蘇聯科普作家別萊利曼在《趣味物理學》中講了一個“神仙顯聖”的故事,這裡抄錄如下:古希臘的機械師亞歷山大城的希羅,羅噴水泉的發明人,告訴我們兩個奇妙的方法,是埃及的祭司曾經用來欺騙人民,叫他們相信“神仙顯聖”的。你在下圖上可以看到一隻空心的金屬做的祭壇,下面的地下室裡裝著一個機構,用來啟動這座宙宇的大門。祭壇設在廟門外面。當壇裡燒起火來的時候,下面的空氣受到熱,就要向地下那隻瓶裡的水施加壓力,把瓶裡的水從旁邊一個管子裡壓出來,流到桶裡去,那桶一重就會落下去,帶動一個機構轉動起來,把門開啟。旁觀的人誰也不會想到地下會有特殊的裝置,他們因此就看到了“神仙顯聖”:只要祭壇上燒起火來,廟門就聽從著祭司的禱告”自動打開了…
祭司想出的另外一個騙人的“神仙顯聖”見下圖當祭壇上燒起火之後,膨脹了的空氣就把油從下面的油箱裡壓到兩個祭司雕像內部的管子裡,因此油就會自動加到火上去……但是隻要管理這個祭壇的祭司偷偷地把油箱上的一個塞子拔掉,油就會不再流出(因為空氣受熱以後能夠透過塞孔逃出去)。這一手,是祭司準備碰到吝嗇的祈禱人的時候用的。
這兩個所謂的“神仙顯聖”的故事是古希臘的機械師希羅流傳下來的,在本書第一部分的開始我們便介紹過他。他不但留下了上述兩個幾乎最早的人類利用氣壓原理的機械,而且他本人還發明瞭利用蒸汽反衝原理的玩具希羅球。
希羅球中空,並有四個開口,其中相對的一對分別插入一根直立管子的彎頭,另兩個相對的孔分別插入一根呈L形的管子但需要使出口朝向相反的方向。豎直的兩根管子設在一口封閉鐵鍋的上方並連通鍋內。鍋內盛水,架在支架上。當下方點火時,水沸騰後,蒸汽透過豎直管子到達希羅球內部,並透過兩根L管噴出來,依靠蒸汽的反衝作用,希羅球便能飛快地旋轉起來，這恐怕是人類最早利用蒸汽反衝力的玩具。
一直過了1500多年,到了17世紀,也就是科學史上常說的科學革命時期(參見“延伸閱讀”),人類對氣體的研究才有了實質性的進展。任何受過中學物理學教育的人都能回想起下面幾位17世紀氣體研究的先驅。著名的伽利略很可能受了希羅的啟發,在1613年前後發明了一種空氣溫度計,它是一根下端開口、上端呈泡狀的玻璃管。玻璃泡內有空氣,當溫度上升或下降時,泡內的氣體會隨之膨脹或收縮,這樣豎直玻璃管內的水柱會隨之下降或上升,而豎直玻璃管外附有刻度,從而可以指示溫度。接下來伽利略的學生托里拆(EvangelistaTorricelli,1608—1647)發現了著名的“托里拆利真空”。當時,人們已經發現礦井中的抽水機只能把水提到10米左右高的地方,再也無法上升了。按照古希臘亞里士多德的解釋抽水機能抽水上升是因為“自然界厭惡真空”,所以水上升把真空部分充滿。但是按照這種解釋,水應該可以無限提高才是。1643年,托里拆利拿了一支長約1米的玻璃管,一端封閉,然後盛滿水銀,用拇指堵住開口一端把玻璃管豎直倒置在水銀槽中,結果發現水銀並未從玻璃管中全部流出來,而是留下了76釐米高的水銀柱,在水銀柱的上方便形成了被後人命名的“托里拆利真空”這是人類首次用人工辦法獲得的真空。
