The Steam Engine Explained and Illustrated (Seventh Edition) Dionysius Lardner 909 downloads.pdf

古腾堡计划电子书：《蒸汽机详解与图解》（第七版）
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书名：《蒸汽机详解与图解》（第七版）
作者：迪奥尼修斯·拉德纳
发布日期：2013年4月26日 [电子书编号#42602]
最新更新时间：2024年10月23日
语言：英语
更多信息及格式请访问：www.gutenberg.org/ebooks/42602
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古腾堡电子书：《蒸汽机详解与图解》（第七版），作者：迪奥尼修斯·拉德纳

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《蒸汽机详解与图解》

瓦特。
由H.阿德拉德根据H.科博尔德的绘图进行雕刻，该绘图是在得到詹姆斯·瓦特先生的许可后制作的。
取自钱特里的雕像作品。

伦敦：高尔街上的泰勒与沃尔顿出版社。

《蒸汽机详解与图解》；
书中介绍了蒸汽机的发明过程及其不断改进的历程，以及它在航海和铁路领域的应用；同时还收录了瓦特的传记。
作者：迪奥尼修斯·拉德纳，D.C.L.、F.R.S.等头衔持有者。
第七版，配有木刻插图。
伦敦：由泰勒与沃尔顿出版社印刷，地址：上高尔街28号。

1840年。

伦敦：
由A. Spottiswoode在New-Street-Square印刷。

致尊敬的亨利·布罗厄姆-沃克斯勋爵，
皇家学会会员，
法国国家研究院院士，

以此表达公众的敬意，
以及个人的崇敬之情。

本书由作者的挚友题写献词。

广告。

本卷中若干插图的绘制，是在威尔先生的许可下，借鉴自特雷德戈尔德所著的《蒸汽机与蒸汽航行》上一版中所附的精美插图。对于本卷中大量的插图，我们尤其要表示感谢。

伦敦，1840年6月。

通往伯明翰铁路的伦敦入口。

目录
第一章 基础知识
蒸汽机——备受关注的话题 4
蒸汽的作用 5
蒸汽的巨大能量 7
本书的目的 9
关于这项发明的争议 11
亚历山大的机械发明者 13
布拉斯科·德·加雷提出的用机械驱动船只的方案 16
所罗门·德·考斯 17
乔瓦尼·布兰卡提出用蒸汽驱动磨坊的设想 22
伍斯特侯爵 23
流体的机械性质 25
弹性流体与非弹性流体 25
气体的弹性 28
热的作用 29
将这些原理应用于赫罗、德·考斯以及伍斯特勋爵的发动机上 30
塞缪尔·莫兰德爵士 34
丹尼斯·帕平 36
大气压力 38
空气的重量 39
空气的压力 41
气压计 41
空气与气体的弹力 42

通过真空获得的力 43
普通泵 43
热致稀薄现象 44
温度计的填充过程 44
帕潘制造真空的方法 44
他发现的蒸汽凝结现象 45
托马斯·萨弗里 47

第二章 萨弗里与纽科门的发动机
萨弗里的发动机 49
锅炉及其附属装置 50
工作原理的描述 51
运行方式 52
萨弗里发动机的缺陷 58
帕潘对纽科门发动机的描述 62
纽科门与考利获得了大气压力发动机的专利 65
通过注入方式偶然发现蒸汽凝结现象 69
波特发现的阀门操作方法 71
通过使用塞子框架改进了他的发明 72
大气压力发动机相比萨弗里发动机的优势 72
萨弗里发动机的功率限制 73
该发动机并未包含任何新原理 73
其实际优势 73

第三章 詹姆斯·瓦特的早期生涯与发现
贝イト恩对大气压力发动机的改进 75

斯米顿对大气式引擎的改进 76
布林德利在76年获得了相关改进专利
他发明了自动调节装置 76
詹姆斯·瓦特的早年生活 77
他的出身与家庭背景 77
他童年的趣事 78
他早年的成就 79
他前往伦敦 80
他回到格拉斯哥 80
他被任命为大学的仪器制造师 81
他在格拉斯哥开了店铺 81
他的朋友与赞助人 81
罗比森教授对瓦特个人品格的评价 82
他勤奋好学的习惯 82
他最初将注意力集中在蒸汽上 83
关于高压引擎的实验 83
他修复了一台大气式引擎模型 84
由此引发的进一步实验 84
实验结果 84
他发现大气式引擎存在严重缺陷 85
他首次尝试对其进行改进 85
他早期关于蒸汽的实验 87
通过实验发现水在蒸发过程中的膨胀现象 90
他发现了蒸汽的潜热 91
布莱克博士向他介绍了潜热理论 93
他的改进并非源自布莱克 93

第四章 物理原理阐述

温度计的制造 98
其刻度标定的方法 99
冰点和沸点 99
水的潜热 101
将冰转化为水所需的热量——这一现象最早由布莱克博士发现 101
持续对液态水施加热量所产生的类似效应的研究 102
沸腾的过程 104
蒸汽重新转化为水 104
水转化为蒸汽 105
蒸汽的潜热 107
沸点会发生变化 108
不同地方的沸点存在差异 112
探究压力降低是否会对沸点产生相应影响 112
显示在不同大气压力下水沸腾温度的表格 113
蒸汽的机械力 115
需要观察的事实 117

第五章 瓦特的进一步发现
瓦特发现，若在气缸内发生冷凝现象，则无法实现燃料的有效利用 119
他提出了在气缸外进行冷凝的想法 120
他发现了单独的冷凝过程 121
他发明了空气泵 123
他用蒸汽压力替代了大气压力 123
他发明了蒸汽套壳结构 124

他为实现这些发明而进行的初步实验 125
他的实验装置 125
他在格拉斯哥的德尔夫特宅邸中搭建的实验模型 128
将改进后的发动机投入使用的困难 129
瓦特最初由罗巴克聘为土木工程师 130
他与罗巴克的合伙关系 130
他的第一项专利 130
基尼尔地区的实验用发动机 131
旨在延长其专利有效期的议会法案摘要 132
他对单作用蒸汽发动机的描述 133

第六章 瓦特的发动机
瓦特与斯米顿的通信 145
表面冷凝现象的问题 146
活塞结构的改进 147
密封方法的改进 148
气缸加工技术的改进 149
新发动机相比旧发动机的缺点 150
燃料使用效率的大幅提升 150
发动机的经济性 151
推动新发动机投入使用的措施 151
博尔顿的通信 153
与斯米顿的通信 155
新发动机中的燃料利用效率 156
蒸汽膨胀作用的发现 157
瓦特在给斯莫尔博士的信中对此进行了说明 157
该原理的阐述 158

由此产生的机械效应 162
在活塞运动的不同阶段切断蒸汽所产生的影响 163
会导致功率变化 163
平衡功率的可行方法 164
瓦特发动机中膨胀原理的局限性 165
该原理在康沃尔式发动机中的更广泛应用 165

