从杠杆到量子 · 一部按时间走的物理学第 9 章 / 第二单元 · 热
第 9 章 · 1679—1830

蒸汽机：先有机器，后有理论

没有人知道热是什么的年代，工匠怎样把一锅开水变成抽水、纺纱、拉火车的力量。

阅读约 30 分钟两个可以动手的演示公式：3 个
序章第二单元 · 热 · 2 / 5终章

时代速写达德利煤矿边上那座会喘气的砖房

1712 年前后，英格兰中部达德利城堡附近的一座煤矿边上，多了一座砖房。一根粗大的木横梁从墙头伸出去，一头连着井下的水泵。每分钟，横梁沉重地点十二下头，井里的水就被抽上来大约 120 加仑1,2。

造这台机器的是纽科门（Thomas Newcomen），英格兰西南部达特茅斯的一个铁器商，和他的合伙人卡利（John Calley）1,2。他是浸信会教徒，按当时的规矩进不了大学1。他没有写过论文，也不知道“能量”这个词，更不知道热到底是一种物质还是一种运动。这些问题，物理学家要再过一百多年才吵出结果。

可机器照样转了起来。到 1733 年，英国已经装了大约一百台这样的机器2。又过了几十年，格拉斯哥大学一个修仪器的年轻人在一台缩小的模型上测出它把四分之三的蒸汽白白浪费掉，于是有了瓦特的分离冷凝器。再往后，康沃尔的工程师把蒸汽压力加高，把发动机装上了轮子。1830 年，一列列火车开始在利物浦和曼彻斯特之间按时刻表往返。

这一章讲的就是这一百多年：先有机器，后有理论。第 8 章讲过，那时布莱克刚刚发现潜热，人们才学会区分“温度”和“热量”。蒸汽机的工匠们手里只有一点点这样的知识，加上大量的测量和失败。他们回答的问题很实际：烧一筐煤，能从井里抽出多少水？

  • 1679帕潘在伦敦演示“蒸煮器”，用高压蒸汽把骨头煮软，盖子上有一个活塞式泄压阀3,4。
  • 1698萨弗里获得一项用火提水的专利，这是第一件蒸汽动力装置的专利5。
  • 约 1712纽科门在达德利附近的煤矿装成第一台可用的活塞式蒸汽机1,2。
  • 1765瓦特想到把冷凝放到气缸外面一个单独的容器里6,7。
  • 17691 月 5 日，瓦特的分离冷凝器获得专利8。
  • 1776博尔顿与瓦特的第一批商用发动机投入运行9,10。
  • 1804特里维西克的高压蒸汽机车在威尔士的轨道上拉着 10 吨铁跑了 9¾ 英里11。
  • 1825斯托克顿—达灵顿铁路开通，蒸汽机车拉着煤车和乘客上路12。
  • 1829雷恩希尔机车比赛，“火箭号”获胜13。
  • 1830利物浦—曼彻斯特铁路开通，世界上第一条只用蒸汽机车、按时刻表运送旅客的城际铁路14。

1679 — 1712问题：井里的水，和空气的重量

17 世纪末的英国，煤矿和锡矿越挖越深，地下水不停地渗进坑道。抽水靠人、靠马、靠水车，矿挖得越深，代价越高。谁能便宜地把水弄上来，谁就能挖到更深处的煤。

当时的自然哲学家已经知道一件有用的事：空气有重量。一个密闭容器里如果没有空气，外面的大气就会使劲往里压。这股压力有多大？按今天的数字，海平面的大气压大约是每平方米 10 万牛顿，足够把一根管子里的水托到约 10 米高。这个数后面会反复出现，它是早期蒸汽机的“发动机”。蒸汽在这些机器里的任务很简单：先占住一个空间，再凝结成一小滴水，把空间腾空。真正推动机器的是外面的空气。

1679—1690帕潘：高压锅和第一个活塞

帕潘（Denis Papin）是法国人，1670 年代在巴黎给惠更斯当助手，造真空泵；1675 年到伦敦，和玻意耳一起工作3,4。1679 年他演示了一件让人咋舌的厨具，叫“蒸煮器”。锅盖封死，蒸汽出不去，压力升高，水的沸点也跟着升高，骨头都能煮软。为了不让锅炸开，盖子上装了一个泄压阀：一个小活塞被重物压着，压力太高时活塞被顶起来，放掉一点蒸汽3。

林达·霍尔图书馆的介绍认为，正是这个小活塞让帕潘想到了活塞式的蒸汽机3。1690 年，他已在德国马尔堡大学任教，设计并造出了一台单缸大气式蒸汽机的模型：气缸里放一点水，在下面加热，蒸汽把活塞顶上去；再冷却，蒸汽凝结，大气压把活塞压回来3,4。它只是一台模型，帕潘一生没有造出实用的发动机1。他是胡格诺派新教徒，不能回法国，1707 年回到伦敦想在皇家学会谋个职位也没成，1713 年前后在贫困中去世3。

1698—1702萨弗里：《矿工之友》

第一台拿出来推销的蒸汽抽水机来自英国人萨弗里（Thomas Savery）。1698 年 7 月，他拿到了一项专利，这是历史上第一件蒸汽动力装置的专利；1699 年 6 月 14 日，他在皇家学会做了演示；1702 年，他出了一本推销小册子，书名叫《矿工之友，或用火提水的机器》（The Miner’s Friend）5。

萨弗里式蒸汽抽水机的线描剖面图：左边炉子上是锅炉，中间是一个大椭圆形容器，右边是一根竖直的出水管，上方有一个水箱
萨弗里式抽水机剖面图。Commons 上的说明称它出自《矿工之友》（1702）的 1827 年重印本。左边是坐在炉膛 B 上的锅炉 l；中间的大椭圆 P 是工作容器；上方的 x 是冷水箱。蒸汽从锅炉经顶上的管子 O 进入 P，P 被冷却后蒸汽凝结，大气压把井水经右下方装着单向阀 R 的管子压进 P；再通入蒸汽，把水沿右边的竖管推上去。整台机器没有活塞，只有阀门。托马斯·萨弗里，公有领域 · Wikimedia Commons

