 上文书讲到，瓦特对蒸汽动力非常感兴趣，但是自己鼓捣了很久也没有成功。但是他这段瞎鼓捣的经历不是没用的。这段经历使得他对于蒸汽的特性有了非常深入的了解。格拉斯哥大学有一台纽可门的蒸汽机。但是坏了，送到伦敦去修理。但是修了半天也没修好。瓦特自告奋勇，拍胸脯打包票能把这台机器修好。 格拉斯哥大学 瓦特把机器拉回格拉斯哥大学，这个机器不算太大。气缸的直径两英寸，换算成公制大约5公分，活塞行程大约6英寸，换成公制大约是15公分。瓦特就开始鼓捣这玩意儿。说白了不是一个实用的蒸汽机，是个教学模型。瓦特发现这个机器的效率低的可怜，烧一锅水运行不了多久就不动了。 蒸汽机模型 瓦特开始思考，到底蒸汽的力量都消耗到哪里去了。他自己搞了个水壶做实验，他就是想了解一下，到底蒸汽的温度和体积到底能有什么样的关系。他发现，把水烧成蒸汽，体积扩大了6倍。这都是在标准大气压下测试的。那时候热力学还在萌芽状态，很多东西都没有现成的公式和单位，瓦特全靠自己鼓捣。他假定，1克水从0度加热到开锅，需要的热量为100单位。他发现1克100度的水变成100度的蒸汽，需要534单位的热量。现代测量的数值是537，瓦特的测试有误差，但是大差不差了。瓦特最奇怪的是温度完全没变化，蒸汽是100度，水也是100度。为什么那么多的热量并没有使温度提高呢？瓦特理解不了。 瓦特去求教了他的朋友布莱克教授。布莱克教授也发现了这个现象，他管这个现象叫“潜热”。（现代热力学里面已经不常用这个词了，现在用的是“相变焓”）。所以布莱克教授就告诉瓦特，水变成蒸汽的过程里，要额外的热量，因为涉及状态的变化。布莱克当然很高兴，他的理论如果对瓦特有用，能对蒸汽机有用，他当然很高兴嘛，这也算理论联系实际。 瓦特明白了这个道理，他也就明白了纽可门蒸汽机的问题出在哪里。我们再来回顾一下纽可门蒸汽机的工作原理。先在下边烧一锅水，上边架个气缸，里边放个活塞。纽可门最原始的版本，阀门都是靠人手动控制的。后来经过不断改进才变成了自动的。打开锅炉阀门，蒸汽冲进气缸。蒸汽压力不大，比大气压稍稍大一点罢了。活塞被顶起来了，这个过程，蒸汽机不做功。关闭锅炉的阀门。打开冷水阀门，冷水冲进气缸。蒸汽冷凝，体积急剧缩小。内部形成负压，大气压把活塞压回气缸底部。可以说活塞是被吸回来的。这个过程中是做功发力的。因此和我们想象的完全相反。纽可门蒸汽机不是靠蒸汽的膨胀来做功的，相反是利用冷凝收缩来做功的。因此这东西不需要承受高压，比较安全。 瓦特差点把鼻子气歪了，因为蒸汽冲进气缸，气缸好不容易热起来了，一喷冷水，气缸全凉了。冷热交替的过程里不知道要损失多少热量。不管怎么调整进气和注水的过程都没办法弥补。但是瓦特一时半会儿也没有办法，因为不把气缸冷下来，蒸汽就无法凝结，当然也就不会形成负压。 1765年的5月份的一天，天气不错，瓦特吃饱了饭在河边草地上散步。苏格兰严格规定，星期天不许工作。因此瓦特难得的可以休息一下。他脑子当然停不下来。他突然灵光一闪，想到一个办法，那就是设立一个独立的冷凝器。气缸里的蒸汽为什么要在气缸里冷凝呢？干脆排放到另外一个冷凝器里面去冷凝算了。这样的话，就实现了分工，气缸一直是热的，冷凝器一直是冷的。蒸汽反正是流体，为什么要在一个地方待着呢？ 几种蒸汽机的比较 瓦特开始了新的实验，分离式冷凝器能不能试验成功呢？他自己心里也没底。他做了一个小模型，这个小模型的确是可以运行的，但是因为冷凝器太小了，很快温度就上去了没法有效冷凝蒸汽，所以这个小模型运行了几圈以后也就停了。但是这至少证明原理可行，瓦特很受鼓舞，他就开始玩命研究冷凝器。 瓦特的实验也引起了很多教授的关注。不管是不是研究物理学或者机械的。