第七章 双作用发动机
普通蒸汽 168
过热蒸汽 170
道尔顿与盖-吕萨克定律 171
马略特定律 171
普通蒸汽的温度与压力之间的关系 171
普通蒸汽膨胀所产生的效应 173
蒸汽的机械效应 173
平衡膨胀力的方法 174
霍恩布洛尔发动机 175
伍尔夫发动机 176
瓦特试图将蒸汽机用于工业生产 178
帕潘提出的蒸汽机应用方案 178
萨弗里将发动机用于驱动机械 180
乔纳森·赫尔将其用于水轮机 180
布里斯托尔的某人将大气压力发动机用于提水 181
斯图尔特将发动机用于磨坊作业 182
瓦斯布罗利用飞轮和曲柄来提升效率 183

瓦特的单作用蒸汽机为何无法实现连续均匀的旋转运动 184
瓦特的第二项专利 186
太阳轮与行星轮 187
双作用引擎的阀门 189

第八章 双作用引擎
双作用引擎中活塞杆与横梁的连接方式 193
齿条与扇形齿轮 194
平行运动 195
活塞杆与横梁的连接 195
连杆与曲轴 203
飞轮 205
节流阀 207
调速装置 209
双作用引擎的结构与工作原理 216
偏心装置 225
旋塞阀与阀门 227
单动阀 227
双动阀 228
锥形阀 228
滑阀 229
默里式滑阀 229
D型阀 230
西沃德式滑阀 235
单向旋塞阀 238
双向旋塞阀 239
四通旋塞阀 239

活塞242
普通麻质填充活塞242
沃尔夫式活塞243
金属活塞244
卡特莱特发动机245
卡特莱特式活塞247
巴顿式活塞248

第九章 锅炉与炉子
煤的分析252
燃烧过程253
燃烧产生的热量254
锅炉的形状与结构255
车用锅炉255
炉子256
燃料供给方式257
烟气中的气体燃烧260
威廉姆斯关于处理未燃尽气体的专利260
炉栅与灰坑的构造261
锅炉的受热面积262
锅炉中的蒸汽空间与水空间263
烟道的布置位置264
锅炉的燃料供给方式265
检测锅炉内水位的方法266
水位计266
自动调节式给料装置267
蒸汽压力表270
气压计272

瓦特发明的指示器 274
计数器 278
安全阀 279
熔断塞 280
自调节阻尼器 281
布伦顿的自调节炉子 283
引擎的总体效能与实用价值 285
引擎的功率与负荷 287
蒸汽引擎的马力 289
蒸发量与马力的关系 290
功率损失的来源 292
目前缺乏有效的功率计算规则 292
引擎制造商所遵循的通用规则 292
负荷与功率的区别 294
锅炉的负荷 294
活塞行程与气缸直径的比例 295
引擎的负荷 296
康沃尔式检测方法 297
显示康沃尔式引擎改进情况的表格 298
康沃尔式检测方法的益处 299
约翰·泰勒在《矿业记录》中记载的、促使引擎负荷增加的系列改进 299

第十章 瓦特的一生
瓦特在伯明翰的朋友与合作伙伴 302
他发明的复印机 302
利用蒸汽为住宅和建筑物供暖 303
瓦特用于干燥亚麻的机器 303

他在发现水的成分中所起的作用 303
这一发现的功绩由卡文迪许、拉瓦锡和瓦特共同享有 305
关于瓦特思维能力的趣闻 309
他推动氯气在漂白过程中的应用 310
克利夫顿气动研究机构的创始人之一 310
他的第一次婚姻 311
第一任妻子的去世 311
他的第二次婚姻 311
幼子的去世 311
他书信中的摘录 312
布罗厄姆勋爵对瓦特性格的描述 313
沃尔特·斯科特爵士在《修道院》一书中对瓦特性格的描述 314
杰弗里勋爵在《苏格兰人报》上撰写的瓦特生平简介 315
他晚年的生活 318
他发明的用于复制雕塑的机器 318
他的最后岁月 318
纪念他的纪念碑 319
布罗厄姆勋爵为威斯敏斯特教堂内的纪念碑基座所题的铭文 320

第十一章 铁路上的机车
高压发动机 322
最早的蒸汽机形式之一 322
勒普尔德发动机的描述 323
特雷维西克和维维安公司设计的非冷凝式发动机 324

用于在铁轨上移动车厢的机器的制造 328
铁路运输的影响 329
其道德与政治层面的后果 334
机车的发展历史 337
布林肯索普设计的机车 337
查普曼先生的发明 337
可行走式机车 337
斯蒂芬森先生在基林沃思设计的机车 339
利物浦与曼彻斯特铁路 342
铁路公司为最优秀的机车设立奖励 344
试验测试 344
“火箭号”、“无与伦比号”和“新型号”机车 344
“火箭号”机车的出色设计 345
“无与伦比号”机车的描述 347
“新型号”机车的描述 349
“火箭号”机车的优势 350
将烟道分割成多个管道的方法 353
机车技术的不断改进 354
拉德纳博士在1832年的实验 357
黄铜管道的应用 360
使用机车所带来的高昂成本 361
布斯先生的报告 362
经过改进的机车的相关详细描述 365
迪克森先生提出的用黄铜替代铜管的做法 370
机车的动力性能 379
偏心轮的位置 379
锅炉内的蒸汽压力 401
拉德纳博士在1838年的实验 406

对铁路列车的阻力 407
拉德纳博士在大西部铁路上的实验 408
关于阻力的实验 409
坡度的限制 410
坡度带来的补偿效应 412
“赫克拉”号的实验 412
坡度分布应保持均匀 415
克服陡坡的方法 415

第十二章：收费道路上的机车
铁路与石板路的比较 420
格尼的蒸汽马车 423
格尼机车的锅炉 423
他清洁锅炉的方法 428
蒸汽马车的便利性与安全性 432
将机车应用于普通道路的两种方法 434
马车与蒸汽马车的比较 435
法里先生在下议院作证的内容摘录 435
汉考克的蒸汽马车 436
它与格尼先生的产品有何不同 437
奥格尔的机车马车 438
丘奇博士的蒸汽发动机 439

第十三章：蒸汽航行
船舶发动机的结构与布局 441

机舱的布置 446
船用锅炉 448
海水对锅炉的影响 450
相应的解决办法 451
排气阀 452
盐度检测装置 453
西沃德式盐度检测仪 454
他的排盐方法 454
菲尔德式盐水泵 456
瓦特所使用的管式冷凝器 457
霍尔式冷凝器 458
用铜替代铁制锅炉 460
加煤流程 462
瓦特在锅炉表面粘贴毛毡的改进措施 463
节约燃料的方法 463
炉子与烟道的数量及布置方式 463
霍华德的船用发动机 464
膨胀原理在船用发动机中的应用 466
莫兹利与菲尔德公司的最新改进 467
汉弗莱的船用发动机 470
普通明轮 472
可调节叶片的明轮 474
加洛韦关于带可动叶片的明轮的专利 476
分体式叶片 478
功率与吨位的比例 480
船用发动机效率的提升 482
铁制蒸汽船 483
通往印度的蒸汽航行 484

