蒸汽機的發(fā)明和普遍使用,給人們的生活帶來了哪些方便?

【專家解說】：">　　世界上第一臺蒸汽機是由古希臘數學家亞歷山大港的希羅（Hero of Alexandria）于1世紀發(fā)明的汽轉球（Aeolipile），不過它只不過是一個玩具而已。 約1679年法國物理學家丹尼斯·巴本在觀察蒸汽逃離他的高壓鍋后制造了第一臺蒸汽機的工作模型。約與此同時薩繆爾·莫蘭也提出了蒸汽機
　　[詹姆斯·瓦特]

　　詹姆斯·瓦特
　　的主意。1698年托馬斯·塞維利、1712年托馬斯·紐科門和1769年詹姆斯·瓦特制造了早期的工業(yè)蒸汽機，他們對蒸汽機的發(fā)展都做出了自己的貢獻。1807年羅伯特·富爾頓第一個成功地用蒸汽機來驅動輪船。瓦特并不是蒸汽機的發(fā)明者，在他之前，早就出現(xiàn)了蒸汽機，即紐科門蒸汽機，但它的耗煤量大、效率低。瓦特運用科學理論，逐漸發(fā)現(xiàn)了這種蒸汽機的毛病所在。從1765年到1790年，他進行了一系列發(fā)明，比如分離式冷凝器、汽缸外設置絕熱層、用油潤滑活塞、行星式齒輪、平行運動連桿機構、離心式調速器、節(jié)氣閥、壓力計等等，使蒸汽機的效率提高到原來紐科門機的3倍多，最終發(fā)明出了現(xiàn)代意義上的蒸汽機。
　　16世紀末到17世紀后期，英國的采礦業(yè)，特別是煤礦，已發(fā)展到相當的規(guī)模，單靠人力、畜力已難以滿足排除礦井地下水的要求，而現(xiàn)場又有豐富而廉價的煤作為燃料。現(xiàn)實的需要促使許多人，如英國的帕潘、薩弗里、紐科門等就致力于“以火力提水”的探索和試驗。
　　最初的真空蒸汽機被用來將礦井里的水抽出來。紐科門的蒸汽機將蒸汽引入氣缸后閥門被關閉，然后冷水被撒入汽缸，蒸汽凝結時造成真空?；钊硪幻娴目諝鈮毫ν苿踊钊Ｔ诘V井中聯(lián)結一根深入豎井的桿來驅動一個泵。蒸汽機活塞的運動通過這根桿傳到泵的活塞來將水抽到井外。
　　第一個巨大的改善是將氣缸與凝結缸通過一個閥門分開。瓦特在伯明翰發(fā)明了這個改進。這個改進提高了蒸汽機的效率。下一個改進是將閥門的操作自動化。
　　這些早期的真空蒸汽機的效率有限，但它們比較安全，因為它們的壓力比較低，在物質發(fā)生損壞的情況下機器向內收縮，而不是向外爆炸。它們的效率受外部氣壓、氣缸變形、燃燒和沸騰的效率和凝結能力的限制。理論最高效率受水在普通大氣壓下比較低的沸騰溫度限制。使用高溫高壓的蒸汽為蒸汽機的效率帶來了巨大的提高。但這種蒸汽機比真空蒸汽機危險得多。鍋爐和機器的爆炸造成了許多大事故。安全閥在這里帶來了很大的改進，在壓力過高的情況下安全閥放氣減壓。但真正保證安全只有依靠建造、運行和維護的經驗和安全規(guī)則。
　　薩弗里制成的世界上第一臺實用的蒸汽提水機，在1698年取得標名為“礦工之友”的英國專利。他將一個蛋形容器先充滿蒸汽，然后關閉進汽閥，在容器外噴淋冷水使容器內蒸汽冷凝而形成真空。打開進水閥，礦井底的水受大氣壓力作用經進水管吸入容器中；關閉進水閥，重開進汽閥，靠蒸汽壓力將容器中的水經排水閥壓出。待容器中的水被排空而充滿蒸汽時，關閉進汽閥和排水閥，重新噴水使蒸汽冷凝。如此反復循環(huán)，用兩個蛋形容器交替工作，可連續(xù)排水。
　　薩弗里的提水機依靠真空的吸力汲水，汲水深度不能超過六米。為了從幾十米深的礦井汲水，須將提水機裝在礦井深處，用較高的蒸汽壓力才能將水壓到地面上，這在當時無疑是困難而又危險的。
　　紐可門及其助手卡利在1705年發(fā)明了大氣式蒸汽機，用以驅動獨立的提水泵，被稱為紐科門大氣式蒸汽機。這種蒸汽機先在英國，后來在歐洲大陸得到迅速推廣，它的改型產品直到19世紀初還在制造。紐科門大氣式蒸汽機的熱效率很低，這主要是由于蒸汽進入汽缸時，在剛被水冷卻過的汽缸壁上冷凝而損失掉大量熱量，只在煤價低廉的產煤區(qū)才得到推廣。
　　[蒸汽機火車頭]

