瓦特(11)_虚阁网

一一

　　瓦特的第一次试验是用一把水壶，从壶嘴上接一根管子，通进一个带刻度的并盛有冷水的烧瓶里。然后，他把水壶里的水烧开，直到烧瓶里的水的温度达到沸点，此时就再也没有一点蒸汽会冷凝了。他注意到烧瓶里的水的数量已增加了1/6，这便是蒸汽冷凝下来的水。由此他做出了正确的推算：如果要把水变成蒸汽，那么在水达到沸点时，它就能比原来它本身的体积增加6倍。然后，他又把这一结果转换成温度的形式，他的办法是把1克水从零摄氏度提高到100摄氏度所需要的热量，作为100个热量单位。试验开始的时候，烧瓶里冷水的温度是11摄氏度，因此要把这1克水的温度提高到沸点，就需要89个热量单位。然而，这项试验却表明：从水壶里出来的蒸汽，能够将与其等量水的温度提高到沸点，并使其体积增加6倍，其结果是所耗费的热量单位为534个。瓦特无法对这一现象做出解释。接下去所发生的情况，最好用他自己的话来加以说明：

　　由于对这一异乎寻常的事实感到十分惊疑和不理解其原因，我便向我的朋友布莱克博士提起此事，他于是对我解释了他的潜热理论，这一理论他在此以前就已讲授过一些时候了；但是由于我自己一直在忙于谋求生意，因此，当我无意中发现了一个用绝妙的理论加以证实的无可辩驳的事实时，即使是我以前对它就有所闻，我也是不会去重视它的。

　　正如布莱克对瓦特解释的那样，当水沸腾并转变成蒸汽的过程中，尽管温度不再进一步升高，但却继续吸收热量。当蒸汽冷凝时，这部分热量就会被释放出来，正是这一结果，曾使瓦特感到迷惑不解。实际上，他们俩得出的结论是相同的，只是通过的途径不同而已。瓦特所取得的534个热量单位这一数字（注：当今蒸汽潜热的精确数字为537个热量单位），正是布莱克所说的蒸汽的潜热。布莱克对于他的结论能被别人用这种实际的方法加以证实，自然感到喜悦，因此，他以极大的兴趣关注着瓦特试验的进展，并且给了他很多帮助和指点。罗比森回到大学后，他也同样满腔热忱地鼓励瓦特进行试验。

　　一旦瓦特掌握了关于潜热的理论，纽科门式发动机效率低的症结也就迎刃而解了，并且这对他后来的所有试验工作都起着指导的作用。他终于知道了在汽缸交替加热和冷却的过程中，损失掉的热量到底有多少；通过试验还发现，对进汽和注水做再多的调整，都无法弥补这一基本缺陷。他曾利用了几个星期的时间，为此绞尽脑汁，也没有能够解决这一矛盾，即从效率考虑，应该尽可能地保持汽缸的热度，而为了造成真空，似乎又必须使汽缸冷却。

　　他对于摆脱这一进退两难困境的途径的发现，正是他最著名的一项创举。瓦特在晚年曾对格拉斯哥的一位工程师罗伯特。哈特确切地讲述了这一发现的由来。

　　瓦特想到解决的办法，是在偶然的机会里，他是在一个星期天下午散步时产生的灵感。

　　那是一个美丽的四处漫溢草香的1765年5月。和风徐来，吹动格拉斯哥草地上的低矮丛林。这是一块河边的广阔草地，羊群在这儿啃食青草。洗衣妇们都在这儿晒床单。工作之余，大家也都来这儿沿着河岸散步，并且享受新鲜的空气。由于苏格兰严格规定星期天不准工作，于是瓦特会穿上他星期天的最佳行头，离开他的工作台，和其他人一样，来到河边草地呼吸新鲜空气。

