在工业革命的浪潮中，詹姆斯·瓦特以其在蒸汽动力方面的突破性进展，成为继纽科门之后的关键人物。瓦特的创造性和科学才华为蒸汽机的效率和机械设计带来了根本性的改进，他的贡献不仅推动了工业革命，也为现代工业的发展奠定了基础。

早期工作和发现

詹姆斯·瓦特，是英国苏格兰格林诺克的一个木匠技师和造船工人的儿子。他的母亲阿格妮丝·穆黑德出身贵族，受过良好教育，瓦特从小体弱，教育主要依靠母亲在家进行，展现出了出色的动手能力和数学天赋。

瓦特17岁时，母亲去世，父亲的生意开始走下坡路。为了生计，瓦特前往伦敦的一家仪表修理厂做了一年的徒工，随后回到苏格兰格拉斯哥，希望开设自己的修理店，但因未满七年徒工要求而被拒绝。1755年，瓦特离开苏格兰前往伦敦寻求仪器制造匠的培训，并被康西尔的约翰·摩根所接纳。

1757年，格拉斯哥大学的教授为瓦特提供了一个机会，让他在大学里开设了一间小修理店，这帮助瓦特走出了困境。同年，瓦特被格拉斯哥大学任命为“数学仪器制造师”，并在校园里安排了一个车间。在这段时间里，瓦特结识了物理学家与化学家约瑟夫·布莱克，布莱克成为了瓦特的朋友与导师。

瓦特的小店开业5年后，在朋友罗宾逊教授的引导下，瓦特开始了对蒸汽机的实验。尽管瓦特此前未曾亲眼见过一台可以运转的蒸汽机，但他开始建造自己的蒸汽机模型。初步的实验失败了，但他坚持继续实验并且阅读了所有他能找到的有关蒸汽机的材料，独立地发现了潜热的重要性（尽管这在好几年前就被布莱克教授发现了，但瓦特当时并不知情)。

在修理一台属于格拉斯哥大学的纽科门蒸汽机模型时，瓦特发现其效率极低，主要原因是汽缸冷却和蒸汽的潜热现象。纽科门蒸汽机的热效率很低，主要是因为蒸汽进入汽缸时，在刚被水冷却过的汽缸壁上冷凝而损失掉大量热量。

瓦特运用科学理论，逐渐发现了这种蒸汽机的毛病所在，于1765年发明了设有与汽缸壁分开的凝汽器的蒸汽机，并于1769年取得了英国的专利。瓦特的蒸汽机通过在汽缸外进行冷凝，避免了汽缸在一冷一热过程中热量的消耗，据瓦特理论计算，这种新的蒸汽机的热效率将是纽可门大气式蒸汽机的三倍。

瓦特的改进包括分离式冷凝器、汽缸外设置绝热层、用油润滑活塞、行星式齿轮、平行运动连杆机构、离心式调速器、节气阀、压力计等等，使蒸汽机的效率提高到原来纽科门大气式蒸汽机的3倍多。这些改进最终发明出工业用蒸汽机，解放了更多人力，极大地提高了生产效率，被公认为是英国工业革命最重要的发明。

专利入股

在1769年，詹姆斯·瓦特获得了一项具有里程碑意义的专利，编号为“913”，名为“一种减少蒸汽机蒸汽和燃油消耗的新发明方法”。按照当时的英国法律规定，专利权期限不超过14年。

这项专利标志着瓦特与罗巴克合作的开始，罗巴克是一位成功的企业家，他不仅帮助瓦特偿还了1000英镑的债务，还提供了必要的资金支持瓦特完成蒸汽机的研究和推广。根据合同，罗巴克获得了瓦特未来蒸汽机利润的三分之二作为报酬。

然而，1772年英国爆发了严重的金融危机，导致罗巴克的企业面临破产，无法继续为瓦特提供资金支持。在这一困难时期，瓦特展现了极高的商业道德，选择自己去挣工资凑钱，帮助罗巴克渡过难关，而非选择起诉罗巴克违约。

在罗巴克无力继续支持瓦特的蒸汽机项目时，博尔顿及时出现，从罗巴克手中购得了瓦特蒸汽机专利权的股份。博尔顿是伯明翰一间铸造厂的老板，他的工厂缺乏动力，希望借助瓦特的发明来人工地制造动力。