萨弗里的机器没有活塞，也没有横梁，只有锅炉、容器和几个阀门。先让蒸汽充满一个容器，再把容器冷却，蒸汽凝结，容器里变成半真空，大气压把井下的水压进容器；然后再通蒸汽，用蒸汽的压力把水从另一根管子推上去5。

它的毛病出在物理上限上。靠大气压“吸”水，最多也就 10 米左右；实际上它只能往上吸约 20 英尺（约 6 米），再往上推约 30 英尺，加起来大约 50 英尺5。所以机器必须装到矿井下面去，深井要好几台接力。往上推水要用压力较高的蒸汽，容器有爆炸的危险5。

萨弗里的专利写得很宽，几乎把一切“用火提水”的办法都包了进去5。这一条后来影响很大：纽科门造出更好的机器之后，不得不和萨弗里合作，以免侵权5。专利由一个财团控制，直到 1733 年才到期2。

约 1712纽科门：让大气压推活塞

纽科门把帕潘的活塞和萨弗里的“蒸汽凝结造真空”合在了一起，又加了一根横梁。他的机器是这样一个循环2：

  1. 进汽：锅炉里的蒸汽压力只比大气压略高。打开阀门，蒸汽进入竖立的气缸；横梁另一头井下水泵的重量把活塞拉上去。
  2. 喷水：关掉蒸汽，往气缸里喷一股冷水。蒸汽遇冷，一下子凝结成水，气缸里变成接近真空。
  3. 做功：活塞上面是敞开的，大气压把活塞狠狠压下去，横梁一翘，井下的泵杆被拉起，水被抽上来。
  4. 重来：再放蒸汽进来，活塞又被拉上去。

这种机器叫“大气式蒸汽机”，名字很准确：蒸汽只负责造真空，干活的是大气。它的蒸汽压力低，不会爆炸；它装在地面上，可以通过长长的泵杆从很深的井底抽水。第一台每分钟往复 12 次1，康沃尔的矿工后来说，正是这种机器让更深的矿井成为可能2。

它的扩散速度很快。按欧洲工业遗产之路（ERIH）的统计，到 1733 年英国大约装了一百台，欧洲大陆也开始仿造，1727 年瑞典丹内莫拉的矿上就盖起了一座2。林达·霍尔图书馆给的数字更大：头二十年英格兰和欧洲装了一百二十多台，到 1800 年运行中的超过一千四百台1。两家口径不同，但都说明这是一种被大量使用的机器。1747 年一位访问英国的法国人记下了他的感想：英国人靠这类省人力的机器占了上风2。

它也有一个致命的缺点：太费煤。牛津大学经济史学家艾伦（Robert Allen）认为，英国的能源在当时全世界最便宜，工资又高，用烧煤的机器代替人力在英国才划算15。为什么这么费煤，五十年里没有人说得清。答案要等一个修模型的仪器匠来找。

1763 — 1776瓦特：一台修不好的模型

1763—1764模型为什么喘不过气

瓦特（James Watt）1736 年生于苏格兰格林诺克10。1756 年，20 岁的他被格拉斯哥大学的迪克教授雇为数学仪器匠，在校内有一间作坊6。学校的自然哲学课上有一台纽科门机的教学模型，老出毛病。1763 到 1764 年的冬天，迪克的继任者安德森（John Anderson）把它送到瓦特那里修理6,16,17。

格拉斯哥大学亨特博物馆展柜里的纽科门机模型：深色框架，顶上一根两头带弧形头的横梁，左下是锅炉和气缸，右边是一根竖直的泵管
格拉斯哥大学的纽科门机模型，亨特博物馆藏。瓦特修理过的就是这类教学模型。看框架顶上那根两头带弧形头的横梁：左头用链子挂着活塞杆，右头挂着泵杆。左下方粗大的是锅炉，锅炉上面那只圆筒就是气缸；右边那根长管是水泵。2019 年它获得了英国机械工程师学会的工程遗产奖16。Andy Dingley 摄，CC BY-SA 4.0 · Wikimedia Commons
科学博物馆藏的瓦特早期冷凝器模型：一只深色的锡制小圆筒，侧面伸出一根短管，筒身写着馆藏编号
瓦特早期的分离冷凝器模型，伦敦科学博物馆藏。博物馆说明，馆藏中有瓦特 1765 年在格拉斯哥做的第二个冷凝器模型，过去曾被当作“原始”模型8。看侧面伸出的那截短管：它通向气缸，阀门一开，气缸里的蒸汽就从这里涌进冷凝筒，在里面凝结。Mirko Junge 摄，CC BY 3.0 · Wikimedia Commons

模型的气缸是黄铜的，直径 2 英寸，行程 6 英寸。瓦特把它修好以后发现，锅炉比真机器的比例大得多，却仍然供不上汽，跑几下就停了；只好把泵的负荷减到远低于常规，它才能持续运转17。他一开始以为毛病出在黄铜导热太好、模型太小，于是换了一只用亚麻籽油浸过、烤干的木头气缸。耗汽少了一些，可活塞往下压的力量又不够17。

瓦特没有接着瞎改，他开始测量。1814 年他写信回忆，自己当时测过这些东西：铁、铜和几种木材的热容；蒸汽和水的体积比；一定的锅炉烧一磅煤能蒸发多少水；高于沸点时蒸汽压力怎样随温度变化；一台木气缸纽科门机每冲程用多少蒸汽、又要喷多少冷水17。

