科学家瓦特是如何发明蒸汽机的。

瓦特(1736-1819)

瓦特被认为是世界上蒸汽机的发明者。他的创造精神、超人的才华和不懈的研究为后人留下了宝贵的精神和物质财富。瓦特改进发明的蒸汽机是对现代科学和生产的一大贡献，具有划时代的意义。导致了第一次工业技术革命的兴起，极大地推动了社会生产力的发展。

1736年，瓦特出生在英国苏格兰格拉斯哥附近的小镇格里诺克。他的父亲是一个经验丰富的木匠，他的祖父和叔叔都是机械工匠。十几岁时，由于家庭贫困和体弱多病，瓦特没有接受过完整的正规教育。他曾在格里诺克的一所文法学校学习，数学成绩优异，但没毕业就辍学了。但在父母的引导下，他一直坚持自学，很早就对物理和数学产生了兴趣。瓦特六岁开始学习几何，到他十五岁时，他已经完成了《物理原理》等书籍。他经常自己修理和制作起重机、滑轮和一些导航设备。1753年，瓦特去格拉斯哥当学徒。由于收入太低，无法维持生活，第二年他去了伦敦的一家乐器修理店当学徒。凭着他的努力，他很快学会了制造那些困难的仪器。但艰苦的工作和生活损害了他的健康，一年后，他不得不回家休养。一年的学徒生涯让他吃了不少苦头，也让他练就了精湛的手艺，培养了坚韧的性格。

1756年，在健康状况略有好转的情况下，瓦特再次踏上了前往格拉斯哥的坎坷之路。他想成为一名制造仪器的工人，但因为手艺不全，当时的行会不允许。幸运的是，瓦特的才华引起了格拉斯哥大学科特教授的注意。在他的介绍下，瓦特进入格拉斯哥大学当教学仪器工人。这所学校拥有当时较为完备的仪器设备，使瓦特在修理仪器时了解了先进技术，开阔了视野。这时，他对蒸汽动力机械产生了兴趣，开始收集相关资料，并为此学习了意大利语和德语。在大学里，他遇到了化学家约瑟夫·布莱克和约翰·罗宾逊。瓦特从他们那里学到了很多科学和理论知识。1764年，瓦特和他的表妹玛格丽特·米勒结婚了。

1764年，学校让瓦特修理一台纽盖特蒸汽机。在修理过程中，瓦特熟悉了蒸汽机的结构和原理，发现了这种蒸汽机的两大缺点:活塞动作不连续且缓慢；蒸汽利用率低，浪费原材料。后来，瓦特开始思考改进的方法。直到1765年春天，在一次散步中，瓦特想到，既然纽科门蒸汽机热效率低是由汽缸内的蒸汽凝结造成的，为什么不让蒸汽在汽缸外凝结呢？瓦特想出了使用独立冷凝器的最初想法。

产生这个想法后，瓦特在同年设计了一台带有独立冷凝器的蒸汽机。根据设计，冷凝器和气缸之间有一个调节阀，这样它们可以连接和分离。这样作功后的蒸汽就可以引入缸外的冷凝器，在缸内产生同样的真空，从而避免了缸在冷却和加热过程中的热量消耗。根据瓦特的理论，这种新型蒸汽机的热效率将是纽科门蒸汽机的三倍。从理论上讲，瓦特的带分离器冷凝器的蒸汽机明显优于纽科门的蒸汽机。但是，把理论的东西变成实际的东西，把图纸上的蒸汽机变成真正的蒸汽机，还有很长的路要走。瓦特辛辛苦苦造了几台蒸汽机，效果都不如纽科门的蒸汽机，甚至到处漏风，无法启动。尽管昂贵的实验使他负债累累，但他在困难面前没有退缩，继续进行实验。当布莱克知道瓦特的目标和困难处境后，他把瓦特介绍给了一个非常富有的朋友——化学技师罗巴克。那时，罗巴克是一个非常富有的企业家。他在苏格兰的卡隆开办了第一家大型炼铁厂。尽管那时罗巴克已年近50，但他仍然对科技新发明充满热情。他对当时才三十多岁的瓦特的新装置非常赞赏，当即与瓦特签约，赞助瓦特试制新蒸汽机。

从1766开始，在三年多的时间里，瓦特克服了材料和工艺上的困难，终于在1769做出了第一台样机。同年，瓦特因发明冷凝器而获得了他在革新纽科门蒸汽机过程中的第一项专利。虽然第一台带冷凝器的蒸汽机试制成功，但与纽科门蒸汽机相比，除了热效率得到显著提高外，在作为动力机器带动其他工作机器的性能方面并没有实质性的进步。也就是说，瓦特的蒸汽机仍然不能作为真正的动力机。