即便是研究文科的教授也喜欢到这里来看看瓦特的工作。一个道德哲学教授偶尔也到瓦特这里来溜达，时不时还聊两句。可能他们万万也想不到，日后他们两个人的塑像将会并列矗立在格拉斯哥大学的校园里。这位教授的名字叫亚当·斯密。他写的《国富论》，其伟大意义怎么评价都是不为过的。亚当·斯密和瓦特都是苏格兰人，也算是老乡吧。日后苏格兰还将贡献一位擎天白玉柱，架海紫金梁，他叫麦克斯韦，这是后话，此处按下不表。 就在瓦特鼓捣蒸汽机的时代，那个钟表匠哈里森也在研究他的航海钟。他要把计时精度提高到过去不敢想象的程度。瓦特自己也是个优秀的仪器工匠。在当时，能工巧匠是一个新崛起的阶层，他们手艺精湛。而且他们也获得了科学界的认可。他们个个都把技术诀窍当做祖传秘方，轻易不告诉别人。他们鼓捣的都是桌面上小型化的精巧仪器。与工厂里傻大黑粗的生产设备完全不是一码事。工厂里的那些工程师虽然也挂名叫工程师，听着还挺好听。说白了就是些打铁的铁匠。大型机器的加工精度是很差的。把那些傻大黑粗的机器和精巧的实验仪器摆在一起，你很难相信这是同一个时代的产品。 瓦特虽然自己做的模型还工作的不错。但是当他要生产大型化的实用化的蒸汽机的时候，他发现自己力不从心，找好的工匠需要花钱。自己要攻克一系列的技术难题也还需要资金支持。当时瓦特遇到的一个很大的问题就是气缸活塞到处漏气，阀门也不过关，加工精度太低，难免跑冒滴漏。我们提到工业革命，总是想到煤炭、钢铁。好像有了这些就可以造蒸汽机了。其实大家忽略了另一个战略性的材料，这种材料叫做“橡胶”。在没有橡胶的年代，解决漏气的问题都是一件让人头痛不已的大难题。研读技术史，我们会发现，一个技术的广泛应用，一定是各方各面的条件全都凑齐了才行。条件凑不齐，再天才的想法也都是空中楼阁。因为你根本造不出来嘛。 还有一个大问题，那就是钱，工业革命绝不是发明家工程师单打独斗就能搞定的，没钱是万万不能的。瓦特需要寻找投资人。他急切需要一位头顶光环，背后扇着翅膀的天使投资人来到身边。 罗巴克 很快，他就碰上了一生中第一位贵人。布莱克教授介绍了一位朋友给瓦特，这人就是号称苏格兰工业革命之父的罗巴克。人家是一位大企业家，而且还有博士头衔呢。罗巴克一开始是学医的，后来自己开业行医。不过他的主要兴趣点是在化工上。当时化工产业也开始兴起了。罗巴克开办的第一家企业是生产硫酸的化工厂。后来又开了一家更大的硫酸厂，赚了不少钱。后来从伯明翰迁到了苏格兰，跟人一起开钢铁厂。选来选去找了一个风水宝地，就在卡伦河畔建了这个厂。工业需要的水源、铁砂、石灰、焦炭全都不缺。 卡伦炼铁厂生产的大炮 第一座高炉于1760年元旦开炉。他们第一年里炼出了 1500 吨铁，后来又有几座高炉建成投入生产，产量稳步增长。由于苏格兰的铁砂特别适合炼铁，所以实际上这一产量全部都是铸铁，卡伦炼铁厂后来以铸造大炮而驰名，尤其是专门制造的大口径短炮，在1779 年同法国舰队的战斗中，这种炮是大显神威啊。 罗巴克的下一个步骤，是要租借汉密尔顿公爵在博尼斯附近的一块地。他就在这块地上安了家，他看中的是地下的煤炭。别看这个罗巴克生意越做越大，每次投资都赚的盆满钵满，这次彻底栽了。这地方底下有煤倒是不假，可惜地下水太多了。矿井挖下去，水咕嘟咕嘟的冒出来了，连最大功率的纽可门蒸汽机都甘拜下风。所以这个罗巴克听说了瓦特在研究蒸汽机的时候，他很有兴趣。 罗巴克和瓦特成了合伙人。罗巴克占了2/3的股份，他是投资人。1769年，瓦特拿到了第一个专利，也就是分离冷凝器的专利。罗巴克不是有家钢铁厂吗，瓦特到他的工厂去了一趟，看看这个工厂能不能在气缸和活塞的制造方面能够有个突破。可惜这个厂最好的产品也都是不合格的。没办法达到瓦特的要求。