托里拆利認識到,玻璃管內水銀柱的高度是由大氣壓對槽內水銀的壓力形成的,水銀柱的高度會隨著當地的大氣壓而改變,是水銀氣壓計發明的理論基礎。托里拆利本能夠在氣體研究上獲得更多的成就可惜他英年早逝,不到40歲就去世了。長江後浪推前浪,科學自有後來人,就在他去世不久,比他小15歲的法國物理學家、哲學家帕斯卡(Blaise Pascal,1623—1662)更嚴格、系統地做了托里拆利的實驗,並且得出了大氣壓隨著高度的增加而減小的結論。
科學革命
通常的科學史書籍中會提到兩次科學革命。第一次科學革命發生在1617世紀,大致從波蘭天文學家哥白尼( Copernicus,1473-1543)1543年發表《天體執行論》開始,到1687年牛頓（IsaacNewton,1642-1727）《,16421727)完成《自然哲學的數學原理》為頂峰。第二次科學革命發生在19世紀末至20世紀初,以量子論的誕生(1900年)、相對論的提出(1905年狹義相對論、1915年廣義相對論)以及量子力學的完成(1927年)為主要標誌。還有一種預設的說法,即如果不提哪一次科學革命,那麼一般指的是牛頓最終完成的那次,即第一次科學革命。
在17世紀科學家對氣體研究的實驗中,若論顛覆人的常識程度,沒有哪一個能與馬德堡半球實驗相比。在物理學史上,馬德堡半球與電學中的萊頓瓶一樣,均源於地名,而非科學家的名字。萊頓是荷蘭的城市,而馬德堡是德國的城市。馬德堡半球實驗是由當時馬德堡的市長、科學家蓋裡克(Otto von Guericke,1602—1686)在1654年5月8日主持進行的。
他首先把兩個銅質半球拼成一個球體,在對接處塗上密封劑,球面上有一活栓,然後用抽氣機把銅球內的空氣抽空。每一半銅球上都設定有環,然後透過馬具每側連線8匹馬同時向兩側拉,結果兩個銅半球始終未能分開。在場圍觀的群眾看得目瞪口呆,他們想不到大氣壓如此之大!其實我們只要簡單地計算一下就可以算出要把直徑約40釐米的兩個銅半球拉開需要的力。讀者應該還記得中學老師告訴我們1平方釐米面積(大約相當於成年人的大拇指蓋那麼大)上承受的大氣壓力大約是1公斤(嚴格說我們應該轉換為力的單位“牛頓”,但公斤對我們更熟悉些,理解起來更方便),直徑為40釐米的半球面上承受的壓力等效於大圓面上的壓力,因此半個球面承受的壓力為:
π×20^2≈1256(公斤)
對一匹壯年的馬而言,其平均拉力在80公斤左右,這樣如果真要拉開馬德堡半球,至少需要大約16匹馬,也就是說還需要再增加一倍的馬匹。
在17世紀的機械技術實踐中,有人仍然徘徊在古希臘希羅的認識水平上一試圖用蒸汽的反衝力作為機械的原動力。下圖是1629年義大利工程師布蘭卡(Giovanni Branca,15711648)設想的一種利用蒸汽做原動力的春搗機(就是碓),左邊火堆上的半身人塑像表示加熱鍋爐,產生的蒸汽透過人嘴吹到中間的臥輪上,然後驅動碓杆上下運動。
這一設想當時並沒有成為現實,但是它可算作汽輪機的最早雛形。對新型原動力的渴求,在當時歐洲有其現實需要,就拿英國紡織業而言,水力驅動的紡紗機和織布機仍然需要依靠河流,這點相對而言束縛了工廠機械化的程序。能不能找到一種不受地理條件限制的原動力呢?