因为瓦特的蒸汽机还不理想，市场不广。当瓦特继续探索的时候，罗巴克自己也濒临破产，他把瓦特介绍给了他的朋友、工程师兼企业家博尔顿，这样瓦特就可以得到赞助继续他的研发。博尔顿四十多岁时是一名能干的工程师和企业家。他对瓦特的创新精神表示赞赏，并愿意赞助瓦特。博尔顿经常参加社交活动，他是当时伯明翰著名科学社团“满月社”的主要成员之一。这个社团的大部分参与者都是当地的科学家、工程师、学者和科学爱好者。经过博尔顿的介绍，瓦特也加入了满月社。在满月社的活动中，瓦特更多地了解了当时人们关注的气体化学和热化学，为他后来参与水的化学成分的争论奠定了基础。更重要的是，满月社的活动使瓦特进一步增长了科学知识，活跃了他的科学思想。

瓦特自与波顿合作以来，在资金、设备、材料等方面都得到了大力支持。瓦特还生产了两台带有独立冷凝器的蒸汽机，但这两台蒸汽机因为没有显著的改进而没有得到社会的重视。这两台蒸汽机耗资巨大，以至于博尔顿濒临破产，但他仍然慷慨资助瓦特。在他的支持下，瓦特坚持不懈地继续他的研究。自从1769年试制出带分离式冷凝器的蒸汽机样机后，瓦特就看出热效率低并不是他的蒸汽机的主要缺点，而根本的局限性在于活塞只能做往复直线运动。1781年，瓦特还在参加满月社的活动。也许在聚会上，成员们提到了当年天文学家赫歇尔发现的天王星和行星围绕太阳的圆周运动启发了他。也许是钟里齿轮的圆周运动给了他灵感。他想到，通过把活塞的往复直线运动转变为圆周旋转运动，可以把动力传递给任何工作机器。同年，他又研制出一套名为“太阳与行星”的齿轮联动装置，最终将活塞的往复直线运动转化为齿轮的旋转运动。为了增加车轴旋转轴的惯性，使圆周运动更加均匀，瓦特还在车轴上安装了一个火飞轮。由于对传统机制的这一伟大创新，瓦特的蒸汽机真正成为了可以驱动一切的动力机。1781年底，瓦特获得了发明齿轮拉杆机械联动装置的第二项专利。

因为这种蒸汽机装有车轴和飞轮，所以在将活塞的往复直线运动转化为车轴的旋转运动时，蒸汽机消耗了大量的能量。这样蒸汽机的效率不是很高，功率也不是很大。为了进一步提高蒸汽机的效率，增加蒸汽机的效率，瓦特在发明了齿轮联动装置后，对汽缸本身进行了研究。他发现，虽然他把纽科门蒸汽机的内冷凝改为外冷凝，蒸汽机的热效率显著提高，但他的蒸汽机中蒸汽驱动活塞的冲程过程与纽科门蒸汽机并无不同。两种蒸汽都是单一运动，从一端进入，从另一端出来。他想，如果蒸汽能从两端进出，就能推动活塞上下运动。那么，他的效率可以翻倍。在1782中，瓦特根据这一想法开发了一种带有双向装置的新圆柱体。由此，瓦特获得了他的第三项专利。将原来的单缸装置改造成双向缸，引入缸内的蒸汽首次由低压蒸汽变为高压蒸汽。这是瓦特在改进纽科门蒸汽机过程中的第三次飞跃。通过这三次技术飞跃，纽科门蒸汽机完全演变成了瓦特蒸汽机。

从最初接触蒸汽技术到瓦特蒸汽机的研制成功，瓦特走过了20多年的艰难历程。瓦特虽然多次受挫失败，但仍锲而不舍，锲而不舍，最终完成了纽科门蒸汽机的三大革新。蒸汽机已被广泛应用，并成为改造世界的动力。

1784年，瓦特在用飞轮、齿轮连杆和双向装置综合组装高压蒸汽机改造纽科门蒸汽机的过程中获得了他的第四项专利。1788年，瓦特发明了离心调速器和节流阀；1790年，他发明了汽缸指示器，瓦特完成了蒸汽机发明的全过程。

1785年，瓦特当选为皇家学会会员。1814年被法国科学家学会接纳为外籍会员。

1790之后，丰厚的专利税让瓦特成了非常有钱的名人。1865438+2009年8月5日，瓦特在希斯菲尔德郡的家中去世，遗体被安葬在汉沃思郊区的一座教堂里。

瓦特生活在18、19世纪的英国，因此他不可避免地具有时代和阶级的局限性。他曾经阻挠过双筒蒸汽机和高压蒸汽机的发明和普及，也嘲笑过别人用蒸汽机驱动车辆的努力。

瓦特为蒸汽机的普及和使用做出了不可磨灭的重要贡献，有力地推动了社会的进步。恩格斯在《自然辩证法》中写道:“蒸汽机是第一个真正的国际性发明...瓦特加了一个单独的冷凝器，使蒸汽机在原理上达到了现在的水平。”为了纪念这位伟大的发明家，后人把功率的单位定为“瓦特”。