第十四章

美国蒸汽航运业
蒸汽航运最早在美国出现，时间为487年。
促使蒸汽航运诞生的各种因素488页。
菲奇与拉姆西试图将单作用发动机用于船舶推进系统489页。
霍博肯的史蒂文斯开始进行蒸汽航运方面的实验489页。
利文斯通与富尔顿的实验489页。
富尔顿制造的第一艘船490页。
哈德逊河上的蒸汽航运491页。
内河航运的扩展与改进492页。
美国的蒸汽轮船494页。
它们与欧洲蒸汽轮船的区别494页。
哈德逊河上的蒸汽轮船494页。
美国的明轮船495页。
用于远洋航行的美国蒸汽轮船496页。
美国蒸汽轮船所能达到的速度497页。
湖泊上的蒸汽轮船499页。
密西西比河及其支流499页。
在这些河流上航行的蒸汽船500页。
这类蒸汽船的结构与机械装置500页。
新奥尔良港503页。
蒸汽拖船503页。

附录：
关于普通蒸汽的温度、压力与密度之间的关系。
比奥提出的经验公式，用于说明压力与温度之间的关系505页。
……的经验公式

Southern 506
Tredgold 506
Mellet 506
De Pambour 506
MM. Dulong和Arago 506
由道尔顿与盖·吕萨克发现的弹性流体膨胀定律 506
体积与温度之间关系的公式 507
马略特定律 507
蒸汽的压力、温度、体积及机械效应表 509
在给定压力下，水的体积与其蒸发产生的蒸汽体积之间关系的经验公式 511
纳维公式 511
经De Pambour改进的公式 511
关于蒸汽的膨胀作用：在特定膨胀过程中产生的机械效应 511
蒸发及随后的膨胀过程中产生的机械效应 512
在双作用发动机中的应用 513
气缸内蒸汽压力的公式 514
在冲程的任意位置切断蒸汽时，每分钟产生的总机械效应的公式 514
反映负载阻力、发动机各部件的阻力、蒸发量、活塞速度以及气缸尺寸之间关系的公式 515
反映发动机功率、蒸发量与有效负载之间关系的公式 516
反映有效效应与工作负荷之间关系的公式 517

各种阻力来源的估算值 518
用于计算膨胀式发动机效应的表格 519
活塞面积表 520
这些公式应用实例 521

索引。
伯明翰铁路沃特福德附近的高架桥。

蒸汽机。
亚历山大的英雄。

第一章
[第003页]

目录索引

蒸汽机——备受人们关注的课题。本书的写作目的。关于其发明的种种争议。赫罗、德·加雷、德·考斯、布兰卡、沃里克侯爵。物理原理。弹性流体与非弹性流体及其特性。这些原理在赫罗、德·考斯以及沃里克侯爵的发动机中的应用。塞缪尔·莫兰德爵士。帕潘。大气压力。空气的重量——高度越高则越轻。气压计。空气与气体的弹性力。真空产生的力。普通泵。热致减压法。帕潘制造真空的方法。他对蒸汽凝结现象的发现。萨弗里。

(1.)

一项机械装置的发明历史，以及对其结构、工作原理和[第004页]用途的描述，竟能成为一本书的内容，而且这类书籍不仅可用于指导工程师或机械师，还能为普通大众提供知识并带来娱乐——在很久以前，这种想法还被视为荒谬不可信的。尽管我们在普及知识方面已经取得了很大进步，公众也越来越了解科学如何为生活服务，但或许仍只有一种机器符合这一描述：毫无疑问，那就是蒸汽机。这款非凡的机械装置拥有诸多特点，使其受到普遍的关注。无论我们着眼于它的结构与工作原理，还是它所运用的物理原理，或是那些让这些物理原理得以发挥作用的精妙设计；又或者，我们忽略这些细节，直接关注它们所带来的成果，都会让我们充满惊叹与钦佩之情。

蒸汽机的历史为我们展现了一系列极为精巧的发明，其卓越的创意在机械科学史上堪称独一无二。与其它科学成果不同，这些了不起的发明还有一个特点：要理解它们的优点并领略它们的美妙之处，无需任何先前的知识或辅助知识，只需在解释和阐述机器本身结构时加以清晰明了的说明即可。通过简洁明了的表述，辅以恰当的图表，就足以让那些理解能力普通、知识水平一般的人也能明白各种形式蒸汽机的构造与工作原理。然而，如果这些能够将巨大能量用于工业与制造业的发明因其出色的机械设计而令人着迷，那么一旦考虑到蒸汽机对人类福祉所带来的影响，这一主题将会显得更加令人震撼。它能够穿透地壳，开采出那些没有它的帮助就无法获取的丰富矿产资源；它能大量获取维持自身运转所需的燃料；它让人们摆脱最繁重的劳动，使许多工作变得轻松易行。要列举它所带来的所有好处，几乎就等于列举了生活中所有的舒适与奢华。它不仅创造了新的乐趣，还降低了原有享受的成本，使得那些过去根本无法享有这些事物的人也能拥有它们，从而提升了人类的幸福程度。在它的推动下，陆地和水面都能被轻易穿越，这促进了国家之间的交流以及人们之间的贸易往来，使得遥远的国度之间建立起难以打破的友好纽带。知识和信息在各个遥远地区之间不断流动，那些较为先进的地区会将文明与进步传播给较为落后的地区。而印刷术——现代人类得以迅速发展的重要因素——也因与蒸汽机的结合而大大增强了其力量与影响力。正因如此，文学作品的成本才得以降低。

蒸汽机逐渐被人们所重视，其作用也日益凸显；正因如此，理性取代了力量，笔也替代了剑。战争在地球上几乎消失了，而不同民族之间不可避免出现的矛盾也大多能通过和平谈判得到解决。

在每一个文明国家中，人们都会以极大的兴趣看待蒸汽机，而对英国人来说，它更值得特别关注。它的发明与不断改进都是我们这个时代、我们这个国家的成就；它几乎是在上个世纪才诞生并发展成熟的，完全是英国人的智慧的结晶，得益于英国人的进取心与资本支持。

蒸汽机是一种机械装置，它能让煤炭、木材或其他燃料发挥出各种作用。借助蒸汽机，煤炭可以用来纺纱、织布、染色、印刷以及加工丝绸、棉花、羊毛等布料；还可以用来造纸，再在纸上印刷书籍；还能把谷物磨成面粉；从橄榄中榨取油，从葡萄中酿造葡萄酒；从地下开采金属，然后对其进行锻造、熔炼、塑形，最终将其加工成各种理想的形状。此外，蒸汽机还能将这些产品运送到需要它们的地方；它还能让人和货物在河流、湖泊、海洋上航行，从而克服风和水带来的自然障碍；它能将停泊在港口的船只推出港口，使其能够开始航行；它还能将战舰紧紧包围，使其与敌舰并肩作战。此外，蒸汽机还能以远超普通风速的速度，将人和信息从一个城市、一个国家输送到另一个城市、另一个国家，这一速度甚至超过了普通人的步行速度。

这就是蒸汽机为煤炭带来的种种优势与力量。而让这些力量发挥作用的关键，则是一种大自然在地球各处大量提供的物质；虽然这种物质没有价格，但其价值却无比珍贵——那就是水。