第一位利用蒸汽推動活塞運動的機械是法國物理學家巴本( Denis Papin,1647一約1712)在1690年設計的。下圖中A是汽缸,盛有少量水;B是活塞;H是活塞桿;E是固定活塞桿的物件。當汽缸被加熱時,蒸汽推動活塞B升到高處,然後用E插入到H底部的孔中固定住活塞。L處透過滑輪連線有重物。然後撤掉汽缸下方的火,汽缸冷卻,把E拔掉之後,活塞B迅速下降,從而把重物提升。
在巴本的設計中,汽缸A同時充當了鍋爐和冷凝器的作用。過了幾年,他的確也利用這種蒸汽機驅動了一條船,但再也沒有用到別的地方,因為這種蒸汽機需要反覆把汽缸加熱、冷卻,效率太低。
第一種可以付諸實用的蒸汽機是由英國工程師薩弗裡(1650-1715)發明的。1698年,他申請了第一臺實用蒸汽機的發明專利,在專利書的扉頁上明確寫道:
一種靠火的推力提水和為各種製造廠提供動力的新發明,對於礦井中的排水、城鎮中的供水以及位於既沒有水力也沒有風力地區的各類工廠的運作,都將有極大的用處和效益。
薩弗裡不但是優秀的設計師,還善於推廣、宣傳,1699年6月,他在英國皇家學會成功地進行了展示。1702年,他不但改進了之前的設計,還專門為新的設計出版了一本使用手冊,名字叫《礦業主之友火力提水引擎,附有它在礦井中安裝的方法,以及適合的其他用途,並有對質疑的迴應》。這本說明手冊恐怕是有史以來名字最冗長的機械說明書了,但能說明幾個問題,首先它主要的市場是礦井排水,其次它還有別的用途,最後是這臺新機械在使用中肯定有許多問題,可能是操作上的,抑或是別的什麼擔心。
薩弗裡蒸汽機的基本原理如下圖所示:1是鍋爐,2是水容器,3是閥門,4是待提升的水,5是排水管,6是冷水箱;在2~4、2~5之間各有一單向閥。在圖示這種情況下,把閥門3開啟,鍋爐1內的蒸汽衝到容器2把水透過5排到高處。此時容器2內充滿了蒸汽,然後開啟冷水箱6的閥門,冷凝室迅速冷卻,受大氣壓作用,2~4之間的閥門開啟,水被抽到2中,然後再重複剛才的過程,從而實現把低處的水提升到高處。
這僅是薩弗裡蒸汽機的結構示意圖,他後來實際生產的蒸汽機中,圖中的水容器用了兩個,也就是說一個在充水時,讓另一個排水,從而提高效率。但是薩弗裡蒸汽機在礦井排水方面仍有缺陷,首先礦井中的水進入2依靠的是大氣壓,這導致了蒸汽機的作業平臺不能距離井下水面太高其次,排出去的水透過5可能會需要升很高,這便要求進入容器2內的蒸汽有較大的壓力,或者說需要鍋爐能產生足夠的壓力,否則會有爆炸的危險;此外排出去的水也會帶走一些熱量,造成了能量的浪費。薩弗裡的蒸汽機沒能用多久,到1712年紐可門新型蒸汽機發明時,薩弗裡的蒸汽機已經沒落了。
紐可門(1664-1729)是英國發明家,早年是個小五金商,沒受過多少正規的學校教育,但是家鄉煤礦和錫礦的井下排水問題一直縈繞在他的腦際。他吸收了巴本和薩弗裡蒸汽機的經驗,在1712年製成了一種搖臂式蒸汽機,後被命名為紐可門蒸汽機,下圖是其結構示意圖:1是鍋爐,2是噴水閥,3是噴到汽缸的水,4是汽缸,5是水箱,6是活塞,7是配重,8是搖臂,9是水泵杆,10是樞軸。
首先閥門2關閉,汽缸4右下角的排水管也關閉,鍋爐內的蒸汽進入汽缸4內,在蒸汽推動以及搖臂左側配重7的作用下,活塞6被升至頂端,相應左側的泵杆也伸到礦井最低點。在紐可門蒸汽機中,蒸汽的壓力達到大氣壓即可,而不必像薩弗裡蒸汽機那樣需要很大。當活塞升到頂端時,閥門2開啟,在水箱5水壓的作用下,向汽缸4內噴水,使蒸汽冷凝而產生的真空效應使活塞下降,相應左側的泵杆進行提水。紐可門蒸汽機蒸汽壓力小,沒有薩弗裡蒸氣機那種鍋爐爆炸的危險,而且也不需要建在礦井下。最初的紐可門蒸汽機每分鐘12個衝程,每個衝程能將45升的水提升46米,功率約為5.5馬力,大約相當於11~17匹馬的效率,是薩弗裡蒸汽機的5倍多。這種蒸汽機廣受歡迎,一直廣泛。使用到18世紀末。
什麼是馬力?