测出来的数字很刺眼。他用一只佛罗伦萨烧瓶称出，同样体积的水比蒸汽重约 1800 倍（今天的精确值约为 1700 倍18）。有了这个比例，他就能从锅炉每分钟蒸发掉多少水，算出送进气缸的蒸汽体积。结果是：锅炉送出的蒸汽，大约是充满气缸所需的 4 倍。换句话说，约四分之三的蒸汽被浪费了。他又测了喷水量，发现实际喷进去的冷水也大约是单纯冷凝那一缸蒸汽所需的 4 倍17。两个独立的测量，指向同一个结论。

两难：要真空，就得冷；要省汽，就得热

浪费的蒸汽去了哪里？瓦特想明白了，问题出在同一只气缸要轮流扮演两个角色17。

进汽的时候，气缸应该是热的。如果缸壁和活塞是凉的，刚进来的蒸汽碰到它们就凝结成水，一直要等到整只气缸被重新烫到 100 °C，蒸汽才能撑满气缸，活塞才肯上升。这部分蒸汽的热量全花在了“给铁加热”上。

喷水的时候，气缸又必须是冷的，而且要冷透。瓦特从实验里知道，水在低于大气压的环境里不到 100 °C 就会沸腾。如果喷水后缸底积着的是温水，它会在半真空里重新冒出蒸汽，顶住活塞，机器的力量就大打折扣。所以必须喷进远多于冷凝所需的冷水，把整只气缸都冷下来17。

于是每一冲程，整只气缸和活塞都要被烧热一遍、浇冷一遍。气缸冷得越透，真空越好，下一冲程要重新加热的铁也越多。这是一个解不开的结，只要冷凝还在气缸里发生。

请教布莱克：热量去哪了

测量中还有一件事让瓦特想不通：一点点蒸汽，怎么能把那么多冷水加热那么多？拉德纳 1840 年的记述说，他拿瓦特的数据去请教格拉斯哥大学的化学教授布莱克，这才第一次听说了“潜热”17。第 8 章讲过布莱克的潜热：水变成蒸汽时要吸收大量的热，而温度不变；蒸汽凝结时，再把这些热原样放出来。用今天的数字表示：

Q = m L
Q
蒸汽凝结时放出（或水汽化时吸收）的热量，单位千焦
m
凝结或蒸发的水的质量，单位千克
L
水的汽化潜热，100 °C 时约 2257 千焦/千克18
读法：1 千克蒸汽凝结时放出的热，大约够把 6 千克冷水烧到沸腾。瓦特当年用蒸汽通进一罐 52 华氏度（约 11 °C）的冷水，直到水开，水量只增加了约六分之一，也就是 1 份蒸汽烧开了 6 份冷水17，和今天的数字相符。每冲程浪费的那些蒸汽，背后是锅炉底下实实在在的煤。

瓦特自己对这段请教的评价很克制。1814 年他写信给爱丁堡的布儒斯特（David Brewster），纠正一个流传很广的说法：他感谢布莱克让他知道了潜热学说，但他“从来没有、也不可能”认为自己的改进是从这些交谈里来的。潜热理论帮他算清了要喷多少水、纽科门机要吃多少汽；冷凝器依据的却是两条老早就知道的事实：蒸汽碰到冷东西会凝结；水在真空里不到 100 °C 就沸腾17。

1765绿地上的一次散步

解开这个结的办法，按瓦特晚年的讲述，是在一次散步中想到的。格拉斯哥大学把这件事定在 1765 年 5 月7。史料来自罗伯特·哈特（Robert Hart）：他和兄弟在 1813 或 1814 年前后与瓦特聊天，四十多年后的 1857 年才在格拉斯哥考古学会上宣读这段回忆，1859 年刊出19。按哈特的转述，那是一个晴朗的星期日下午，瓦特从夏洛特街口进了格拉斯哥绿地，一路想着那台发动机，走到牧人小屋附近时，想法冒了出来：蒸汽是有弹性的，会冲进真空；如果把气缸和一个已经抽空的容器连通，蒸汽就会自己冲过去，在那里凝结，气缸就不必冷却了19。

这就是分离冷凝器：在气缸旁边另装一个泡在冷水里的容器。气缸始终保持滚烫，冷凝器始终保持冰凉，两者用一根管子和一个阀门连着。阀门一开，气缸里的蒸汽自己涌进冷凝器凝结掉，气缸里照样得到真空，可缸壁一点也没被冷却。冷凝器可以冷到很低的温度，真空因此更好，又不再拖累气缸。瓦特的朋友罗比森后来回忆，瓦特给他看一个“小锡水箱”，说自己造出了一台一点蒸汽都不浪费的机器8。

下面的演示把两种机器并排放在一起。气缸尺寸取自 1785 年为伦敦惠特布雷德啤酒厂造的一台博尔顿—瓦特发动机：缸径 25 英寸，行程 6 英尺20。拖动滑块，改变喷水后（或冷凝器里）的温度，看每一冲程各要花掉多少蒸汽。

同一缸蒸汽，两本热账演示 1 · 拖动滑块，点“运转”看循环
缸壁热（约 100 °C）缸壁冷 / 冷水充满气缸的蒸汽用来重新加热缸壁的蒸汽

把滑块拉到最左边，纽科门机每冲程要吃掉五倍于气缸容积的蒸汽；拉到最右边，浪费少了，活塞却几乎推不动。中间有一个最好的折中点，但再怎么调也比不上瓦特机。冷凝器让瓦特同时拿到了两样东西：冷凝温度可以很低，气缸却一直是热的。哈特转述的瓦特原话，说的就是这一点19。

1765—1776从想法到机器：十一年

想法有了，造出来又花了十一年。1765 年底，苏格兰卡伦铁厂的创办人罗巴克（John Roebuck）替瓦特还了债，换取这项发明三分之二的权益。1769 年 1 月，专利批下来，名称是“减少火力机蒸汽和燃料消耗的新方法”9,8。1769 到 1770 年，瓦特在罗巴克的金尼尔庄园后面一座小屋里试制大机器，可铁件做得太粗糙，1770 年他放弃了9。