两盎司的煤就可以使一品脱的水蒸发。在蒸发过程中，这些水会变成216加仑的蒸汽，其产生的机械力足以将37吨重的物体提升一英尺高。如此产生的蒸汽所具有的压力与普通大气压相当；利用其弹性让蒸汽进一步膨胀，还可以获得至少与之前相当的机械力。因此，一品脱的水加上两盎司的普通煤，就足以产生相当于将74吨重的物体提升一英尺高的做功量。

火车上使用蒸汽机时的工作条件并不利于节省燃料。不过，机车引擎燃烧一磅焦炭时，可以蒸发大约五品脱的水。这些水在蒸发过程中所产生的机械力足以在两分钟内将两吨重的物体在铁轨上拉动一英里。而在普通道路上，需要四匹马在六分钟内才能拉动同样的重量行驶相同的距离。

有一列重约80吨、载有240名乘客及其行李的列车，从利物浦往返伯明翰，单程行程包括停站时间在内大约需要4个半小时。这两地之间的铁路距离为95英里。而这一段190英里的往返路程，正是依靠4吨焦炭燃烧所产生的机械力来完成的，这4吨焦炭的价值约为5英镑。如果用普通道路上的客车来运送同样数量的乘客，就需要20辆客车以及3800匹马，这样单程行程包括停站时间在内大约需要12小时。

地球的周长为25000英里；如果用铁路将地球环绕起来，那么像上面描述的那样、载有240名乘客的列车，只需依靠大约30吨焦炭燃烧所产生的机械力，就能在5周内绕地球一周。

在康沃尔郡的矿井中，人们非常注重燃料的节约，因此那里的煤炭需要承担比其他地方更重的任务。一蒲式耳煤炭通常可以提升四万吨水至一英尺的高度；但在某些情况下，它甚至能将六万吨水提升到同一高度。我们不妨将其效率视为每英尺可提升五万吨水。而在一辆快速行驶的马车上工作的马，所面临的平均阻力约为二十五磅左右。在这样的阻力下，它每天能够以正常速度行驶约八英里，因此其工作量相当于将一吨水提升一英尺。由此可见，康沃尔郡所使用的那一蒲式耳煤炭，其作用相当于一百匹马一天的工作量。[Pg008]
埃及的大金字塔底边长为七百英尺，高五百英尺，其重量高达一千二百七十六百万磅。希罗多德称，在建造这座金字塔的过程中，有十万人在二十年间持续从事这项工作。要将建造金字塔所需的材料从地面提升到当前位置，需要燃烧大约四百八十吨煤炭。
梅奈桥由约两千吨铁制成，其高出水面的高度为一百二十英尺。要将这座桥从水面提升到当前位置，需要燃烧四蒲式耳煤炭。
近年来，蒸汽机在工业、制造业以及铁路和航运领域的广泛应用导致了大量煤炭的消耗，这让许多人担心煤矿资源会耗尽。不过，这种担忧是完全没有根据的。如果按每年消耗一千六百万吨煤炭来计算，那么这个国家的煤矿资源至少还能维持数个世纪才会被耗尽。
但在这类推测中，不应忽视那些可能出现的、甚至是必然的进步与发现；我们可以肯定地说，远在那个时期到来之前，其他更强大的机械动力就会取代煤炭的使用。哲学已经指向了电和磁现象中所蕴含的、取之不尽的能量来源。

此外，借助磁力和电力对水进行分解与重组的过程，与蒸发和凝结这两种过程极为相似，因此并非所有人都能立刻想到这一可能性。通过化学作用使固体物质转化为气体，再让这些气体凝结成液态，这一过程早已被用作获取能量的手段。总而言之，当前物理科学的发展状况、各个文明国家在科研方面所展现出的热情与智慧、科学界人士日益受到的重视，以及他们开始获得的各种荣誉与奖励，都足以让我们相信：我们正处于即将迎来比以往任何发明都更为伟大的机械发明的临界点；而由瓦特所创造的蒸汽机，凭借其强大的动力，在未来与那些尚未被发现的自然力量相比，也将显得微不足道。总有一天，这台如今正将文明的恩惠带到地球最遥远角落的机器，也将仅存在于历史记载之中。

(2.)

本书旨在以通俗易懂的方式，介绍蒸汽机的发明历史，阐述其结构及目前各种应用形式下的工作原理，以及它在日常生活中的重要用途，尤其是陆路和水路运输领域。希望这些内容能够让具备基本知识的人士轻松理解，无论他们是出于对蒸汽机发明所带来的巨大变革的兴趣——那些变革如此迅速且影响深远，还是因为看到科学在艺术领域的诸多成功应用而感到欣喜；又或是出于商业或职业上的需要，想要了解这对我们的商业和制造业发展至关重要的机器。我们的目标是为前者提供他们所需的所有信息；如果本书能做到这一点的话……

虽然其涵盖的范围并非像某些人期望的那样全面，细节也未必十分详尽，但它至少可以作为一种简便易行的入门指南，帮助读者了解那些内容更为丰富、成本更高、细节更复杂，但理论深度不足且表述方式也不够通俗的著作。在阐述蒸汽机从最初的粗糙不完善状态逐步发展到如今相对完善的形态过程中所出现的各种形式时，有必要涉及各种物理现象和机械原理。尽管这些原理对于熟悉科学知识的人来说显而易见，但对于绝大多数读者而言，却很可能只是知之甚少。若要让读者去参考其他关于力学和普通物理学的著作来获取相关知识，对大多数读者来说不仅毫无效果，而且也无法令人满意。在本书的前几版中，我们将这些必要的物理与力学原理放在了序章中；不过总体来看，将相关原理的阐述置于需要应用它们的地方似乎更为方便。因此，在遇到这些难题时，我们会暂时停下来，给出最合适的解释与说明，以便让非专业读者也能理解并感兴趣。在艺术与制造业的历史上，没有任何一项发明像蒸汽机那样，被如此多的不同国家和个人宣称拥有其发明权。那些争夺这一荣誉的人以极大的热情来主张自己的权利，这种热情有时甚至超出了应有的限度；而这场争夺往往还带有民族偏见和个人偏见，其激烈程度实在与如此高尚的事业不相称，也有损科学的尊严。“当一个问题被清晰地提出来时，它就已经解决了一半。”让我们看看，认真遵循这一原则是否有助于我们探究蒸汽机的起源。那台机器的动力来源，正蕴藏在以下自然现象之中。

首先，当火作用于水时，水会变成蒸汽，在这一变化过程中，如前所述，会产生相当大的机械力。通过适当的方法，这种力可以被用于任何需要劳动力或动力的场合。

其次，所产生的蒸汽具有弹性，因此能够膨胀、增大体积，在膨胀过程中会产生力，而随着蒸汽体积的增大，这种力的能量会逐渐减弱。这种机械力同样可以用于任何需要劳动力或动力的有用场合。

第三，通过适当的方法，这种蒸汽可以重新转化为水；在转化之后，它会恢复到原来的体积，从而离开其作为蒸汽时所占的空间，使该空间变为真空状态。物理学中已知，当出现真空时，周围的物体会有趋势以一定的力量涌入其中。因此，任何能产生真空的装置都能成为巨大机械动力的来源。既然蒸汽可以重新转化为水，它也就再次变成了一种机械动力源。