學過物理學的讀者應該知道,功率的國際標準單位是瓦(W),這是為了紀念瓦特(1736-1819)而採用的。但最初功率的單位用的是馬力,因為當時用馬做動力很普遍,後來也沿用至今馬力的定義是一匹馬在1分鐘內將75千克重的物體提升60米,按照:功率做功/時間,即:P=W/t=75×9.8×60/60=735(W),也就是說1馬力等於735瓦。但是1馬力並不等於真實情況下一匹馬的效率,因為這是短時間內一匹馬可以達到的效率,長時間連續這樣幹活馬肯定吃不消的。實際情況是,一匹馬的真正功率大概是250~400W左右,即1馬力的1/3~1/2。
紐可門蒸汽機仍存在缺點,其一是熱效率低,其二是隻能做往復直線運動。要發明效率更高、使用範圍更廣的蒸汽機,需要對蒸汽機的結構做重大革新,這一歷史任務是由第一次工業革命的鉅子瓦特完成的。
1736年,瓦特出生於蘇格蘭的港口小城格林諾克。他的父親是一位造船商,母親受過良好教育,因此瓦特小時候並沒有按部就班地入學,而是在家由他母親
指導學習。18歲時,他母親去世,父親的身體也大不如前,瓦特因此到倫敦去學了一年儀器製造,然後又轉到格拉斯哥以製造、維修儀器謀生。1757年,瓦特經朋友介紹,到格拉斯哥大學任職,負責該校的天文和數學儀器製造。
1763年,瓦特在修理格拉斯哥大學一臺紐可門蒸汽機模型時發現這種蒸汽機的熱損耗很大,究其原因就是上面我們提到的蒸汽每次把活塞推到頂端後,噴水冷卻蒸汽得到真空從而使活塞再下降,這一過程中汽缸一會兒冷一會兒熱,這使得燃燒煤所得到的3/4的熱量都用來加熱汽缸。在計算其中熱量的相互轉化中,他已經熟練運用了格拉斯哥大學布萊克教授的“潛熱”理論。
布萊克(1728-1799)當時是格拉斯哥大學的化學教授,他在1757年提出了“潛熱”的概念,也就是說在溫度不變的情況下物質吸收熱量的能力,比如溫度為0度的冰水混合物吸收熱量全部轉化為水,以及蒸汽機中沸騰的水吸熱轉化為水蒸氣。中學物理學中涉及到的比熱問題就是布萊克教授當年“潛熱”研究的成果,可以說他是熱量測定理論的奠基者。布萊克教授是瓦特的好友,瓦特在改進紐可門蒸汽機的過程中,受益於布萊克不少。
1765年5月的一天,瓦特在散步時突發靈感,他意識到在紐可門蒸汽機中,如果蒸汽把活塞推到頂端後,蒸汽不在原汽缸中冷卻,而是把蒸汽匯入到另外一個獨立的容器中冷卻,這樣汽缸就可以保持原來的溫度了,從而可以節省燃料、提高熱效率。這一設想在蒸汽機發展史上具有重大意義,它導致了獨立冷凝器的發明。
當時瓦特並無試製的資金,因此他找到了一位叫羅巴克(《JohnRocbuck,《,1718—1794)的實業家合作。1768年瓦特試製成功了第一臺樣機,並在第二年獲得了專利。下圖是瓦特最初設計的具有獨立冷凝器的蒸汽機。
沒過幾年,糟糕的事情發生了,羅巴克的工廠經營不善,已經自身難保,瓦特只好另找資助者,這次他找到了伯明翰的大實業家博爾頓(1770-1842)。這位博爾頓是位很有文化品味的實業家,對科學技術很感興趣,他和瓦特、普利斯特列(1733-1804,氧氣的發現者)伊拉斯謨斯·達爾文(7311-802,這位達爾文是後來著名生物學家達爾文的祖父)等是當時伯明翰一個名叫“月光社”的科學社團的核心成員。之所以叫“月光社”,是因為他們每逢月圓之夜在一起探討科學技術問題,然後可以趁著月色回家。
