入气缸，冷却蒸气形成真空，在大气压的作用下活塞被重新压回去，完成一个工作循环，这种蒸汽机每分钟可以循环往返16次，因此工作效率和实用性大大提升。
纽科门蒸汽机，需要人来操纵阀门
当时的英国采矿业，特别是煤矿，已发展到相当大的规模，单纯依靠人力、畜力已难以满足排除矿井地下水的要求，而现场又有丰富而廉价的煤作为燃料尽管煤耗颇高和只能直线往复运动，但对于用在煤矿抽水而言，这都不是问题，毕竟应用场景在煤矿，煤炭量大管饱。
纽科门蒸汽机抽水原理
瓦特的发现
话说瓦特小师傅面对这台纽科门蒸汽机模型，尽管从未见过这种机械装置，当好歹也在格拉斯哥大学里修了7年精密仪器，和学校教授、学生们混了个脸熟，也借此机会旁听学习了大量科学理论，特别是布莱克教授的潜热理论。（潜热是物质发生相变过程中吸收或释放出来的热量，在这个过程中虽然热量有变化，但是温度是不变的。）
必须介绍一下，这位布莱克教授澄清了热量和温度是两个不同的概念，由此提出了我们初高中阶段物理书上著名的比热容理论。
当理论和实物相遇，再结合瓦特小师傅的心灵手巧、刻苦专研，这台蒸汽机还真被他给修好了。
机会确实只留给有准备的人。如果仅仅只是修完了事，恐怕历史就会改写。
瓦特小师傅正是这个有准备的有心人。他不仅修好了这台纽科门蒸汽机，还精心研究了这种热机的工作原理和耗煤量大但是效率低的症结所在。
詹姆斯·瓦特
瓦特发现，这种蒸汽机的工作循环共有4个步骤，即加热—膨胀—冷却—收缩。在这一循环下，活塞可以循环往复运动。
这种纽科门蒸汽机有三个主要缺点：第一，活塞每被推动一次，汽缸里的蒸汽都要先冷凝，然后二次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；第二，做功的是大气压，所以无法提高工作压力，也就难以提高输出功率；第三，只能单向做功。
可以说，瓦特的余生都在燃烧着他的聪明才智对上述这三个缺点进行改进克服。
詹姆斯·瓦特塑像
自然和自然规律隐匿在黑暗之中。上帝说:“让牛顿降生吧!”于是一片光明。
瓦特的横空出世
对于50多年都没取得改进的蒸汽机，上帝说：“让瓦特来吧”于是一片光明。
对于当时的瓦特而言，第一个缺点是最先解决的。即想要提高热效率，蒸汽的加热膨胀和冷凝必须分开在两个独立的空间。
冷凝器的发明，图中C缸
灵感突至的瓦特设计了一个独立的容器去冷却蒸汽，即分离式冷凝器。于是，纽科门蒸汽机在被发明了50多年后，迎来了一次最为关键性的改进。
所以说，方向和努力很重要，但有时方向更为重要。这50多年一定有很多能工巧匠在研究蒸汽机，但由于方向不对，都淹没在历史长河中。而年轻的瓦特运用科学原理找对了方向，加上他的勤勉，成功自然而然。
格拉斯哥乔治广场的瓦特像
对于发明冷凝器这个过程，瓦特这样说道：“我在一个晴朗的午后去散步，从夏洛特大街的尽头步入草原，路过古老而狭小的洗衣房，那时，我正在思考着发动机的事，当走到家畜小棚时，忽然闪现出下面
这种念头：水蒸汽是弹性体。因此，它能依靠自己的力量流入真空。
如果把汽缸和废汽贮罐用管道连接起来，水蒸汽也许会流入废汽贮罐而冷凝，这就不必像以前那样使汽缸冷却导致水蒸汽在汽缸内冷凝了。”
瓦特的跌宕起伏
有了设计还不行，建造蒸汽机模型需要大量资金。
在一生的挚友布莱克教授的推荐下，瓦特认识了约翰·罗巴克，一个对蒸汽机非常感兴趣的钢铁商人。在他的资助下，1768年瓦特制成了一台设有分离式冷凝器的单动作蒸汽机（活塞单方向推动做功）并于1769年取得英国专利。
瓦特改进的蒸汽机
但是，说话最怕说但是……
要将这种蒸汽机模型建造成实际工业用机，还有很长的路要走。汽缸和活塞的加工工艺问题一直是瓦特制造新蒸汽机面临的巨大困难，漏气问题不解决，工作效率就很难让人满意。由于迟迟进展不顺，迫于养家糊口的需要，生活窘迫的瓦特被迫改行土木工程师，做了8年多的运河测量员。
蒸汽机模型
在此期间，瓦特遭遇人生中的双重打击，陷入低谷。为他生下6个儿女的妻子难产去世，而一直为他提供资金支持的罗巴克也因为金融危机的影响而破产。
可以说，这一刻，瓦特的生活和事业可用破碎来形容。不过罗巴克也算仗义，尽管自己无力再支持瓦特的蒸汽机，但他介绍了伯明翰的大商人马修·博尔顿，这个商人也是蒸汽机爱好者。
伯明翰
于是，罗巴克和瓦特的合伙公司债务和专利所有权转移至马修·博尔顿。
博尔顿邀请瓦特前往伯明翰，和他一起继续新蒸汽机的事业，并承诺为瓦特提供一切资金和技术上的支持。
瓦特和他的蒸汽机
由此，瓦特和博尔顿开始了他们长达25年堪称典范的合作。
瓦特精于技术和各种奇思妙想，但不善商业，而博尔顿懂技术、更重要的是具备商业头脑。他清晰地认识到，瓦特蒸汽机的光明未来，所以愿意倾尽家财与瓦特合伙研发蒸汽机。