这些自然现象正是所有蒸汽动力来源的根源。在某些类型的蒸汽机中，会利用其中一种原理；在另一些类型中则利用另一种原理；还有些蒸汽机则综合运用了所有这些原理。但在现有的任何蒸汽机中，都不存在其他机械动力的来源。

无论是这些自然力还是其他任何自然力，都无法直接用于任何有用的用途。必须借助机械装置才能实现其作用；能否有效利用这些自然力，完全取决于这类机械装置的发明与设计。

因此，蒸汽机的诞生既得益于发现，也得益于发明。那些发现了水转化为蒸汽时会产生机械力这一事实的人，理应被视为蒸汽机发明的功臣，即便他们从未将其付诸实际应用。

他将自己的发现付诸实践。对于那些最先发现蒸汽膨胀所产生的机械动力来源的人，也可以说同样的事情。而那些发现蒸汽重新变为水后会大幅收缩、从而形成真空这一现象的人，同样有资格获得应有的赞誉。[Pg012]
这些自然力量能够被广泛用作动力源的机制极为多样且复杂，无法归功于某一位发明家。阿拉戈先生说道：“如果让一位精通钟表制造史的钟表匠明确回答‘谁发明了钟表？’这个问题，他将会哑口无言；但如果让他分别说明是谁发现了发条的用途、各种不同的擒纵装置或摆轮的原理，那么这个问题的难度就会大大降低。”蒸汽机也是如此——它是由许多彼此不同的装置组合而成的，而这些装置都是不同发明家的杰作。不过，如果真要选出一位比其他人更值得特别提及的人，如果真要将这项发明的主要功劳归于某位凭借其卓越的机械天赋为蒸汽机赋予了特定结构与特性的人，正是这些特性使得蒸汽机具有了如今如此巨大的实用价值，使其成为一种能将好处带给整个文明世界的强大动力，那么全世界的共识都会将这一荣誉授予那位才华出众、远超其他竞争者的伟人。正因有了他的智慧与努力，蒸汽机才取得了如此惊人的成就，也正因为此，所有关心文明进步的人都会对它感兴趣。在詹姆斯·瓦特带来重大发明之前，这种后来变得如此受人们关注的蒸汽机，其实只是一种威力极其有限的机器，其重要性和实用性都远远不及其他用作动力的机械装置；但从那个时代起，它便不再仅仅是英国人关心的对象，而是与人类进步息息相关的重大发明。
亚历山大的赫洛斯，公元前120年

(3.)

人们发现：当水在热作用下蒸发时会产生机械力，[Pg013]这一发现应被视为蒸汽机发明过程中的第一个重要步骤。在《Spiritalia seu Pneumatica》一书中记载，亚历山大的赫罗在公元120年前就设计出了一种由水蒸气的机械力驱动的机器。这种机器的原理其实很容易理解：当流体从封闭容器中流出时，该容器会受到与流体流出时所施加的力大小相等、方向相反的力。如果水从某个孔口流出，那么在该孔口后方就会产生与水流出时所施加的力相对应的压力。当人开枪时，火药爆炸产生的气体会以一定的力量从枪口喷出，而人的肩膀则会因反作用力而向后移动。如果枪口不是朝向前方，而是与枪身成直角，那么爆炸产生的气体就会向侧面喷出，反作用力也会使射手像旋转舞者一样绕着轴心转动。这就是赫罗设计的蒸汽机的原理。在图1中，一个小球被安装在A点和B点的支点上，可以围绕这些支点旋转；蒸汽通过DCEF管中的某一个支点进入，这些管道与锅炉相连。蒸汽会充满AIBK这个球体，以及IH和KG这两根臂状结构。位于这些臂状结构末端附近的G点有一个侧向孔口，蒸汽可以通过该孔口以喷射的形式排出，由此产生的反作用力会使臂状结构旋转。在管道另一侧的H点也有一个小孔口，能产生类似的效果。以此类推，还可以设置任意数量的臂状结构，它们环绕着球体，并与球体内部相连。

轮子的辐条。这些臂上设有用于蒸汽逸出的侧向开口，其布置方式使得反作用力能够[Pg014]使球体朝同一方向转动，从而将旋转动力传递给任何需要驱动的机械装置。
在沉睡了近两千年之后，这种机器终于被重新启用，如今，与它结构相似的发动机已在许多国家开始运转。在适当的地方，我们将详细介绍艾弗里的旋转发动机，可以看出，无论是在原理上还是细节上，它都与亚历山大的赫罗所设计的机器极为相似。
尽管古人并未将蒸汽的弹性力转化为数值指标，也无法对其加以控制或将其用于实际用途，但他们似乎已经以模糊而笼统的方式认识到了这一现象。亚里士多德、塞内卡以及其他古代作家将地震归因于地球内部的水突然转化为蒸汽，而他们认为这种转化是由地下的热量引起的。既然蒸汽会被赋予如此巨大的力量，那么几乎可以肯定，希腊人和罗马人早就知道水在变成蒸汽时会产生强大的机械能。他们意识到，那些由蒸汽引发的地震所具有的力量足以突破海洋的自然边界，推翻人类建造的最坚固的建筑，让岛屿在海洋中浮现，甚至抬升大陆表面，形成高耸的山脉。
然而，这些观念并非源自任何精确的科学原理，而是源于对某些现象的模糊类比——这些现象在艺术创作中随处可见，比如在铸造那些装饰着罗马和雅典的庙宇、花园及公共场所的精美雕像时就会发生。工匠们也会遭遇与现代铸工类似的意外情况，即倒入熔融金属的模具中若有少量水分存在，就会产生高压蒸汽，进而引发具有破坏性的爆炸。希腊和罗马的工匠们也曾面临这样的危险，而哲学家们则对此进行了概括。

这一事实有助于我们找到解释地震与火山等更为复杂现象的答案。在自然现象被用于实际用途之前，它们往往先被用来满足人们的迷信需求。蒸汽的力量也不例外。《编年史》中记载，在威悉河畔，古代日耳曼人有时会用一种类似雷电的现象来表达他们的不满，随后就会有一团云雾笼罩住神庙。在一些考古发现中找到的布斯特里希神的雕像，清楚地展示了祭司们是如何制造出这种“奇迹”的：这座金属神的头部是空心的，里面装着一壶水；它的嘴部以及额头上方的一个孔都被木塞堵住；在头部下方的一个凹槽中放置了一个小炉子，里面装有木炭，一旦点燃，木炭就会逐渐加热壶中的水。水蒸发产生的蒸汽在积聚足够压力后，会以巨大的声响将木塞冲出，紧接着就会有两股蒸汽喷出，在神像周围形成一片浓密的云雾，从而让惊愕的崇拜者们看不清神像的模样。[1]

还有许多有趣的轶事可以体现古人对蒸汽机械力的了解。据说，圣索菲亚大教堂的建筑师安特米乌斯就住在泽诺的隔壁，两人之间存在恩怨。为了惹恼邻居，安特米乌斯在自己房子的底层放置了几台装有水的锅炉。每台锅炉的顶部都有一根软管，这些软管通过两栋房子之间的墙上的孔延伸到泽诺房子的地板下方。每当安特米乌斯想要捉弄泽诺时，他就会点燃锅炉里的火，产生的大量蒸汽会以强大的力量涌入泽诺的房子，导致地板剧烈震动，出现类似地震的景象。[2]