　　他这时已经成家了。这天下午，他的太太待在家里。瓦特一个人出门。

　　他一面深思，一面经过洗衣妇的屋子，以及牧羊人住的屋子。

　　突然之间，他想到了这个谜底的答案。

　　瓦特说：“那是在格拉斯哥的格林公园里发生的事情。在一个晴朗的安息日下午，我出去散步。我走过那家老洗衣房，然后又通过夏洛特街尽头的大门，进入了这个公园。当时，我正思考着那台发动机的问题。当走到赫德剧场时，有一个想法浮现在我的脑海里：由于蒸汽是一种具有弹性的物体，因此，凡是有真空的地方，它就无孔不入；如果在汽缸和排气室之间有一条通道的话，那么蒸汽就会涌进这个排汽室里，并且可能在那里冷凝而不需要冷却汽缸。然后我又领会到，如果我使用一个像纽科门式的发动机上的那种喷嘴，我就准能解决冷凝蒸汽和注水的问题。为了做到这一点，我想到了两条途径，其一，如果能制成一条向下延伸三十五六英尺长的排水管，那么水就可以从这条管道流走，而所有的空气则可由一个小气泵抽出；其二，制造一个大到足以把水和空气一起抽走的泵……当我还未走过高尔夫球场的时候，对这件事情的整个安排便已经胸有成竹了。”

　　瓦特的这一重大构思就这样形成了，他急得手指发痒，跃跃欲试，想先搞出模型来，可是出于对苏格兰安息日的考虑，他不能马上就到他那个靠近牛肉市场尽头的一个小院中的小作坊里去。这个小作坊就是他当时（1765年5月）进行试验工作的地方。但是，就在第二天，他便开始动手制造了一个装置，尽管这个装置设计简单、制作粗糙，但却能够使他对他的新理论进行检验。现在同瓦特的其他的一些模型一起保存在科学博物馆里的这个装置，被认为是分离式冷凝器原理的第一次历史性的应用。按照传统的做法，这台装置归科学博物馆所有是理所当然的。它是由伯明翰的詹姆斯·瓦特公司于1876年赠给科学博物馆的。由于这正是我们所期望的，因此看来也就没有理由去怀疑它的真实性了。这个装置是由三个直立排列的圆筒状主要部件组成的。首先是一个装有保温套的封闭式蒸汽汽缸，另外还配有一个活塞和一个活塞杆，这个活塞杆的下端通过一个填料函伸出来，头上带有一个挂钩，用来提升供试验的重物。这个汽缸的旁边是冷凝器部件和气泵筒，这两个部件在其底部，由一个作为冷凝器一部分的长方形水箱把它们连接在一起。虽然，这台小模型肯定在某个时候损坏过，并且修理时所用的方法也未能使它运转，但瓦特用来证实自己理论的方法，却似乎是显而易见的。

　　他首先是往冷凝器里倒冷水。只要临时去掉气泵缸上的活塞，就能够做到这一点。然后，他使蒸汽通过一条管子以及与汽缸顶部相连接的管子注入汽缸，里面要排除的空气便从冷凝器顶上一个简单的单向阀泄出。当蒸汽开始从这个阀门喷出时，就表明汽缸里已经充满了蒸汽。于是关闭蒸汽开关，气泵活塞便升起，在冷凝器里造成部分真空。这就使得蒸汽从汽缸进入了冷凝器，并在这里通过冷却，水得到冷凝，这样就在活塞上部的汽缸里造成了真空。由于在蒸汽缸套里处于大气压下的蒸汽是与活塞下面的汽缸相通的，所以必然会把活塞推向汽缸顶部。当蒸汽再次进入汽缸顶部时，活塞两面的压力便均衡了，结果，加在活塞杆上的重压就会使活塞再次返回底部。于是，这种循环就又开始了。

　　显然，这个小模型用这种方式只能运转几个冲程而已，因为冷凝器里的水很快就会变得太热，从而无法使蒸汽有效地冷凝下来。不过这运转几个冲程，就足以向这位欢欣鼓舞的发明家证明：他的设想是行得通的；他使两种看来互相对立的条件一致起来，即既要保持汽缸的恒热，又要在汽缸里造成有效的真空。

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