转机来自伯明翰。1773 年罗巴克破产，伯明翰的制造商博尔顿（Matthew Boulton）买下了他的专利份额，那年 5 月试验设备被拆运到博尔顿的索霍工厂9。1774 年瓦特本人也搬了过去10。同一年，铁器商威尔金森（John Wilkinson）取得一项镗炮专利；此后约二十年，博尔顿—瓦特发动机的气缸几乎都由他来镗21。瓦特的机器靠活塞和缸壁严丝合缝，气缸镗得不圆，蒸汽就会从活塞周围漏掉。威尔金森被后人评价为第一个意识到并做到现代机器所需精度的人21。

1775 年，议会通过法案，把瓦特的专利延长到 1800 年22。1776 年，第一批商用发动机开始运转9,10。

这一段经历说明了一件常被忽略的事：一个物理上正确的想法，离一台能卖的机器，中间隔着资金、工厂、机床和熟练工人。科学博物馆策展人拉塞尔（Ben Russell）评论瓦特的最新传记时说，瓦特的成功是一项集体事业，他身边有一批负责具体试验和制造的工程师23。

概念把热变成功：一冲程能做多少事

瓦特那代人没有“能量”的概念，但他们有一套很实用的记账方法。我们可以用今天的语言把它重新写一遍，看看一台蒸汽机每一冲程到底在干什么。

大气压做的功

在纽科门机和早期瓦特机里，推活塞的是大气压，挡着活塞的是缸里残余的蒸汽压力。两者之差乘以活塞走过的体积，就是一冲程做的功：

W = (p0 − p) × V
W
一冲程做的功，单位焦耳
p0
大气压，约 101 千帕（每平方米 101 000 牛顿）
p
冷凝后缸里残余的蒸汽压力。冷凝温度越低，p 越小，50 °C 时约 12.5 千帕18
V
活塞扫过的体积，等于活塞面积乘以行程，单位立方米
读法：压力差越大、气缸越大，一冲程做的功越多。惠特布雷德那台机器的气缸约 0.58 立方米，冷凝到 50 °C 时一冲程约 51 千焦，够把 5 吨重的东西举高 1 米。

这个公式里没有“煤”，也没有“热”。热在哪里？在蒸汽的潜热里。每一冲程送进气缸的蒸汽，要在锅炉里花掉 Q = mL 的热量。机器的好坏，就看同样的 W 要花多少 Q。在演示 1 里，同样 51 千焦的功，纽科门机要约 1.4 千克蒸汽，瓦特机只要 0.35 千克。

演示里的百分比是按潜热算的，真实机器还有锅炉漏热、管道散热、阀门漏汽，比例要低得多。可无论怎样改进，这个百分比似乎总也到不了 100%。为什么有上限？上限是多少？这正是第 10 章卡诺要回答的问题。

马力：给机器定价的单位

博尔顿和瓦特卖机器的办法很特别。在康沃尔的矿上，他们的利润主要来自每年收的一笔“权利金”，数额等于这台机器比旧式纽科门机省下的煤钱的三分之一22。要算省了多少，就得有一个大家都认的尺子。

当时通用的尺子叫 duty（直译“效能”）：烧掉 1 蒲式耳（84 磅）煤，能把多少磅水提高 1 英尺22。这个指标只问结果，不问热是什么，正是“先有机器后有理论”的标本。

可很多潜在客户根本没有纽科门机，他们原来用的是马。休斯敦大学的科普节目《我们的聪明才智》讲过，瓦特为了让这些人明白一台机器能顶几匹马，以拉磨的马为依据，约定了一个单位：1 马力等于每秒把 550 磅提高 1 英尺，也就是每分钟 33 000 英尺·磅24。节目也说，这个数定得“相当随意”24。

P = m g h ÷ t
P
功率：每秒做多少功，单位瓦特。1 马力约 746 瓦25
m
提起的水的质量，千克（1 升水约 1 千克）
g
重力加速度，约 9.8 米/秒²
h
提升的高度，米
t
用的时间，秒
读法：功率一定时，井深一倍，每分钟能抽上来的水就少一半。1 马力从 50 米深的井里，每分钟能提起约 91 升水。

下面这个演示把公式变成一口矿井。注意它算的是理想情况，真实的泵和管道还有摩擦和漏水。作为参照，1785 年惠特布雷德啤酒厂那台博尔顿—瓦特发动机，鼎盛时约 35 马力20。

几匹马，多深的井演示 2 · 拖动两个滑块

欧洲大陆后来另定了一种“公制马力”，等于 736 瓦，比英制马力小 1% 多。美国标准局 1914 年的一份通告专门澄清过两者的区别，并建议干脆改用千瓦25。通告还说，英制马力的 746 瓦，在伦敦这个瓦特最初做实验的地方，非常接近每秒 550 英尺·磅25。功率的国际单位后来就以瓦特命名。

用 duty 记录的一百年

工程师们没有热力学，却有了一把能比较不同机器的尺子。经济史学家努沃拉里（Alessandro Nuvolari）整理了康沃尔矿区的记录22：

深色段表示区间或提升幅度。数据：斯米顿改良的纽科门机 700 万—1000 万（1772 年一台达 945 万）；瓦特抽水机初期 1800 万、1792 年 2600 万；康沃尔矿区开始公开记录以后，高压机的平均值从 2800 万升到 5000 万以上，最好的从 4700 万升到 1 亿以上（工程师波尔 1844 年的统计）22。

从纽科门到瓦特，duty 提高了两到三倍；从瓦特到康沃尔高压机，又提高了好几倍。后一段进步有一个有意思的原因：1800 年瓦特专利到期后，康沃尔的矿主们从 1811 年起每月公开发表每台发动机的 duty，工程师互相比、互相抄，形成了一种“集体发明”22。而第二段飞跃靠的，正是瓦特本人反对的东西：高压蒸汽。

