改良蒸汽機的瓦特誕辰｜科學史上的今天：1/19

2015/01/19 |

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瓦特？啊不就他小時候看到燒開水的水壺蓋子被蒸氣掀起，因此得到靈感而發明蒸汽機。錯！他既沒有因此得到靈感，蒸汽機也早就有人發明了，瓦特只是「做了一個改良的動作」。不過這個改良卻造成很大的差別，為工業革命揭開了序幕。

詹姆斯·瓦特。圖片來源：wikimedia

出生於蘇格蘭的瓦特自小體弱多病，直到中年仍常受頭痛之苦。他十八歲時先到倫敦當了一年學徒，學會製造儀器後回到蘇格蘭，打算在母親的故鄉格拉斯哥（Glasgow）開店營業，卻因未依規定做滿七年學徒而資格不符，無法開店。幸而格拉斯哥大學剛進了一批天文儀器，因運送路程顛簸，多已無法正常運作，需要有人調整修理。於是瓦特在 1757 年進駐格拉斯哥大學開始修復的工作，並得以在校園內開個小店。他也結識了發現二氧化碳的布拉克（Joseph Black）教授與經濟學大師亞當・史密斯。

布拉克教了瓦特物理理論和實驗方法，還在念數學與機械的大學生羅賓遜（John Robinson）則特別鼓勵他研究蒸汽機。1763 年，格拉斯哥大學請他修理一台紐科門（Newcomen）蒸汽機的模型，開啟了瓦特投入蒸汽機的研究之路。當時紐科門蒸汽機問世五十年以來從未改變，除了替礦坑抽水之外別無用途。瓦特研究後發現它的致命缺陷：蒸氣進入汽缸將活塞往上推後，必須等蒸氣自然冷卻，活塞才會往下掉，再繼續循環。如此不但活塞動作間斷緩慢，蒸氣熱能有四分之三都浪費掉了。

瓦特花了兩年時間才想出解決之道：另建一個獨立的冷凝器與汽缸連接，活塞因重力往下掉時可以將蒸汽排往冷凝器，如此可以讓汽缸始終是熱的，活塞就能不間斷地上下運動。瓦特用模型試驗確實可行，但要建造一台真正的蒸汽機需要大量的經費，布拉克幫他找了出資人，但受限於當時的工匠技術，建造過程屢屢失敗，出資人資金有限，瓦特有八年的時間還得兼差當測量員才能維持下去。所幸有新的金主接手，才終於在 1776 年成功造出第一台可商業運轉的新型蒸汽機。在合夥人的建議之下，瓦特繼續研究改進，讓原本只能做返復直線運動的蒸汽機也能作圓周運動，跨大了蒸汽機的應用範圍；並發明雙向汽缸，大幅提升效率。

瓦特雖然不是最早發明蒸汽機的人，但因為他的改良，蒸汽機才能改變生產方式，提升生產效率；也才有蒸汽火車與輪船的發明，降低運輸成本、縮短世界距離，人類才得以進入工業時代。不過從瓦特的故事也可看出創新絕非單憑一人之力就能成功，其中所涉及學界的協助、資金的挹注、技術的配合，乃至專利的保障（但相對的，瓦特後來也用專利打壓他人），至今仍值得我們深思。