1768年，博尔顿邀请瓦特到索霍工厂，两人开始了长达25年的合作。博尔顿不仅提供了资金支持，还提供了技术上的支持，特别是在加工制造工艺方面。这种合作使得瓦特得到了更好的设备资金以及技术上的支持，特别是在加工制造工艺方面。

博尔顿不仅提供了资金支持，还利用其游说技能在议会中进行游说。经过博尔顿的努力，英国国会最终通过了《瓦特火力蒸汽机专利法案》,同意将瓦特的专利延长至1800年。这一法案的通过，确保了瓦特和博尔顿合作的顺利进行，并为他们带来了长期的经济利益。

尽管瓦特和博尔顿的合作取得了成功，但专利的延长也引起了争议。一些矿山业主反对延长专利有效期，因为他们需要支付高额的专利使用费。此外，专利延长也被视为一种垄断，一些政治家如埃德蒙·伯克反对创造不必要的垄断，但未能影响议会的最终决定。

瓦特蒸汽机的应用

瓦特的蒸汽机最初被用于煤矿排水，这是一个关键的应用领域。1712年，纽科门的蒸汽机在科尼格里煤矿安装，每运动一次就能抽出10加仑的水。瓦特的蒸汽机在效率上远超纽科门的设计，其耗煤量仅为纽科门机的1/4。这一改进使得瓦特的蒸汽机迅速在英国煤矿中取代了纽科门蒸汽机，成为解决煤矿排水问题的首选技术。

威廉·默多克是詹姆斯·瓦特的商业伙伴马修·博尔顿的员工。1781年，默多克发明了一种称为“太阳和行星”的齿轮联动装置，这一装置成功地将蒸汽机的直线往复运动转换为旋转运动，极大地扩展了蒸汽机的应用范围。

这一改进使得蒸汽机不再仅限于抽水等直线运动的应用，而是能够为绝大多数机器提供动力，包括纺织机等。这项发明以瓦特的名义申请了专利，因为默多克是瓦特和博尔顿公司的雇员，他的发明属于雇主。这也反映了当时的商业和专利申请实践，即雇员的发明常常以雇主的名义申请专利。

瓦特的蒸汽机也被应用于铁器制造，特别是在鼓风炉中。1782年，瓦特发明了双向汽缸，使得高压蒸汽可以从活塞两端进出，推动活塞双向运动，这样的发明使得瓦特的蒸汽机告别了以往的大气式结构，进入高压蒸汽时代。这种改进后的蒸汽机不仅输出的动力更加强劲，而且能够为高炉鼓风，显著提高了铁器制造的效率和产量。

瓦特对蒸汽机进行了仔细的测试，以确定其性能和效率。他测试了多台蒸汽机，并根据测试结果确定了专利费用。瓦特的蒸汽机在普通蒸汽机活塞上的有效压强是每平方英寸7磅，而在他自己的发动机上则是10.5磅。瓦特通过测试和比较，最终确定了向用户收取的专利费为与普通蒸汽机相比所节约的燃料成本的1/3。

瓦特的蒸汽机在泵水性能上也有显著提升。从斯米顿所达到的每蒲式耳煤做功3.56千瓦时，增加到博尔顿和瓦特合作期满时保证能够做功11.30千瓦时以上。这一改进不仅提高了泵水的效率，也降低了成本，使得蒸汽机在工业应用中更具竞争力。

1799年，默多克发明了滑动阀，这是一种利用阀芯在密封面上滑动，改变流体进出口通道位置以控制流体流向的分流阀。滑阀常用于蒸汽机、液压和气压等装置，使运动机构获得预定方向和行程的动作或者实现自动连续运转。此外，默多克还设计了曲柄轴上的偏心装置，作为操作曲柄轴的一种手段，进一步提高了蒸汽机的效率和性能。

瓦特初期连续运转的蒸汽机按燃料热值计总效率不超过3%；到1840年，最好的凝汽式蒸汽机总效率可达8%；到了20世纪，蒸汽机最高效率可达20%以上。这一效率的显著提升，使得瓦特的蒸汽机成为工业界的标准机型，其效率在当时是前所未有的。

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编辑 | 人格与社会课题组黄传斌