1797 — 1830高压蒸汽：把发动机装上轮子

1797—1804特里维西克的“强蒸汽”

瓦特的发动机用的是低压蒸汽，压力只比大气压高一点。真正推活塞的仍然是大气压，所以气缸必须很大，机器又重又笨，只能固定在机房里。瓦特认为高压蒸汽太危险，不实用26。萨弗里的机器就曾因此有爆炸的危险5。

康沃尔人特里维西克（Richard Trevithick）不这么看。他 19 岁就当上了矿山的顾问工程师，1797 年造出了一台成功的高压蒸汽机26。道理很直接：如果锅炉里的蒸汽压力是大气压的好几倍，就可以直接用蒸汽推活塞，用完的蒸汽排到空气里，不必冷凝，也就不需要冷凝器和大水箱。同样的功率，机器可以小得多、轻得多，小到能放在轮子上26,27。据特里维西克自己的说法，瓦特说过他“该被绞死”，因为他把高压机带进了实际应用26。这句话只有特里维西克一方的转述。

1801 年平安夜，他的蒸汽车“喷气魔鬼”载着人爬上了康沃尔坎伯恩的山坡26,27。1804 年 2 月 21 日，在威尔士南部，潘尼达伦铁厂老板霍姆弗雷（Samuel Homfray）出资支持的一台机车，沿着运铁的马车轨道，拉着 5 节车厢、10 吨铁和大约 70 个搭便车的人，跑了 9¾ 英里11，用时 4 小时 5 分钟，时速不到 5 英里26。威尔士国家博物馆把这次行驶称作铁路机车的诞生11。

它的麻烦出在轨道上。那时的轨道是脆的铸铁，机车又没有弹簧，轨道一再被压断，几个月后这台机车就被拆下来改作固定发动机了11。1808 年，特里维西克在伦敦尤斯顿广场修了一圈环形轨道，让一台叫“谁能追上我”的机车载人兜圈，一先令坐一次26。人们觉得新奇，却没有人投资修真正的铁路。

高压蒸汽在矿上先站稳了脚。1812 年，特里维西克建了第一台“康沃尔式”抽水机：结构上是瓦特的单作用机，用的却是高压蒸汽，高压膨胀和冷凝结合在一个精心调节的循环里22。前面那张 duty 图上最右边两根长条，就是这类机器。

1825先为煤修的铁路

第一条用蒸汽机车的公共铁路，是为煤修的。1825 年 9 月 27 日，斯托克顿—达灵顿铁路开通，从内陆的煤矿经达灵顿通到蒂斯河边的斯托克顿港，全长 26 英里多。首趟列车由乔治·斯蒂芬森（George Stephenson）的“动力 1 号”牵引，拉了约 90 吨，平均时速略高于 4 英里；大约 600 人挤在 36 节车厢里，到达灵顿时把一部分煤车卸下来分给了穷人12。这条铁路上的客运，起初还是由私人承包的马拉客车来跑的12。

1829雷恩希尔：一场公开考试

利物浦和曼彻斯特之间正在修一条更雄心勃勃的铁路。用固定绞车拉、用马拉，还是用机车？公司决定办一场公开比赛。悬赏 500 镑，条件写得很具体：机车不准冒烟；蒸汽压力不得超过每平方英寸 50 磅（约 3.4 个大气压）；至少拉动自身重量三倍的负载，时速不低于 10 英里；要装弹簧；高度不超过 15 英尺17。1829 年 10 月，比赛在雷恩希尔一段平直的线路上举行，一万多人来看热闹28。

五台机车报名13。按拉德纳的记载，比赛要求在相距 1.5 英里的两点之间来回跑 10 趟，共 30 英里。新奇号只跑了两趟，锅炉接口就裂了；无双号跑了 8 趟出了故障。只有“火箭号”跑完了全程，而且跑了两次，一次 2 小时 14 分，一次 2 小时 7 分，最高时速略超 29 英里17。科学博物馆的记录是平均时速 12 英里、最高 30 英里13。

伦敦科学博物馆展出的火箭号机车，黑色横置锅炉，左端烟囱高耸，前部一对大驱动轮，右侧斜置的气缸
“火箭号”，罗伯特·斯蒂芬森设计，1829 年，伦敦科学博物馆藏，编号 1862-5。看横躺的圆筒形锅炉，里面纵穿着 25 根铜管；高高的烟囱里有一根排汽喷管。现在的样子是它在一年半里大改之后的形态，气缸的位置也变了，1862 年以残缺状态进入博物馆13。Les Chatfield 摄，CC BY 2.0 · Wikimedia Commons

“火箭号”是乔治的儿子罗伯特·斯蒂芬森（Robert Stephenson）设计的，重约 3 吨13。它赢在两样改进上，都是为了解决同一个问题：怎样在一台小小的锅炉里，用很少的燃料，飞快地烧出大量蒸汽17。

  • 多管锅炉：炉膛里的热气不再走一根粗烟道，而是分成 25 根直径 3 英寸的铜管，从水里穿过去再进烟囱。热气接触水的面积大大增加，热量在进烟囱前几乎都交给了水。这个主意来自铁路公司的司库布斯（Henry Booth）17。
  • 排汽喷管：热量被铜管吸走之后，烟囱里的气不够热，抽力就会不足。斯蒂芬森把气缸用过的废汽通过一根喷管射进烟囱，喷出的蒸汽带着烟气往上冲，炉火就被抽得更旺17。机车跑得越快，排汽越急，火越旺。

结果是，蒸发同样多的水，火箭号烧的燃料与对手无双号之比是 11 比 2817。科学博物馆的说明称，火箭号第一次把多管锅炉和排汽喷管合在一台机器上，比以前的设计前进了一大步13。

