瓦特(11)_學達書庫

一一

　　瓦特的第一次試驗是用一把水壺，從壺嘴上接一根管子，通進一個帶刻度的並盛有冷水的燒瓶裡。然後，他把水壺裡的水燒開，直到燒瓶裡的水的溫度達到沸點，此時就再也沒有一點蒸汽會冷凝了。他注意到燒瓶裡的水的數量已增加了1/6，這便是蒸汽冷凝下來的水。由此他做出了正確的推算：如果要把水變成蒸汽，那麼在水達到沸點時，它就能比原來它本身的體積增加6倍。然後，他又把這一結果轉換成溫度的形式，他的辦法是把1克水從零攝氏度提高到100攝氏度所需要的熱量，作為100個熱量單位。試驗開始的時候，燒瓶裡冷水的溫度是11攝氏度，因此要把這1克水的溫度提高到沸點，就需要89個熱量單位。然而，這項試驗卻表明：從水壺裡出來的蒸汽，能夠將與其等量水的溫度提高到沸點，並使其體積增加6倍，其結果是所耗費的熱量單位為534個。瓦特無法對這一現象做出解釋。接下去所發生的情況，最好用他自己的話來加以說明：

　　由於對這一異乎尋常的事實感到十分驚疑和不理解其原因，我便向我的朋友布萊克博士提起此事，他於是對我解釋了他的潛熱理論，這一理論他在此以前就已講授過一些時候了；但是由於我自己一直在忙於謀求生意，因此，當我無意中發現了一個用絕妙的理論加以證實的無可辯駁的事實時，即使是我以前對它就有所聞，我也是不會去重視它的。

　　正如布萊克對瓦特解釋的那樣，當水沸騰並轉變成蒸汽的過程中，儘管溫度不再進一步升高，但卻繼續吸收熱量。當蒸汽冷凝時，這部分熱量就會被釋放出來，正是這一結果，曾使瓦特感到迷惑不解。實際上，他們倆得出的結論是相同的，只是通過的途徑不同而已。瓦特所取得的534個熱量單位這一數字（注：當今蒸汽潛熱的精確數字為537個熱量單位），正是布萊克所說的蒸汽的潛熱。布萊克對於他的結論能被別人用這種實際的方法加以證實，自然感到喜悅，因此，他以極大的興趣關注著瓦特試驗的進展，並且給了他很多幫助和指點。羅比森回到大學後，他也同樣滿腔熱忱地鼓勵瓦特進行試驗。

　　一旦瓦特掌握了關於潛熱的理論，紐科門式發動機效率低的癥結也就迎刃而解了，並且這對他後來的所有試驗工作都起著指導的作用。他終於知道了在汽缸交替加熱和冷卻的過程中，損失掉的熱量到底有多少；通過試驗還發現，對進汽和注水做再多的調整，都無法彌補這一基本缺陷。他曾利用了幾個星期的時間，為此絞盡腦汁，也沒有能夠解決這一矛盾，即從效率考慮，應該盡可能地保持汽缸的熱度，而為了造成真空，似乎又必須使汽缸冷卻。

　　他對於擺脫這一進退兩難困境的途徑的發現，正是他最著名的一項創舉。瓦特在晚年曾對格拉斯哥的一位工程師羅伯特。哈特確切地講述了這一發現的由來。

　　瓦特想到解決的辦法，是在偶然的機會裡，他是在一個星期天下午散步時產生的靈感。

　　那是一個美麗的四處漫溢草香的1765年5月。和風徐來，吹動格拉斯哥草地上的低矮叢林。這是一塊河邊的廣闊草地，羊群在這兒啃食青草。洗衣婦們都在這兒曬床單。工作之餘，大家也都來這兒沿著河岸散步，並且享受新鮮的空氣。由於蘇格蘭嚴格規定星期天不准工作，於是瓦特會穿上他星期天的最佳行頭，離開他的工作臺，和其他人一樣，來到河邊草地呼吸新鮮空氣。

