蒸汽机是瓦特发明的还是改良的

蒸汽机早就被发明出来,为什么直到瓦特改良后才真正普及?

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对于18世纪的英国甚至世界而言,没有什么比蒸汽机的问世更具有划时代意义。而蒸汽机的“发明者”,也一直被公认为是苏格兰人詹姆斯·瓦特(James Watt)。

蒸汽机早就被发明出来,为什么直到瓦特改良后才真正普及?

事实上,瓦特或许是史上最被误读的发明家,其发明家的身份首先就需要打一个问号:与其说是瓦特发明蒸汽机,不如说是改良了蒸汽机。即便在蒸汽机的改进进程中,人们也只看重其在技术上的贡献,而忽视了他在吸引资本、完成技术转化方面的贡献。

可以说,蒸汽机得以在18世纪末问世,除了瓦特的天赋外,还离不开工厂主的倾囊相助,产业革命带来的环境变化。蒸汽机的问世从最初的雏形到瓦特改良完毕,究竟是技术问题还是经济问题?

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蒸汽机的不断改良过程

蒸汽机的发明并非一蹴而就,而是经历了几代人的共同努力,在一次次技术迭代后,最终形成了具有市场价值的蒸汽机。瓦特并非“发明者”,也非“终结者”,他的历史贡献在于极大地改良了蒸汽机,提升了蒸汽机的热效率。这在蒸汽机的迭代升级过程中具有里程碑意义。

一般认为,英国人萨弗里(Thomas Savery)制成了世界上第一台实用的蒸汽提水机。这台机器形似鸡蛋。它的运作原理是:先在其中充满蒸汽,然后关闭进汽阀,在容器外喷淋冷水使容器内蒸汽冷凝而形成真空。打开进水阀,矿井底的水受大气压力作用经进水管吸入容器中;关闭进水阀,重开进汽阀,靠蒸汽压力将容器中的水经排水阀压出。待容器中的水被排空而充满蒸汽时,关闭进汽阀和排水阀,重新喷水使蒸汽冷凝。如此反复循环,用两个蛋形容器交替工作,可连续排水。萨弗里的提水机依靠真空的吸力汲水,汲水深度不超过六米。为了从几十米深的矿井汲水,须将提水机装在矿井深处,用较高的蒸汽压力才能将水压到地面上,这在当时无疑是困难而又危险的。

18世纪初,托马斯·纽康门(Thomas Newcomen)发明了一台大气蒸汽机,主要用于在矿山中抽水。纽氏蒸汽机有一个汽缸和活塞。当蒸汽进入气缸时,活塞向上运动;活塞到达气缸顶部时,一个装置用冷水对气缸降温,充满蒸汽的汽缸冷却后,蒸汽凝结,在气缸内制造出真空,将活塞拉回底部,由此循环往复,通过一个杠杆拉动另外一侧的抽水机。由于活塞每推动一次,气缸里的蒸汽都要先冷凝,拉回活塞后再加热,进行下一次推动,从而使得蒸汽80%热量都耗费在维持气缸温度上,使得这款蒸汽机的效率很低。

瓦特对于蒸汽机的最大贡献在于提升了机器的热效率,他敏锐地意识到,理想的蒸汽机必须具备两个条件:一是始终保持气缸恒热;二是要将蒸汽完全冷凝到100℃以下,确保其释放全部热量。为了实现这一目标,他创造性地设计了分离式冷凝器,这一装置最重要的突破就是将蒸汽的冷凝过程与气缸分离,使蒸汽通过排气管进入冷凝器冷凝,从而维持气缸热度。

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此外,瓦特还设计了一个封闭式气缸,气缸上配备了圆形的活塞,活塞杆下端通过填充料,可以有效防止蒸汽溢出。这种改良看似简单,却在纽氏蒸汽机问世半个世纪以来一直没人想到过。瓦特对此也感到不可思议,他问自己:“这就可以了吗?也太简单了吧?怎么一切看起来都是那么顺理成章?”卡内基在《瓦特传》对此的评价是:现实就是这样,没有冷凝器,没有封闭式气缸,就没有现代蒸汽机。[1]