1830利物浦—曼彻斯特：铁路时代开始了

1830 年 9 月 15 日，利物浦—曼彻斯特铁路开通。首相惠灵顿公爵也坐在首发的列车上。途中列车停靠时，利物浦的议员赫斯基森（William Huskisson）下车走到公爵的车厢旁，被驶来的“火箭号”撞倒，腿被碾伤，几小时后在埃克尔斯去世。这是第一起被广泛报道的铁路死亡事故13,14。

这条线连接着曼彻斯特的纺织厂和利物浦的港口14。在此之前，两城之间走运河要 12 小时，坐马车要 3 小时；火车大约 2 小时。开通一个月内，每天约有 1200 名乘客28。它是第一条只靠蒸汽机车牵引、按时刻表开行客车、并使用信号系统的城际铁路14。此后十五年里，英国修起了 35 条主要铁路干线28。

影响它怎么改变了世界

蒸汽机改变世界的方式，比任何一项物理定律都更直接。它先改变了能源，再改变了工作的地点，然后改变了距离和时间。

一 · 煤：一个文明换了燃料

纽科门机最早用在煤矿排水上1,2；它把水抽干，煤矿就能往更深处挖；挖出更多的煤，又让更多的蒸汽机用得起。经济史学家艾伦把这个循环放在他解释“为什么工业革命发生在英国”的核心：英国工资高、煤便宜，用煤去替代人力在英国最划算。按书评的概述，他估计 1560 到 1800 年英国的煤产量增长了 66 倍15。

对中国读者来说，这里有一场直接相关的学术争论。历史学家彭慕兰（Kenneth Pomeranz）在《大分流》里认为，英国在人口中心附近有容易开采的煤，这是欧洲而不是同样发达的中国率先工业化的两个关键因素之一；里格利（E. A. Wrigley）也把从“有机经济”转向“矿物经济”看作工业革命的中心。经济史学家克拉克（Gregory Clark）和杰克斯（David Jacks）2007 年用煤价和矿区地租数据反驳说，煤产量的增长主要是需求推动的，拥有煤本身对英国收入的贡献很小29。煤到底是原因还是结果，学界至今没有定论。

二 · 工厂：从河边搬进城里

现代工厂最早是靠水力的。1771 年，阿克莱特（Richard Arkwright）在德比郡克罗姆福德的德文特河边建起水力纺纱厂，这片河谷被联合国教科文组织列为“现代工厂制度的诞生地”30。水车决定了工厂必须建在乡下的河边，工人的住房也得跟着盖在那里。

蒸汽机要驱动机器，先得把活塞的上下运动变成转动。1780 年代，瓦特用“行星齿轮”和平行连杆做到了这一点，还加上了离心调速器31,20。1785 年伦敦惠特布雷德啤酒厂的那台转动式发动机带动麦芽磨，一干就是 102 年；1788 年索霍工厂的一台带动 43 台抛光机，一干就是 70 年31,20。到 1800 年，博尔顿—瓦特造的 451 台发动机里已有 268 台是转动式的31。教科文组织的评语说得很清楚：19 世纪动力从水转向蒸汽，纺织业的重心就离开了德文特河谷30。纺织厂越来越多地建在曼彻斯特这样的城市里；利物浦—曼彻斯特铁路连接的，正是曼彻斯特的纺织厂和利物浦的港口14。

手工上色的版画：一台蒸汽机车拉着车厢迎面驶来，两侧站着衣着讲究的旅客，左右有石砌门柱和横梁
利物浦—曼彻斯特铁路，布里（Thomas Bury）原画，休斯与皮亚尔制版，1831 年手工上色飞尘腐蚀版画。看画面中间迎面驶来的机车，高烟囱冒着白汽，后面挂着车厢；双线轨道两旁站着戴礼帽、穿长裙的旅客，坐火车在当时还是新鲜事。远处铁路钻进一道开凿出来的路堑，这是为了让坡度足够平缓。S. G. Hughes、H. Pyall 据 T. Bury 原画，公有领域 · Wikimedia Commons
三 · 铁路：把全国的钟拨到同一个时间

铁路改变的不只是速度。火车出现以前，英国每座城市用自己的地方时：太阳在头顶最高时就是正午。布里斯托尔的钟比格林尼治慢 10 分钟，加的夫慢 13 分钟32。马车时代这无所谓，可火车要按时刻表跑，同一条线上如果每站各用各的钟，时刻表就没法排。

1847 年 12 月，铁路清算所（Railway Clearing House）在全英采用格林尼治时间，人们管它叫“铁路时间”。到 1850 年代中期，英国几乎所有公共时钟都改用了格林尼治时间，1880 年它成为法定标准时间；1852 年起，格林尼治天文台主钟的时间通过电报线传到伦敦、爱丁堡、格拉斯哥等城市32。全国用同一个时间，这件事最早是被火车时刻表逼出来的。

铁路后来也来到了中国，而且同样是为煤修的。1878 年开平煤矿投产，用骡马和人力运煤太慢，煤堆积卖不出去。1881 年，在开平矿务局总办唐廷枢的主持下，修起了从唐山到胥各庄的唐胥铁路，长 9.7 公里，是中国第一条标准轨距铁路。工匠们用矿上旧卷扬机的锅炉等材料，参照英国工程师金达的图纸，拼出了中国第一台蒸汽机车“龙号”33。从斯托克顿的煤车到唐山的煤车，中间隔了五十六年。

四 · 马力：留在汽车参数表上的一匹马

瓦特为了说服用马的客户发明的单位，至今还印在汽车的参数表上。英制马力约 746 瓦，欧洲大陆的公制马力约 736 瓦；早在 1914 年，美国标准局就建议改用千瓦25。功率的国际单位“瓦特”用的正是他的名字。一个营销用的单位，比它所描述的那种机器活得长得多。