　　他這時已經成家了。這天下午，他的太太待在家裡。瓦特一個人出門。

　　他一面深思，一面經過洗衣婦的屋子，以及牧羊人住的屋子。

　　突然之間，他想到了這個謎底的答案。

　　瓦特說：「那是在格拉斯哥的格林公園裡發生的事情。在一個晴朗的安息日下午，我出去散步。我走過那家老洗衣房，然後又通過夏洛特街盡頭的大門，進入了這個公園。當時，我正思考著那台發動機的問題。當走到赫德劇場時，有一個想法浮現在我的腦海裡：由於蒸汽是一種具有彈性的物體，因此，凡是有真空的地方，它就無孔不入；如果在汽缸和排氣室之間有一條通道的話，那麼蒸汽就會湧進這個排汽室裡，並且可能在那裡冷凝而不需要冷卻汽缸。然後我又領會到，如果我使用一個像紐科門式的發動機上的那種噴嘴，我就准能解決冷凝蒸汽和注水的問題。為了做到這一點，我想到了兩條途徑，其一，如果能製成一條向下延伸三十五六英尺長的排水管，那麼水就可以從這條管道流走，而所有的空氣則可由一個小氣泵抽出；其二，製造一個大到足以把水和空氣一起抽走的泵……當我還未走過高爾夫球場的時候，對這件事情的整個安排便已經胸有成竹了。」

　　瓦特的這一重大構思就這樣形成了，他急得手指發癢，躍躍欲試，想先搞出模型來，可是出於對蘇格蘭安息日的考慮，他不能馬上就到他那個靠近牛肉市場盡頭的一個小院中的小作坊裡去。這個小作坊就是他當時（1765年5月）進行試驗工作的地方。但是，就在第二天，他便開始動手製造了一個裝置，儘管這個裝置設計簡單、製作粗糙，但卻能夠使他對他的新理論進行檢驗。現在同瓦特的其他的一些模型一起保存在科學博物館裡的這個裝置，被認為是分離式冷凝器原理的第一次歷史性的應用。按照傳統的做法，這台裝置歸科學博物館所有是理所當然的。它是由伯明翰的詹姆斯·瓦特公司於1876年贈給科學博物館的。由於這正是我們所期望的，因此看來也就沒有理由去懷疑它的真實性了。這個裝置是由三個直立排列的圓筒狀主要部件組成的。首先是一個裝有保溫套的封閉式蒸汽汽缸，另外還配有一個活塞和一個活塞杆，這個活塞杆的下端通過一個填料函伸出來，頭上帶有一個掛鉤，用來提升供試驗的重物。這個汽缸的旁邊是冷凝器部件和氣泵筒，這兩個部件在其底部，由一個作為冷凝器一部分的長方形水箱把它們連接在一起。雖然，這台小模型肯定在某個時候損壞過，並且修理時所用的方法也未能使它運轉，但瓦特用來證實自己理論的方法，卻似乎是顯而易見的。

　　他首先是往冷凝器裡倒冷水。只要臨時去掉氣泵缸上的活塞，就能夠做到這一點。然後，他使蒸汽通過一條管子以及與汽缸頂部相連接的管子注入汽缸，裡面要排除的空氣便從冷凝器頂上一個簡單的單向閥泄出。當蒸汽開始從這個閥門噴出時，就表明汽缸裡已經充滿了蒸汽。於是關閉蒸汽開關，氣泵活塞便升起，在冷凝器裡造成部分真空。這就使得蒸汽從汽缸進入了冷凝器，並在這裡通過冷卻，水得到冷凝，這樣就在活塞上部的汽缸裡造成了真空。由於在蒸汽缸套裡處於大氣壓下的蒸汽是與活塞下面的汽缸相通的，所以必然會把活塞推向汽缸頂部。當蒸汽再次進入汽缸頂部時，活塞兩面的壓力便均衡了，結果，加在活塞杆上的重壓就會使活塞再次返回底部。於是，這種循環就又開始了。

　　顯然，這個小模型用這種方式只能運轉幾個衝程而已，因為冷凝器裡的水很快就會變得太熱，從而無法使蒸汽有效地冷凝下來。不過這運轉幾個衝程，就足以向這位歡欣鼓舞的發明家證明：他的設想是行得通的；他使兩種看來互相對立的條件一致起來，即既要保持汽缸的恒熱，又要在汽缸裡造成有效的真空。

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