布拉斯科·德·加雷，公元1543年。

1826年，德·纳瓦雷特在《扎克天文通讯》上发表了西曼卡斯皇家档案馆馆长托马斯·冈萨列斯的报告。该报告描述了1543年进行过的一项实验：当时有人用一种外形类似蒸汽机的机器来驱动船只。同年，海员布拉斯科·德·加雷向查理五世皇帝提议，使用他发明的机器来驱动船只，即便在风平浪静的情况下也无需使用桨或帆。尽管这个计划看似不太可能实现，但皇帝仍下令在巴塞罗那港进行试验，1543年6月17日被定为试验日期。查理五世指派的多洛雷奥的唐·亨利、卡多纳的唐·佩德罗、财政官拉瓦戈以及加泰罗尼亚的副首相兼行政长官等人负责监督并见证这次试验。用于试验的船只是一艘载重200吨的“三一号”船，它刚刚在巴塞罗那卸下了玉米货物。加雷甚至对那些负责监督试验的人也隐瞒了他所使用的机器的真正原理。在试验过程中，人们只发现该机器由一个装有水的大锅炉组成，船的两侧各装有一个轮子，通过这些轮子的转动来推动船只前进。目睹了试验后的委员们向国王提交了报告，总体上认可了这项发明，尤其赞赏它能让船只如此轻松快捷地转向。不过，本身就反对这一计划的财政官拉瓦戈则称，该机器能让船只以每小时两里格的速度行驶；而其他委员则认为，它的速度至少为每小时一里格，且能让船只以与普通帆船相同的速度转向。拉瓦戈还指出，这种机器过于复杂且成本高昂，还存在锅炉爆炸的危险。试验结束后，加雷带走了所有的机器，只在巴塞罗那的军械库中留下了船体结构。尽管有拉瓦戈的反对，这项发明仍然得到了认可，发明者不仅获得了晋升和金钱奖励，其所有费用也得到了报销。

由于该机器的构造被隐藏起来，因此无法确定它究竟是由什么构成的；不过既然使用了锅炉，那么很可能是蒸汽在驱动该机器运转，当然这也不能完全确定。曾经有人提出过各种不同的机器设计，其中一些设计中包含了炉子与锅炉，但并未使用蒸汽作为动力源。阿蒙顿的机器就是这样的一个例子。加雷的设计很可能与赫罗的设计类似。16世纪时西班牙的科技水平还很落后，根本无法制造出需要极高精确度的机器。而赫罗设计的机器结构简单，因此其制造与操作都相当可行。至于那些以上述文献为依据、声称加雷发明了蒸汽机的人，他们的观点其实站不住脚——因为尽管加雷因这项发明而获得了当时政府的奖励与晋升，而且人们也承认这种机器在将船只拖出港口等方面具有极大的实用价值，但实际上似乎并没有进行过第二次实验，更不用说将这种机器投入实际使用了。

所罗门·德·考斯，1615年。

(5.)

在1612年之前，所罗门·德·考斯曾是法国国王路易十三的工程师兼建筑师。那一年，他加入了普法尔茨选帝侯的麾下，后者娶了詹姆斯一世的女儿为妻，于是所罗门也随同前往英格兰。他在那里受威尔士亲王的委托，负责装饰其在里士满的花园。[Pg018] 在英格兰期间，他于同年在伦敦撰写并出版了一本关于透视法的论著。他还写过一本名为《动力的原理以及各种既实用又有趣的机器》的著作，该书显然是在海德堡撰写的，但于1615年在法兰克福出版。同一本书后来又在1623年在巴黎再版。这篇论著开篇便对当时人们认为的四种元素——土、气、火、水——进行了定义。其中，空气被定义为一种寒冷、干燥且轻盈的元素，它可以被压缩。

极其剧烈。他说：“当水通过火的作用被释放到空气中，而空气又被封闭起来时，就会产生巨大的暴力效应。例如，取一个直径为一到两英尺、厚度为一英寸的铜球，通过一个小孔将水注入其中，然后用木塞将小孔严密封堵，使空气和水都无法逸出。如果把这个铜球放在烈火上加热，使其变得非常热，那么就会产生极大的压力，导致铜球爆裂，发出类似鞭炮的响声。”这里所描述的效应是由铜球内受热的空气所产生的压力以及水蒸发产生的高压蒸汽共同作用的结果，不过后者所起的作用远大于前者。不过从德·考斯的描述来看，他似乎认为这种力量完全来自空气，而且他认为空气的力量源自于水中释放出来的气体。

第一个定理是：“各种元素会暂时混合在一起，之后又会各自回到原来的位置”（此处所说的元素显然就是空气和水）。关于这一点，有一个例子：“取一个四周都密封好的铜制圆形容器，容器上有一根管子，管子的一端靠近容器的底部，另一端则伸出容器外部，并配有旋塞；容器顶部还有一个孔，也有塞子用来封住它。如果在这个容器中倒入三壶水，先倒入一壶水，然后将容器放在火上加热三到四分钟，期间保持孔是敞开的。之后把容器从火上拿下来，稍等片刻后，把孔中的水倒掉，会发现有一部分水因为火的热量而蒸发了。接着再像之前那样倒入一壶水，封住孔和旋塞，再将容器放在火上加热相同的时间；之后把容器拿下来，让它自然冷却，不要打开塞子。等它完全冷却后，再把水倒出来，会发现水量与最初倒入的量完全相同。由此可见，第一次加热时蒸发的水，在蒸汽被封在容器内并自然冷却之后，又重新变回了水。”

在这些实验的描述中，蒸发与凝结的过程仅被含糊地提及；并未显示出作者了解蒸汽的弹性作用力。他的理论是：水这种元素的不同组成部分会暂时与空气中的成分混合在一起；火是导致这种混合的原因，而当火熄灭、热量散去后，那些与空气混合的水分就会回到原来的位置，重新成为水的一部分。文中没有提到水在变成蒸汽时其性质会发生任何变化。如果德·考斯知道水蒸气也具有他与空气相同的强大力量，或者知道由火产生的水蒸气其实也是一种流体，具有与空气完全相同的机械特性并能产生同样的机械效应，那么他应该会明确地阐述这一观点才对。

他接着又给出了另一个证明，说明热能使水分子与空气分子混合。“将一定量的水倒入容器中，封住排气孔，打开阀门，然后将容器放在火上，把锅放在阀门下方；此时，容器中的水会在火的热量作用下上升，从而从阀门流出来；不过大约有六分之一到八分之一的水不会流出，因为促使水上升的蒸汽力量源自于水本身，这些蒸汽会以极大的力量随水一起从阀门中喷出。”他还举了水银的例子：水银也是一种流体矿物，受热后会变成蒸汽并与空气混合一段时间；但当这些蒸汽冷却后，又会恢复成水银的原有状态。水蒸气的密度更小，因此上升得更高，等等。