在博爾頓的支援下,瓦特又在三方面對獨立冷凝器蒸汽機進行了改進。
首先,他改單作用式蒸汽機為雙作用式蒸汽機。紐可門蒸汽機中的活塞上方是開放式的,這樣在汽缸冷卻時,如果汽缸接近地面,那麼活塞上方最大產生一個大氣壓的壓強。瓦特的改進方案是,把活塞上部封閉,同時在汽缸側壁上留一個通入蒸汽的孔,也就是說在活塞下降的過程中,讓蒸汽也做功,這樣蒸汽機另一側的提升力將會加大,而且活塞連續執行起來更順暢。
其次,前面提到紐可門蒸汽機仍只能做直線往復運動,使得它的使用範圍很窄,只能用在提水、鼓風等領域。但是簡單的曲柄連桿機構當時被另一位發明家在1780年申請了專利,瓦特為避免陷入不必要的糾紛中,憑著其聰明才智另闢蹊徑,在1781年他申請了“行星齒輪”運動機構的專利,這一樣能把活塞桿的直線運動變為軸的旋轉運動,而且他在主軸上還安裝了一個大輪增加了轉動慣量,更有利於旋轉。
行星齒輪運動機構的發明,徹底改變了蒸汽機的命運。這時的蒸汽機不再純粹是一臺提水或者鼓風的工作機,而成了一種原動機,徹底擺脫了水力所受的地域條件的限制,極大地加速了工業革命的程序。1785年,蒸汽機第一次應用在卡特萊特的動力織布機上,然後迅速應用到了冶金、陶瓷、造紙等行業,一發而不可收拾,真可謂“橫掃千軍如卷席,廠廠都用蒸汽機”。有人稱瓦特的蒸汽機為萬能蒸汽機”就是指行星齒輪機構發明之後的蒸汽機而言的。
最後,瓦特在1787年為蒸汽機安裝了一個離心調速器。離心調速器並不是瓦特的發明,因為這種裝置在17世紀一些風力磨坊中就已經應用了,是用於調節磨盤之間間隙的,但是瓦特把它首次引入到蒸汽機中。下圖是離心調速器的結構示意圖,在一根立軸上利用X形架附有兩個鐵球,立軸下方是蒸汽機的輸出軸,立軸上方透過一根槓桿連線到汽缸的進氣閥門。當輸出軸轉動過快時,由於離心力的作用兩個鐵球會向兩側運動(時升高),在X架的作用下,槓桿左端下移,右端自然上升,右端槓桿下方會把進氣閥門關小,輸出軸的轉速自然就降下來了。但是輸出軸轉速又不會降得太低,否則會引起相反的反饋。這樣,利用離心調速器可以把蒸汽機的轉速保持在相對穩定的範圍內。
瓦特改進的蒸汽機,迅速改變了英國的工業體系。到了19世紀初,以蒸汽機為原動力的工廠日益增多,逐漸取代了以水力為動力的工廠,即使在水力資源豐富的蘭開夏郡也是如此。蒸汽機最終改變了世界範圍內的採煤業、冶鐵業、紡織業、機器製造業等等。
1833年德國傳教士郭實臘(Charles Gutzlaff,18031851)在廣州創辦了《東西洋考每月統記傳》,這是在我國境內創辦的第一份中文報刊。在該報1834年5月號上,刊載了一篇介紹瓦特蒸汽機的文章,開頭幾句是:
今在西方各國,最奇巧可羨之事,乃是火蒸水氣所感動之機關者,其勢若大風之無可當也。或用為推船推車,至大之工,不藉風水人力,行走如飛。或用之造成布匹,妙細之業,無不能為,甚為可奇可讚美妙之機也。
從開頭這幾句話中也能感受到編輯的盛讚之情。但是,這篇文章並沒引起什麼反響。第一次鴉片戰爭前後,外國的蒸汽輪船已經進入我國附近海域,1843年,啟蒙思想家魏源在《海國圖志》中也描寫到了國人看到的輪船:
三月初間,忽有火輪船自孟甲喇(注:今譯孟加拉)來火輪船者,中立銅柱,空其內燒煤,上設機關,火焰上即自運動兩旁悉以車輪自轉以行,每一晝夜可行千里,自該處至粵,僅三十七日。據夷人云,道光初年始創造,不能裝貨,以通緊急書信而已,斯一奇也。