比发明更难的经营推广问题

相比较对于蒸汽机的改良,过往的论者往往忽略了其对于蒸汽机的推广和经营。就笔者看来,他对蒸汽机产业化的贡献,丝毫不亚于改良蒸汽机本身。对于这两者的关系,保尔·芒图(Paul Mantoux)说得很清楚:“发明是一回事,会经营利用发明物却是另一回事。”[2] 幸运的是,在这方面瓦特遇到了多位贵人相助。

瓦特的第一位贵人是物理学家与化学家约瑟夫·布莱克(Joseph Black)。瓦特和布莱克的友情始于格拉斯哥大学工作期间,瓦特曾为布莱克制作过一台风琴,布莱克对瓦特的帮助则犹如“及时雨”,正如前文所述,他不仅给瓦特讲授了“潜热”理论,每当瓦特在遭遇瓶颈或是走投无路时,他总是给予最慷慨和无私的帮助。

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瓦特的第二位贵人是企业家约翰·罗巴克(John Roebuck)。1765年,经格拉斯哥大学教授布莱克的介绍,瓦特结识了罗巴克。那时的瓦特几乎一文不名。由于负担不起蒸汽机昂贵的研制费用,他几乎放弃了对蒸汽机的改良,改行在卡尔多尼亚运河工地当一名测量员。在这一过程中,他结识了罗巴克,后者当时刚刚取得了福斯河右岸博罗斯托内斯煤矿的开采权。正如前文所说,当时蒸汽机最主要的用途就是在煤矿抽水。罗巴克敏锐地嗅到了蒸汽机未来的市场前景,他与瓦特签订了一份合同,罗巴克负责向瓦特的债权人偿付1000英镑债务。作为交换,瓦特将未来蒸汽机利润的三分之二交给罗巴克。保尔·芒图称,“这份合同在蒸汽史上创造了一个时代,蒸汽机正是从那个时候走进了实验室”。这位《十八世纪产业革命》的作者称,瓦特总是迟疑、犹豫、不满意自己,他需要一个人去鼓励、鞭策他前进,罗巴克以无比的热情扮演了这个角色。

瓦特的第三位贵人是马修·博尔顿(Matthew Boulton)。就像布莱克将瓦特介绍给罗巴克一样,瓦特是通过罗巴克结识了博尔顿。相比罗巴克,博尔顿此时已经是英格兰颇为显赫的实业家。当他通过罗巴克获悉了瓦特正在改良蒸汽机时,很快对这个项目产生了浓厚的兴趣。彼时,博尔顿也在为如何提升蒸汽机在矿山中的效率发愁,先后请教过本杰明·富兰克林和伊拉兹马斯·达尔文博士,但都未能如愿。

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1767年,瓦特路过伯明翰时,参观了博尔顿在索霍的工场,对当地的冶金工业印象深刻,两人一拍即合。而陷入经营困难濒临破产的罗巴克也愿意成人之美,在罗巴克的见证下,博尔顿成为了瓦特此前专利技术的受让人。对于蒸汽机的发展前景,博尔顿看得更长远,他说:“我的意见是在我的运河边上建立一个工厂,在那里我想安置制造机器所必需的全套设备,而且这个工厂可以提供给世人各种大小的机器……仅仅为是哪个郡制造,那就不值得费事了。值得费事的,是为全世界制造。”而瓦特一如既往地痴迷于改良蒸汽机,就像他之前在写给朋友的信中所说:“我的全部精力都集中在这台蒸汽机上,对其他事情毫无兴趣。”[3]当一个痴迷于设计的“发明家”与一个坚信其市场前景的实业家相结合,两者的合力是巨大的,无怪乎50英镑背面将二位并列,分别引用了两人的一句名言,瓦特:“除了这台机器,我别无所思”。博尔顿:“先生们,我在这里出售的是全世界都渴望得到的——动力。”

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不是煤炭,而是经济

有趣的是,经历了瓦特的改良后,蒸汽机并没有如想象中那样迅速在英国和欧洲世界铺开,而是经历了近半个世纪的踟蹰,最终在19世纪中期才逐渐取代原先的动力模式,成为英国工业革命的引擎。

之所以蒸汽机不受当时英国人待见,也不难理解,因为蒸汽机的效率太低,比不上18世纪英国普遍使用的水能动力,但耗费又非常高昂。举例而言,在瓦特改良蒸汽机之前,蒸汽机每产生1马力需要消耗30磅煤,在瓦特改良蒸汽机后,这一数字下降到12.5磅,涡轮蒸汽机则进一步减少到5磅。对于资本家来说,产出与成本的比例是生命线。瓦特蒸汽机产生1马力的成本达到33英镑,经过30年改进下降到20英镑,而涡轮蒸汽机只有4英镑,终于超越了水能等其他动力来源。