在第二个实验的描述中，“因为促使水上升的蒸汽力量很大”这类表述似乎隐含了对蒸汽作用力的某种暗示。

第五个定理如下：“在火的帮助下，水可以升到高于其正常液面的位置。”这一论点是通过以下方式加以解释和证明的：

第三种提水方法是利用火来驱动。根据这一原理，可以制造出各种机器；此处我将介绍其中一种。取一个标有A字的铜球，其各部分都经过妥善焊接，铜球上还连接着一根标有D字的管子以及一个阀门，通过该阀门可以将水注入铜球内；此外，还有一根标有B、C字的管子，它被焊接在铜球的顶部，其下端C几乎到达铜球底部但不与其接触。通过D字管将水注入铜球中，然后关闭D字阀门，再打开BC垂直管上的阀门，将铜球置于火上。热量作用于铜球后，会使水在BC管中上升。

在所描述的装置中，位于水面以上的锅炉空间内充满了空气。在火焰的作用下，会产生两种效应：首先，水面上方的空气受热后弹性增加，从而以相应的力压迫水面。这样一来，水就会在AB管中上升，上升的高度刚好能够抵消锅炉内受热空气的弹性力。除此之外，锅炉中的水受热后会产生蒸汽，这些蒸汽与锅炉内的空气混合后，也会以其自身的弹性力压迫水面，进而与空气一起推动水在AB管中上升。在上述对这种机器的描述中，推动水在AB管中上升的力量被归因于火，而完全没有提及水或由水产生的蒸汽在其中的作用。

在这一发明出现之前，人们已经知道热量会增强空气的弹性。从上述描述来看，即使不了解蒸汽弹性的话，也完全可以认为整个过程是由空气驱动的。不过，阿拉戈先生……

根据德·考斯的著作，他也有资格分享蒸汽机发明的荣誉。有观点认为，德·考斯完全了解蒸汽在该装置中的作用，尽管上述描述中并未提及蒸汽；因为在引用的第二段论述中，他使用了“使水上升的蒸汽力量源自那部分水；这些蒸汽会以巨大的力量从阀门中喷出”这样的表述。阿拉戈先生认为，通过这些话，德·考斯实际上描述了蒸汽所具有的弹性特性，而上下文也足以支持这样的推断：正是这种弹性使得管子CB中的水能够上升。关于德·考斯的出生地，似乎存在一些不确定性。《世界传记辞典》中称他出生于诺曼底并在此地去世，而阿拉戈先生则认为他的出生地是迪耶普或其周边地区。还有一位名叫伊萨克·德·考斯的工程师和建筑师，他也来自迪耶普，他出版了一本对开本的书，名为《一种将水提升至其源头之上的新发明，以及利用水力驱动的各种机械，还有关于其运作原理的阐述》。这本书没有标注出版日期，但从内容来看，它应该是在所提到的所罗门·德·考斯的著作之前出版的。两本书中描述的图纸和机械完全相同；但上述关于利用火力提升水的原理及定义、定理在伊萨克的著作中并未出现。因此，看来所罗门·德·考斯是在伊萨克·德·考斯的作品基础上加以补充后重新出版的。由于这两位作者的出生地相同，且他们的研究领域也相似，很可能他们是同一家族的成员；而从他们的名字来看，他们很可能是犹太人。上述那本书是献给路易十三的，在献词中，所罗门·德·考斯称自己为那位君主的臣民；而在该书的授权书中，则称他为“我们深爱的所罗门·德·考斯，这位优秀的工程师，目前为我們亲爱且深受敬重的表弟——普法尔茨选帝侯效力，他向我们展示了这一发明”，等等——“我们希望奖赏这位德·考斯，因为他毕竟是我们的臣民”，等等。

因此，无论德·考斯的出生地为何，可以肯定的是他至少是法国的臣民。他的著作是用法语写成的，尽管是在莱茵河以岸出版的，这一事实也足以证明他是法国人。
——乔瓦尼·布兰卡，1629年。

(6.)
来自意大利洛雷托的工程师兼建筑师乔瓦尼·布兰卡提出，可以利用从大型风筒中喷出的蒸汽来驱动各种类型的机械，让蒸汽冲击轮子的叶片从而使其转动。布兰卡发明了许多巧妙的机械装置，他将这些发明汇集在一起并献给了洛雷托的总督M.切恩西。这些发明被收录在1629年于罗马印刷的一本书中。这本书为薄型四开本，书名为《新机器集：蕴含诸多精妙设计，能产生令人惊叹的效果，无论是与动力相关还是与机械运作相关，书中还配有精美的插图。作者为罗马市民乔瓦尼·布兰卡，1629年于罗马出版》。该书包含63幅版画，附有意大利语和拉丁语的说明。第25幅版画中所展示的布兰卡的蒸汽机，其轮子边缘装有扁平的叶片，类似于桨轮的叶片。蒸汽在密闭容器中产生，然后从管道末端强力喷出，冲击叶片，从而使轮子旋转。通过常规的机械装置，这种动力可以被用来驱动各种机械。书中还介绍了这种动力的多种实用应用，比如用于研磨材料制成火药的研钵，以及用于磨碎材料的滚石；还有用于提水的机械、锯木头的工具、打桩机等。这种利用蒸汽力量的方法与现代发动机中的任何蒸汽应用方式都不同。
——爱德华·萨默塞特，伍斯特侯爵，1663年。

(7.)

在早期关于蒸汽机的记载中，最值得注意的人物当属伍斯特侯爵。他在名为《一百项发明的记载》的著作中描述了一台机器，该国人们普遍认为这使他有资格被视为蒸汽机的发明者。在革命期间的内战中，伍斯特侯爵站在保王党一方，因此失去了财产，不得不前往爱尔兰并被囚禁。他后来从那里逃脱，来到法国；又以查理二世的秘密特工身份冒险前往伦敦，但被识破后又被关进伦敦塔，直到王政复辟后才获释。关于蒸汽机的发明，有这样一个传说：有一次，在被囚禁期间，伍斯特侯爵看到用来煮食物的锅盖被锅中的水蒸气猛地顶起。他意识到，如果能够合理利用这种力量，就能将其转化为一种有用且便捷的动力源。获得自由后，他便开始将这一想法付诸实践。他在上述著作的第68项发明中这样描述自己的发明：“我发明了一种极为出色的方法，可以利用火力将水抽上来；并非通过抽吸的方式，因为正如哲学家所说，那种方式的作用范围有限。而只要容器足够坚固，这种方法就没有限制。我取了一门炮的炮管，将其一端炸裂，然后往里面灌入四分之三的水，封住并拧紧破裂的一端以及射击孔，再在下方持续加热。24小时内，炮管就会爆炸并发出巨大的声响。既然有了让容器因内部压力而变得更坚固的方法，再加上可以不断向容器中注水，我就能够让水像喷泉一样喷射到40英尺的高处。一台经过加热处理的水泵可以带动40台冷水泵，操作人员只需转动两个阀门即可——当一台水泵的水用尽后，另一台就会立即开始工作并继续注水。”

冷水，以此类推；同时还要持续为火源提供热量，保持其稳定状态。在需要转动上述阀门之间，同一个人完全可以承担这些工作。由于《发明世纪》一书出版于1663年，因此这里所提到的实验必定是在那之前进行的。书中对这种机器的描述，以及同一著作中的其他描述，其目的并非是为了让读者了解他所使用的机械结构的本质，而只是为了说明该机器所产生的效果，并指出这些效果所依据的物理原理。此外还需注意的是，伍斯特在他所描述的各类机器的相关描述中都刻意营造了一种神秘感；因此，上述描述中的模糊之处不应被视为他声称发现了蒸汽的机械作用力的证据，只要这些效果确实如他所说那样由蒸汽产生即可。不过，上述描述已经足够清晰明了，任何了解蒸汽力学特性的人都能理解这种机器的大致结构。为了让那些不熟悉物理学的人也能理解这种机器以及之前所描述的德·考斯设计的机器，我们有必要在这里解释一下这些机器发挥作用所依赖的一些基本原理。[Pg025]

(8.)