五 · 碳：一条从 1750 年开始的曲线

把地下的煤烧掉，碳就回到了空气里。美国国家海洋和大气管理局的数据显示，工业化开始前，大气中的二氧化碳浓度约为 280 ppm 或更低；人类的排放从 1750 年前后开始上升，主要来自工业革命以来燃烧的化石燃料；2024 年全球平均浓度达到 422.8 ppm，创下新高34。这一章里那些抽水机和火车头，是这条曲线的起点。

误解水壶、孤胆天才和第一台火车

误解一 · 瓦特看着水壶冒汽，发明了蒸汽机

两处都不对。首先，瓦特出生时纽科门机已经运转了二十多年，他修的正是一台纽科门机的模型1,6。他发明的是分离冷凝器，以及后来一系列让蒸汽机更省煤、能转动的改进10。其次，水壶的故事出自瓦特表姐 1798 年的回忆：少年瓦特在姑母家盯着水壶的蒸汽看个不停35。这个故事后来流传出好几个版本。苏格兰史学者格林 2020 年考证出了姑母家的住址，认为故事有一定根据35；可即使确有其事，瓦特自己说得清楚，冷凝器来自对模型机的测量，以及“蒸汽遇冷凝结、水在真空里低于 100 °C 沸腾”这两条事实17。科学史家米勒专门写过一篇文章，讨论这个“真实的神话”和瓦特的化学研究之间的关系36。

误解二 · 瓦特是靠布莱克的潜热理论想出冷凝器的

这是 19 世纪初就流传的说法，连布莱克的讲义和瓦特的朋友罗比森都这样写过。瓦特 1814 年专门写信纠正：他感谢布莱克教给他潜热，但这一理论只帮他算清了喷水量和耗汽量，“没有引出”他的改进17。这个细节正好是本章标题的注脚：理论在机器的改进中帮了忙，但没有带路。真正能解释蒸汽机为什么有效率上限的理论，要等到 1824 年卡诺的《论火的动力》，而卡诺动笔的原因之一，是他看到从英国进口的发动机已经把法国的设计远远甩在后面37。

误解三 · 瓦特是一个人完成这一切的孤胆天才

他需要罗巴克的钱、博尔顿的工厂、威尔金森镗得精确的气缸9,21，还有一批做具体试验和制造的工匠23。科学博物馆的拉塞尔在评论米勒 2019 年的瓦特传记时指出，把瓦特塑造成“孤独的天才”，是很成功的商业宣传；瓦特的儿子小瓦特在父亲生前就参与经营他的形象，父亲死后又继续为他“擦亮”名声23。19 世纪流行的瓦特轶事，很多出自法国物理学家阿拉戈写的《瓦特颂》，而阿拉戈的材料正是小瓦特提供的17。

误解四 · “火箭号”是世界上第一台火车头

特里维西克的机车 1804 年就在威尔士的轨道上跑过了11；1825 年斯托克顿—达灵顿铁路开通时用的是“动力 1 号”12。火箭号的地位来自别处：它在一场公开比赛里证明了蒸汽机车可以又快又可靠，它第一次把多管锅炉和排汽喷管合在一台机器上13,17。

承上启下机器在等一个理论

第 8 章结束时，人们刚刚学会区分温度和热量，流行的看法还把热当作一种看不见的流体，叫“热质”。这一章的工匠们就是带着这点知识上路的。纽科门靠的是大气压，瓦特靠的是精确的测量和一个冷凝器，特里维西克和斯蒂芬森靠的是更高的压力和更大的受热面积。到 1830 年，蒸汽机已经抽干了矿井，搬走了工厂，拉起了火车，可没有人能回答一个最基本的问题：烧一筐煤，最多能得到多少功？

下一章，一位法国青年工程师卡诺要从蒸汽机出发，第一次给热机的效率划出上限；随后迈尔、焦耳和亥姆霍兹会证明，热和功是同一种东西的两种形态，能量守恒；克劳修斯会把卡诺的上限写成一个新的量，熵。热学单元的两条线在那里会合：第 8 章那条“测量冷热”的线，和这一章“用热干活”的线。工程师造出来的机器，终于等来了解释它的物理学。

自测五个问题

1. 纽科门机里，真正把活塞压下去的是什么？蒸汽起什么作用？
是大气压。蒸汽先充满气缸，再被冷水喷淋凝结成一小点水，气缸里变成接近真空，活塞上方的大气就把它压下去。蒸汽只负责“占位”和“腾空”，所以这种机器叫大气式蒸汽机。
2. 瓦特在格拉斯哥的模型上测到了什么？他怎样得出“约四分之三的蒸汽被浪费”？
他先用烧瓶测出蒸汽的体积约为同重量水的 1800 倍，然后根据锅炉蒸发的水量和冲程次数，算出送进气缸的蒸汽约为充满气缸所需的 4 倍。他又发现实际喷水量也约为冷凝那缸蒸汽所需的 4 倍，两个测量互相印证。
3. 为什么纽科门机“冷也不对，热也不对”？分离冷凝器怎样同时解决两个问题？
喷水后气缸不够冷，缸里的温水会在半真空中冒出蒸汽顶住活塞，做功变少；冷得太透，下一冲程进来的蒸汽又要先把整只气缸重新烫热，浪费大量蒸汽。分离冷凝器把冷凝搬到气缸外一个始终冰冷的容器里，气缸一直保持热，冷凝温度又可以很低。在演示 1 里把滑块从一端拉到另一端就能看到这个两难。
4. 1 马力约等于多少瓦？用 10 马力的机器从 100 米深的井里抽水，理想情况下每分钟能提起多少升？
约 746 瓦。每分钟做功 10 × 746 × 60 ≈ 447 600 焦；把 1 升（约 1 千克）水提高 100 米需要约 9.8 × 100 = 980 焦。447 600 ÷ 980 ≈ 457 升。真实机器还有摩擦和漏水，要少一些。
5. 火箭号的两项关键改进是什么？铁路又怎样改变了人们使用时间的方式？
多管锅炉（25 根铜管让热气穿过水，增大受热面积）和排汽喷管（用废汽在烟囱里造成抽力）。铁路要按时刻表运行，各地不同的地方时会造成混乱，于是 1847 年英国铁路清算所统一采用格林尼治时间，即“铁路时间”，1880 年格林尼治时间成为英国法定标准时间。