这其中最生动的案例莫过于在纺织领域蒸汽机对于水能的替代。

1765年,詹姆斯·哈格里夫斯(James Hargreaves)发明了多轴纺纱机(即珍妮纺纱机),并很快在英格兰北部流传开来。在技术革新的刺激下,英国的纺织业完成了从小作坊生产向大工厂生产的转型。但无论是小作坊还是大工厂,纺织机的运转都离不开驱动力,这种动力必须能驱动数台、数十台,乃至数百台的纺织机同时工作,在18世纪中期,瓦特改良的蒸汽机尚不成熟,主要的动力来源仍是水力。

位于瓦特家乡苏格兰低地的拉纳克恰好蕴藏着丰沛的水力资源,克莱德河从拉纳克南边流过,上游处有几处落差颇大的瀑布,河水顺流而下,为拉纳克提供了丰沛的水能资源。

在18世纪末,欧洲三大空想社会主义者罗伯特·欧文决定建设新拉纳克的时候,水力仍是纺织机最主要的动力来源,但这时,“蒸汽机”已经开始进入到了他的视野。一开始,蒸汽机只是水力机的辅助工具。1780年左右,理查德·阿克莱特在他曼彻斯特的工厂内开始使用纽康门的抽水机。两年后,一些英格兰的纱厂主请求瓦特给他们提供一批蒸汽机。当时瓦特对待这批订货相当冷淡。他在写给博尔顿的信中写道:“这些人写给我的信以及他们派到这里的人,使我怀疑他们的能力。如果你经过曼彻斯特回来,请你不要寻找纱厂的订货,我听说那么多的工厂设在北部水流的岸边,这项工业不久就一定会过多了。我们会有徒劳无获的风险。”但仅仅两年后,瓦特就不得不承认:“当工厂能对燃料的消费量和成本做出抵偿时,蒸汽机就一定能用于纱厂”。[4]到了19世纪初期,蒸汽机不仅在经济发达的英格兰大行其道,就连在苏格兰也渐趋流行。这样一来,仅凭水能为动力的新拉纳克棉纺厂在蒸汽机驱动的工厂面前变得毫无优势,从此一蹶不振。

蒸汽机早就被发明出来,为什么直到瓦特改良后才真正普及?

从这个案例中我们不难发现,无论是蒸汽机的改良还是后期的推广,其核心问题并不是技术问题,而是经济学问题:发明蒸汽机固然不是一件容易的事,但在18世纪中后期,限制其发展的所有技术瓶颈其实都已经解决。制约蒸汽机改良和推广的,已经不再单纯是技术因素,而是成本与产出的关系。

当外部的经济环境发生改变,新技术在经济上的应用价值对传统经济结构造成冲击时,新技术和新设备推广的临界点就已经到来。这就像一颗火星一样,点燃了技术革命的引擎,从而带动了蒸汽机时代的到来。

因此,蒸汽机的问世,与其说是一个技术问题,不如说是一个经济学问题。从这个角度看,推动蒸汽机发展的“燃料”不是煤炭,而是资本。

蒸汽机早就被发明出来,为什么直到瓦特改良后才真正普及?

参考文献:

1.[美]安德鲁·卡内基:《瓦特传:工业革命的旗手》,南昌:江西教育出版社,2012年

2.[英]欧内斯特•莫斯纳、伊恩·辛普森·罗斯编:《亚当·斯密通信集》,林国夫、吴良健等译,北京:商务印书馆,2012年

3.[法]保尔·芒图:《十八世纪产业革命》,北京:商务印书馆,2016年版

4.金志霖:《英国行会史》,上海社会科学出版社,1996年版

注释:

[1][美]安德鲁·卡内基:《瓦特传:工业革命的旗手》,第41页。

[2][法]保尔·芒图:《十八世纪产业革命》,第287页。

[3][美]安德鲁·卡内基:《瓦特传:工业革命的旗手》,第45页。

[4] [法]保尔·芒图:《十八世纪产业革命 》,第298-299页。

蒸汽机早就被发明出来,为什么直到瓦特改良后才真正普及?

END

作者:赵博

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