全速前进:从托马斯·纽科门到詹姆斯·瓦特

在科技主题的2021年冬季版Lapham的季度在杂志上，作家西蒙·温彻斯特指出了他所谓的“一个可以证明的和不可分割的事实:水加热到沸点后会变成气态，即蒸汽，它的体积足足是液体的1700倍”。

温彻斯特所说的“可证明的和不可否认的事实”不可避免地引出了詹姆斯·瓦特，这位苏格兰发明家和机械工程师于1736年1月18日出生在格拉斯哥附近的格里诺克。一个文章在BBC历史网站上，瓦特被描述为“因他在蒸汽机技术上的进步而闻名”。

温彻斯特补充道:“因此，工业革命完全归功于瓦特:在近两个世纪的时间里，没有比他的发动机及其无数衍生品更具有开创性的发明了。”

瓦特是一位革新者，他发现了以前蒸汽动力发动机的缺陷，并提出了至关重要的改进。在他之前，曾有过几次构建有效机器的尝试。特别是由托马斯·纽科门(Thomas纽科门)在18世纪早期在英国开发的一种，它被广泛用于驱动水泵从矿井中抽水，这是18世纪工业面临的最大挑战之一。

1763年，被格拉斯哥大学聘为精密工具和仪器制造商的瓦特被要求检查一台纽科门发动机。美国密歇根州立大学工程学院的副教授Carl Lira说，这些都是“极其低效”的耗能机器。

到1765年，瓦特提出了他的“突破性发展”，尽管“他花了11年的时间才看到设备的实际应用，”里拉说。

1664年2月28日，纽科门出生于英国达特茅斯。他的父亲是一个商人和船主，托马斯成为了一个铁匠和铁工人。

一个2012文章美国工程教育协会(ASEE)发表的《纽科门在1712年成功制造了第一台蒸汽机，“从1712年到19世纪20年代，他的设计被大量制造，并一直使用到大约1930年”。

ASEE表示，纽科门“是第一个根据之前工程师和科学家的原理和设计开发出可工作的蒸汽机的人，特别是丹尼斯·帕潘(Denis Papin)演示的蒸汽活塞缸装置，但从未商业化”。帕潘出生于1647年8月22日的法国发明家。

纽科门与水管工兼玻璃工约翰·卡利(John Calley)合作，花了7年时间才开发出一台正常工作的发动机。它于1712年安装在英格兰西米德兰兹郡的Coneygree煤厂，用于从矿井中抽水。

ASEE表示，这种发动机“尤其是在它最初的形式下，效率非常低，但却能够从以前无法到达的深度泵出大量的水”。据报道，一些纽科门发动机是从地下300多米的矿井中抽水的。

Lira说，蒸汽发电的一个基本原理是“水蒸气的凝结可以产生真空”。

他说，纽科门的机器“被称为‘大气’发动机，因为使用的最大蒸汽压力接近大气压力”。

ASEE解释说，发动机的基本配置“包括三个主要部分:蒸汽活塞和汽缸，一个摆动梁和往复水泵。活塞和汽缸通过冷凝蒸汽提供动力，在汽缸中产生真空。活塞顶部的大气压力使活塞运动。摇杆用来将动力从活塞转移到水泵，水泵从矿井里抽水。”

加拿大安大略省尼亚加拉学院的教授马克·塞勒(Mark Csele)写过有关技术史的文章，他描述后来的一台纽科门机器“输出功率约为14.9千瓦(2HP)，运转速度为每分钟14冲程(因此活塞每4秒循环一次——相对于发动机的重量来说相当快了。”它有一个28英寸(71厘米)的气缸孔和72英寸(182厘米)的冲程。”

里拉说，当瓦特检查纽科门发动机时，他“意识到需要多少能量”来运行它。“汽缸反复加热和冷却，浪费了能量来重新加热钢材，也造成了很大的热应力。”

瓦特的关键发展是在发动机上增加了一个独立的冷凝器，里拉说。“瓦特发动机和纽科门发动机一样，是根据活塞一侧的真空产生的压差原理来推动蒸汽活塞向下。然而，瓦特的蒸汽汽缸始终保持高温。阀门允许蒸汽流入一个单独的冷凝器，然后冷凝液与任何气体一起使用气泵泵。

“纽科门发动机是60年来最好的技术!一些纽科门发动机的使用时间要长得多，尽管它们明显不如后来的瓦特发动机。”

1729年8月5日，纽科门在伦敦去世。英国伯明翰附近的黑人乡村生活博物馆展出了他1712年发动机的全尺寸复制品。