参考来源本章依据

  1. Linda Hall Library, “Thomas Newcomen – Scientist of the Day”. lindahall.org
  2. European Route of Industrial Heritage (ERIH), “Thomas Newcomen (1663–1729)”. erih.net
  3. Linda Hall Library, “Denis Papin – Scientist of the Day”. lindahall.org
  4. Science Museum Group Collection, “Denis Papin 1647–1713”（人物条目）. collection.sciencemuseumgroup.org.uk
  5. Linda Hall Library, “Thomas Savery – Scientist of the Day”. lindahall.org
  6. University of Glasgow, “James Watt and the University of Glasgow”（James Watt 2019）. gla.ac.uk
  7. University of Glasgow News, “University of Glasgow celebrates James Watt anniversary”, May 2015. gla.ac.uk
  8. Science Museum Blog, “James Watt and the separate condenser”. blog.sciencemuseum.org.uk
  9. Historic Environment Scotland, Listed Building LB52435: Kinneil Estate, James Watt’s Cottage. portal.historicenvironment.scot
  10. Science Museum Group Collection, “James Watt 1736–1819”（人物条目）. collection.sciencemuseumgroup.org.uk
  11. Amgueddfa Cymru – Museum Wales, “Birth of the Railway Locomotive”（博客）. museum.wales
  12. Stockton-on-Tees Borough Council Heritage, “Stockton: where passenger railways began”. heritage.stockton.gov.uk
  13. Science Museum Group Collection, “Rocket locomotive”, object 1862-5. collection.sciencemuseumgroup.org.uk
  14. University of Warwick, Department of History, “A Day in History: 15 September 1830”. warwick.ac.uk
  15. E. Griffin, review of R. C. Allen, The British Industrial Revolution in Global Perspective（Cambridge University Press, 2009），Reviews in History no. 943, Institute of Historical Research, 2010. reviews.history.ac.uk
  16. Institution of Mechanical Engineers, “Steam engine which inspired James Watt receives Engineering Heritage Award”, 2019. imeche.org
  17. D. Lardner, The Steam Engine Explained and Illustrated, 7th ed., London: Taylor and Walton, 1840（第 46—50 节记瓦特的模型实验并收瓦特书信；第 187—191 节记雷恩希尔比赛与火箭号）。Project Gutenberg 电子版 gutenberg.org
  18. NIST Chemistry WebBook, SRD 69, “Water”：相变数据（安托万方程参数）与饱和性质表。webbook.nist.gov ；webbook.nist.gov
  19. R. Hart, “Reminiscences of James Watt”, Transactions of the Glasgow Archaeological Society 1(1) (1859) 1–7（1857 年 11 月 2 日宣读）。IntraText 电子版 intratext.com
  20. ASME, Landmark #111: Boulton & Watt Rotative Steam Engine. asme.org
  21. Dictionary of Welsh Biography（National Library of Wales），“Wilkinson, John (1728–1808)”. biography.wales
  22. A. Nuvolari, “Collective Invention during the British Industrial Revolution: The Case of the Cornish Pumping Engine”, DRUID Working Paper 01-05, 2001；正式发表于 Cambridge Journal of Economics 28(3) (2004) 347–363。wp.druid.dk
  23. B. Russell, review of D. P. Miller, The Life and Legend of James Watt（University of Pittsburgh Press, 2019），Science Museum Group Journal. journal.sciencemuseum.ac.uk
  24. University of Houston, The Engines of Our Ingenuity, No. 2869（马力）. engines.egr.uh.edu
  25. U.S. Bureau of Standards, Circular No. 34, The Relation of the Horsepower to the Kilowatt, 2nd ed., 1914（NIST 存档）. nvlpubs.nist.gov
  26. ASME, “Richard Trevithick”. asme.org
  27. Linda Hall Library, “Richard Trevithick – Scientist of the Day”. lindahall.org
  28. University of Liverpool, Victoria Gallery & Museum, “Liverpool and Manchester Railway”, 2020. liverpool.ac.uk
  29. G. Clark & D. Jacks, “Coal and the Industrial Revolution, 1700–1869”, European Review of Economic History 11(1) (2007) 39–72. 工作论文版 faculty.econ.ucdavis.edu
  30. UNESCO World Heritage Centre, “Derwent Valley Mills”. whc.unesco.org
  31. Science Museum Group Collection, “Rotative Steam Engine by Boulton and Watt, 1788”. collection.sciencemuseumgroup.org.uk
  32. Royal Museums Greenwich, “Greenwich Mean Time (GMT)”. rmg.co.uk
  33. 新华社，《一条铁路、一辆机车，河北唐山从百年原点到飞驰新程》，2026 年 7 月 16 日。news.cn
  34. NOAA Climate.gov, “Climate Change: Atmospheric Carbon Dioxide”. climate.gov
  35. F. Green, “The Aunt with the Kettle”, History Scotland, July/August 2020（Newcomen Society 转载介绍）. newcomen.com
  36. D. P. Miller, “True myths: James Watt’s kettle, his condenser, and his chemistry”, History of Science 42 (2004) 333–360. doi.org
  37. MacTutor History of Mathematics（University of St Andrews），“Sadi Carnot” 传记。mathshistory.st-andrews.ac.uk

图片：均来自 Wikimedia Commons，许可见各图说明。演示 1 的物理参数见演示下方说明。

☰ 从杠杆到量子 · 目录