　　蒸汽機火車頭
　　1764年，英國的儀器修理工詹姆斯·瓦特為格拉斯哥大學修理紐可門蒸汽機模型時，注意到了這一缺點，并于1765年發(fā)明了設有與汽缸壁分開的凝汽器的蒸汽機，并于1769年取得了英國的專利。初期的瓦特蒸汽機仍用平衡杠桿和拉桿機構來驅動提水泵，為了從凝汽器中抽除凝結水和空氣，瓦特裝設了抽氣泵。他還在汽缸外壁加裝夾層，用蒸汽加熱汽缸壁，以減少冷凝損失。
　　瓦特的創(chuàng)造性工作使蒸汽機迅速地發(fā)展，他使原來只能提水的機械，成為了可以普遍應用的蒸汽機，并使蒸汽機的熱效率成倍提高，煤耗大大下降。因此瓦特是蒸汽機的改良者。
　　自18世紀晚期起，蒸汽機不僅在采礦業(yè)中得到廣泛應用，在冶煉、紡織、機器制造等行業(yè)中也都獲得迅速推廣。它使英國的紡織品產量在20多年內(從1766年到1789年)增長了5倍，為市場提供了大量消費商品，加速了資金的積累，并對運輸業(yè)提出了迫切要求。
　　在船舶上采用蒸汽機作為推進動力的實驗始于1776年,經過不斷改進，至1807年，美國的富爾頓制成了第一艘實用的明輪推進的蒸汽機船“克萊蒙”號。此后，蒸汽機在船舶上作為推進動力歷百余年之久。
　　1800年，英國的特里維西克設計了可安裝在較大車體上的高壓蒸汽機。1803年，他把它用來推動在一條環(huán)形軌道上開動的機車，找來喜歡新奇玩意兒的人乘坐，向他們收費，這就是機車的雛型。英國的史蒂芬孫將機車不斷改進，于1829年創(chuàng)造了“火箭”號蒸汽機車，該機車拖帶一節(jié)載有30位乘客的車廂，時速達46公里/時，引起了各國的重視，開創(chuàng)了鐵路時代。
　　19世紀末，隨著電力應用的興起，蒸汽機曾一度作為電站中的主要動力機械。1900年，美國紐約曾有單機功率達五兆瓦的蒸汽機電站。
　　蒸汽機的發(fā)展在20世紀初達到了頂峰。它具有恒扭矩、可變速、可逆轉、運行可靠、制造和維修方便等優(yōu)點，因此曾被廣泛用于電站、工廠、機車和船舶等各個領域中，特別在軍艦上成了當時唯一的原動機。
　　需要特別注意的是，許多教科書上（歷史書、物理書）說瓦特是蒸汽機的發(fā)明者。這是誤傳。蒸汽機是英國人薩維利（Savery）于1698年、紐可門（Newcomen）于1705年各自獨立發(fā)明的，用于礦井抽水。當時效率很低。1765年，瓦特在修理紐可門機的基礎上，對蒸汽機做了重大改進，使冷凝器與汽缸分離，發(fā)明曲軸和齒輪傳動以及離心調速器等，使蒸汽機實現(xiàn)了現(xiàn)代化，大大提高了蒸汽機的效率。瓦特的這些發(fā)明，仍使用在現(xiàn)代蒸汽機中，為紀念瓦特的貢獻，功率的單位名稱以其姓氏命名。（《物理學（第五版）》）