瓦特最头痛的就是气缸活塞漏气，阀门也漏气。 有一次出差去伦敦，路过伯明翰，见到了达尔文的爷爷，也就是伊拉兹马斯·达尔文。双方以前如故，后来经常还通信。估计就是这一次，他和伯明翰月亮会的人接上了关系，他进了人家的朋友圈了。 后来罗巴克经商失败，赔的倾家荡产。当然也就没有能力继续资助瓦特了。瓦特为了维持生计，到运河上去当测量员。改进蒸汽机的工作，那也就暂时搁下了。如果没有后来的机缘巧合，瓦特可能也就是老婆孩子热炕头，老老实实当个运河测量员。也许以瓦特的才华，他会在这个领域内有所成就。但是历史就是垂青瓦特，他运气真是好啊。他遇到了一生里最重要的一个贵人，此人就是马修·博尔顿。 博尔顿和瓦特被印在了钞票上 博尔顿是伯明翰的大企业家。也是月光社的成员，他家就是月光社的聚会地点嘛。瓦特路过伯明翰的时候去了他的工厂参观，可惜没见到这个人。当时马修·博尔顿不在家。马修·博尔顿拥有一家大型工厂，当时建厂就花了两万英镑，雇佣的工人就达到了1000人。当时在伯明翰都算是首屈一指了。以当时英国的地位，这个厂很可能是全世界首屈一指的厂家。 那博尔顿生产啥呢？一方面是傻大黑粗的钢铁煤炭之类的，另一方是小五金，金属纽扣啊、装饰品啦镀金的盘子啦，伯明翰就是靠钢铁和小五金发家的。曼彻斯特的纺织业，伯明翰的钢铁工业都是出了名的。 博尔顿也有烦心事儿，他的工厂是建立在河边的，全靠水轮机当做动力。水轮机就是工业的原动机，通过皮带齿轮传动到各个加工机械上。每年夏天霍克利的溪流水位很低的时候，他的工厂就停滞了。博尔顿最头痛的就是这事儿。他不得不依靠马拉抽水机，人工拉高水位来维持生产。大家也知道，马拉效率很低，没多久马就累得不行了，必须停下来休息吃东西。1766年，他打算安装一台纽可门蒸汽机来抽水。后来从朋友嘴里听到了瓦特的事儿，他当然非常感兴趣。他认准了，瓦特的想法是能成功的。 后来博尔顿见到了瓦特，带着他参观自己的工厂。瓦特简直着了迷，这座工厂的工艺水平让瓦特非常惊喜。简直是一切工艺条件都具备了。博尔顿打算和瓦特合作。但是瓦特和罗巴克是有协议的。博尔顿说这好办啊，罗巴克不是破产了嘛。现在正穷着呢，博尔顿找到罗巴克，收购了他所拥有的股份。这不就皆大欢喜嘛。
威尔金森的镗床 博尔顿对蒸汽机非常痴迷，对瓦特是无条件支持。没有博尔顿也就没有瓦特最后的成功。而且博尔顿很有商业头脑，先是为一座煤矿建造了一台50英寸气缸的蒸汽机。后来又帮一个铁器制造商威尔金森建造了一台30英寸的蒸汽机。巧了，威尔金森在1774年发明了一种镗床，专门用来生产高精度的炮管。刚好能满足瓦特对于气缸的加工精度要求。瓦特这两台蒸汽机大获成功，耗煤量不到其他蒸汽机的三分之一。 当瓦特蒸汽机的耗煤量下降到了这个程度，原本用蒸汽机不划算的矿山就已经变得划算了。要知道很多金属矿山也需要抽水啊，但是他们那里又不见得产煤。因此用老版本的纽可门蒸汽机来抽水是不合算的。可是换用瓦特的蒸汽机，这些矿山就变得合算了。瓦特的蒸汽机恰好跨过了一个门槛，打开了一个新的市场。 最近博尔顿收到了一大堆来自于康沃尔郡的订单。因为康沃尔郡就属于缺少煤炭的地区。博尔顿创新性的提出了一种收费模式，咱们不仅仅要收蒸汽机的钱，咱们还要收专利费，毕竟瓦特的蒸汽机是有独家专利的。相对于纽可门蒸汽机，瓦特的蒸汽机能省下很多煤，少花很多钱啊。咱们就按照节省量取一定的比例来收钱。说白了博尔顿要收月租费。 博尔顿的这个行为造成了他完全想不到的后果，康沃尔地区不但是盗版蒸汽机横行，还逼出了世界上第一台火车头。咱们下回再说……
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