文档介绍：自然科学简史论文
蒸汽机的发明对十八世纪工业技术的促进作用瓦特是世界公认的蒸汽机发明家。瓦特改进、发明的蒸汽机,对近代科学和生产有着巨大的贡献,他导致了第一次产业技术革命的兴起,极大的推进了社会的发达程度。
发明背景:17世纪中叶,英国的采矿业发展很快,矿井越挖越深,矿井积水成了大问题。传统落后的蓄力作业排水已经严重阻碍了采矿业的发展,人们迫切需要一种新的高效动力来代替蓄力,蒸汽机就这样应运而生了。
1712年,英国工匠纽可门发明了一种比较实用的蒸汽机,称作纽可门蒸汽机。它采用与汽锅相连的垂直汽缸和活蓄,汽锅中的蒸汽通过一个阀门进入汽缸,推动活塞向上运动,活塞又带动抽水泵将矿井中的水抽出来。整齐充满汽缸后,就从外面浇水时汽缸冷却,形成部分真空,在大气压力的作用下,活塞就向下运动,完成一个循环。由于纽可门蒸汽机坚固耐用,又相当简单,因此很快在英国的矿场得意推广。
1764年,格拉斯哥大学的一台纽可门蒸汽机坏了,让瓦特去修理。这是他的好机会,他成了早就向往研究蒸汽机的瓦特涉足这一技术领域的开始。瓦特修理好机器后发现,机器虽然修好了,但纽可门蒸汽机本身存在着很多问题。他总结了它的两大缺点:一是活塞动作不连续,活塞只能作往复的直线运动,不能做旋转运动,这就是限制了蒸汽机的适用范围:二是蒸汽浪费太大,蒸汽的绝大部分热量没有用来做功,而是消耗在使汽缸的一冷一热上了。瓦特计算了一下,真正产生效用的蒸汽仅有四分之一。
瓦特蒸汽机改进要点:弄清了纽可门蒸汽机存在的问题后,瓦特决定从两个方面来改进机器的效率。首先,蒸汽机活塞的动作必须连续,而且要快。其次,要设法不是汽缸冷却,以避免蒸汽的浪费。在瓦特改进蒸汽机的过程中,布莱克教授的“潜热理论”给了他很大的启发。布莱克在实验室中发现,水沸腾事化为蒸汽,在这个过程中需要吸取一定的热量,但温度正好等于水变为蒸汽所吸取的热量。在此发现的基础上,布莱克提出了“潜热”概念,因为他认为这些未对温度有所贡献的热是潜在的。今天我们知道。所谓“潜热”,实际上就是分子系统的内能。在掌握了“潜热理论”后,瓦特明白了,纽可门蒸汽机效率不高的原因,在于汽缸需要反复受热,在冷却过程后,又要消耗相当一部分蒸汽的热量用于使汽缸升温,这部分热量被白白浪费了。为了提高效率,应该尽可能地保持汽缸的热度,但与此同时,为了让活塞本身运动,必须使汽缸保持真空,而这似乎又必须通过使汽缸冷却来达到。这一两难困境使瓦特陷入了困扰之中。 1765年一个晴朗的星期天,瓦特到风景秀丽的格林公园去散步,他突然想到:既然纽可门蒸汽机的效率低是蒸汽在缸内冷却造成的,那么为什么不能让蒸汽在缸外冷凝呢?
这个灵感立刻让瓦特激动起来,他由此出发,很快产生了采用分离冷凝器的
最初设想。瓦特知道,作为一种具有弹性的气体,蒸汽能迅速膨胀,填补真空,因此在将排汽室抽成真空后,如果在汽缸和排汽室之间有一条通道,那么蒸汽就会涌进这个排汽室里,在那里冷凝而不需要冷却汽缸。
同年,瓦特设计了一种带有分离器的蒸汽机。按照设计,冷凝器与汽缸之间有一个调节阀门相连,使它们既能连通又能分开。这样,既能把做功后的蒸汽引入缸外的冷凝器,又可以使汽缸内产生同样的真空,避免了汽缸在一冷一热过程中热量的消耗。根据瓦特的理论计算,这种新蒸汽机热效率将是纽可门蒸汽机的三倍。
同年,瓦特制造出