为纪念这两个伟大人物的突出贡献，2011年3月，英国央行把詹姆斯·瓦特和马修·博尔顿的肖像印在新版50英镑纸钞上，并配以瓦特的蒸汽机和博尔顿在索霍的工厂图片。
博尔顿和瓦特
这两个人的黄金组合，让人不禁想到乔布斯和沃兹尼亚克。一个钻研技术，一个富有前瞻性和商业头脑。
乔布斯和沃兹尼亚克
曙光
有了博尔顿的资金、人脉和各种社会资源，瓦特的蒸汽机事业很快又走上正轨。
一直困扰瓦特的活塞和汽缸的密封，在博尔顿的介绍下，由约翰·威尔金森运用他改进火炮炮管加工精度时所发明的精密镗孔加工机床，帮助瓦特得到了他所设想的汽缸筒壁加工精度。
1776年，瓦特的新蒸汽机终于在多方努力下，制造成功并投入工业生产。
为进一步提高效率，瓦特继续为这台蒸汽机的汽缸外设置了绝热层、用油润滑活塞、抽气泵等多种新措施，大大降低了蒸汽消耗量，耗煤量只有纽科门机的1／4，动作也更迅速。
纽科门蒸汽机和瓦特蒸汽机的产量
当然，瓦特改进的这种蒸汽机可以说是纽科门机的加强版，还是只能提供直线往复运动，因此，其用途依旧是在煤矿抽水。尽管用途比较单一，但这款蒸汽机还是为瓦特赢得了大量煤矿安装订单，也由此赚到了人生的第一桶金。
瓦特蒸汽机
万能原动机问世
故事进行到现在，好像瓦特改良老式蒸汽机已经完成了。如果仅仅满足于此，恐怕历史又要改写了。
商业嗅觉敏锐的博尔顿当然无法满足于只在煤矿使用，他要求瓦特继续研究，想办法扩大这种蒸汽机的适用范围，比如改直线往复运动为圆周运动，这样蒸汽机就可以为当时已存在的绝大多数机器提供动力。
意识到这种近乎无穷无尽的应用场景和无穷无尽的订单内燃机是谁发明的，博尔顿和瓦特可谓激动得说不出话。
说干就干。瓦特带领公司的机械工程师们开始研究。显然，第一个容易想到的是曲柄连杆机构。
曲柄连杆机构
但是，该结构专利在当时已被约翰·斯蒂德所注册。当瓦特找到他时，斯蒂德竟然要求瓦特分享分离式冷凝器的专利，才许可瓦特使用他的专利。这种企图，当然被瓦特所拒绝。
想要绕开这种显而易见的结构专利，在当时还是非常困难的，瓦特也由此陷入被动。
曲柄齿轮机构
时代呼唤英雄，正当瓦特苦苦思索无果之时，瓦特手下的工程师威廉·默多克站了出来。1781年，他创造性得发明了一种“太阳与行星”的曲柄齿轮传动机构，并以瓦特的名义成功取得发明专利，从而帮助瓦特绕开了曲柄连杆传动专利的限制。
瓦特蒸汽机
从此，天高任鸟飞，海阔凭鱼跃。瓦特的蒸汽机终于可以输出圆周运动，其应用范围大大扩展。
瓦特蒸汽机构造
从此，瓦特的思路仿佛一下子彻底打开了。
1782年，瓦特发明了双向汽缸，这使得高压蒸汽可以从活塞两端进出，从而推动活塞双向运动，这样的发明使得瓦特的蒸汽机告别了以往的大气式结构，进入高压蒸汽时代，这样的结果就是输出的动力更加强劲，瓦特为这种双作用式的蒸汽机申请了发明专利。
双作用气缸推动活塞运动
1784年，瓦特设计了三连杆这一平行运动连杆结构以保证汽缸推杆和气泵的直线运动。
平行运动连杆机构
1788年，为了自动控制蒸汽机的运转速度，瓦特设计了节气阀门和离心调速器。
节气阀和离心调速器
为了显示高压蒸汽的压力值，瓦特发明了能够显示压力值的指针气压计。
万能原动机
这6年间的一系列发明创造，使得瓦特的蒸汽机效率提升为纽科门机的5倍，这种终极版本的蒸汽机被称为万能原动机。
蒸汽时代
很快，造纸厂、面粉厂、棉纺厂、炼铁厂、酿酒厂等等都开始需求他的万能原动机。
磨坊外的蒸汽机
到了1790年，瓦特已经是一个非常富有的人。在11年的时间里，除了制造蒸汽机获利，他还获得了7.6万英镑的专利使用费，这在当时是一笔巨额的财富。
瓦特蒸汽机在纺织、采矿、冶炼和交通运输等方面得到了广泛应用，极大地推动了英国和欧洲的第一次工业革命，使世界进入了“蒸汽时代”。而伴随蒸汽时代来临的，同时还有钢铁时代以及机械制造大工业时代。
蒸汽时代
由于在科学技术上的贡献，1785年被选为伦敦皇家学会会员；1806年被授予格拉斯哥大学法学博士头衔；1814年被选为法国科学院外籍院士。
1819年8月，詹姆斯·瓦特在伯明翰附近的希斯菲德逝世，享年83岁。瓦特被安葬在了伯明翰的汉兹沃思教区教堂，此前他的传奇商业合伙人马修·博尔顿也葬于此。
詹姆斯·瓦特墓地
“因为他把难以估量的利益带给了他的国家和整个人类。他赋予人类孱弱的双手……以无穷的力量……并为未来所有机械动力的奇迹奠定了极为可靠的基础，必将泽被后世。”
传奇的詹姆斯·瓦特，伟大的蒸汽魔法师！
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