改良蒸汽機的瓦特誕辰|科學史上的今天:1/19

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/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。

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

 

 


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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。

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