流体分为两种：非弹性流体，即液体；以及弹性流体，即气体。在非弹性流体中，水是最常见的例子；而在弹性流体中，空气则是典型代表。这两种流体各自具有不同的机械特性。

(9.)

液体的构成粒子与固体的构成粒子不同，因为液体的粒子之间几乎没有黏聚力；因此，除非被容器壁限制住，否则这些粒子会因重力作用而分离。所以，与固体不同，液体永远无法保持其形态。

它没有固定的形状，而是会随其所处容器的形状而改变。它会以自身的重量全部压在容器的底部，同时也会以与液体表面到接触侧面的粒子深度成正比的力压在容器侧面上。正是这种侧向压力使得液体与固体有所区别。让我们以图3中的方形或立方形容器ABCD为例进行说明。如果将一块铅块切割成与这个容器相同的形状，使其能够恰好放入容器中且不会对容器侧面施加任何压力，那么当它被放入容器后所产生的机械作用力就仅限于对底部BC的压迫，其大小等于该金属块的重量。由于固体中粒子间的凝聚力使它们保持原有位置，因此即使去掉容器的侧面，容器内的固体也不会发生任何变化。

现在假设这块铅块被熔化而变成液体。此时，构成液体的粒子将失去原有的凝聚力，它们会倾向于分离，并在重力作用下彼此分开，只有容器侧面AB、DC所提供的支撑才能阻止它们真正分离。因此，液体会对容器侧面施加压力，而这种压力在固态铅时是不存在的。这种压力在不同深度处会有所不同：例如，容器侧面P处的那一平方英寸面积将会受到与点P位于铅液表面下深度成正比的向外压力。如果我们取容器侧面P处内表面的一平方英寸面积，它所承受的向外压力就相当于以一平方英寸为底面、高度为PA的铅柱的重量。同样地，容器侧面的每一平方英寸面积都会承受相当于相应高度的铅柱重量的向外压力。

其底部的尺寸为1英寸，高度则等于铅块表面下该点的深度。

(10.)

我们在这里的假设是：没有力作用在铅块的上表面AD上。如果有什么力将AD向下压，那么这个力会通过铅块传递到底部，从而在底部BC处产生与该力大小相等的压力，再加上铅块本身的重量所产生的压力；如果铅块是固态的，那么这就是这种力作用在AD表面时所产生的唯一额外机械效应。但另一方面，如果铅块是液态的，那么作用在AD表面的这种力不仅会在底部BC处产生与自身大小相等的压力，还会在容器的各个侧面上产生与作用在AD表面时相同的压力。因此，如果我们假设有一种机械作用能在AD表面上产生每平方英寸10磅的压力，那么如果铅块是固态的，其底部BC就会产生每平方英寸10磅的额外压力；而如果铅块是液态的，除了在底部BC的每平方英寸上产生这种压力外，容器的各个侧面的每平方英寸也会产生10磅的压力。这里关于方形或立方形容器的论述同样适用于任何其他形状的容器。[Pg027]

(11.)

第二类流体与液体的区别在于，这类流体的粒子不仅没有黏聚力，反而具有相互排斥的倾向，会以不同的力量彼此分离。因此，如果像图3所示的那样，一个顶部开口且不受任何压力限制的容器中充满了这类流体……

由于具有弹性，流体中的粒子不会像液体中的粒子那样因重力而停留在容器内；相反，它们会因为相互间的排斥力而飞散，并从容器中上升出来，就像烟从烟囱中升起、蒸汽从水壶的喷口冒出一样。假设盛有弹性流体的容器四周都被固体表面封闭着。具体来说，我们可以想象图3中所展示的方形或立方形容器，其顶部有一个AD形的盖子，容器内装有如大气空气之类的弹性流体。如果将这样的盖子放在液体上，那么盖子不会受到流体的压力，也不会产生任何机械效应，只有那些在开放容器情况下已经描述过的效应而已。但当容器内的流体具有弹性时，比如空气，那么这种弹性（即流体粒子相互飞散的趋势）就会产生一些特殊的机械效应，而这些效应在液体情况下是不存在的。的确，如果流体是空气或其他气体或蒸汽，那么容器底部BC处会产生相当于该流体重量的压力，而容器侧面的不同位置则会产生由位于这些位置上方的流体重量所导致的压力；但由于气体和蒸汽的密度极低，实际上这些由重量产生的效应可以忽略不计。因此，先不考虑容器内空气的重量，我们来研究一下其弹性的影响。如果如前所述，容器内装的是处于正常状态的大气空气，那么构成空气的粒子就会试图相互飞散，从而在容器内表面的每一平方英寸上产生15磅的压力；正如前面所说，这种压力与空气的重量完全无关。事实上，即使容器内的空气因为远离地球而不再具有重量，这种压力依然会存在，因为地球才是产生重力的原因。

不同的气体具有不同的弹性程度，而同一种气体在其所处的空间大小发生变化或所处温度改变时，其弹性也会随之增加或减少。如果将弹性流体所处空间的容积扩大，其弹性就会按相同比例下降。例如，若让图3中ABCD容器内的空气进入容积为其两倍的容器中，由于气体的弹性作用，这些空气分子会互相排斥，从而使相同量的空气扩散到容积变为原来的两倍的容器中。在这种情况下，该空气对较大容器壁施加的压力仅为其对较小容器壁施加压力的一半。相反，如果将其强行放入容积仅为ABCD一半的容器中，其弹性则会变为原来的两倍，从而以两倍的力作用于该容器的内表面。这种能够根据其所处容器的容积或施加在它身上的压力而改变自身尺寸的能力，正是弹性的直接体现，因此是气体或弹性流体所特有的性质，液体则不具备这种特性。如果将ABCD容器中的液体转移到容积为其两倍的容器中，它只会占据该容器一半的容量，而且也无法像空气或气体那样被转移到容积为一半的容器中，因为它没有弹性且不可压缩。

气体的弹性还会随着其所处温度的变化而改变。一般来说，如果空气或其他气体的温度上升，其弹性也会增强；反之，如果温度下降，其弹性也会减弱。因此，任何空气或气体的温度越高……

被限制在容器中的物质，其施加在容器内壁上的压力就会越大，进而有可能使容器破裂。

(14.)

在热的作用下，同一种物质可以依次经历固态、液态以及气态或蒸汽态。最常见且最典型的例子就是水。在特定温度下，水只能以固态存在；随着温度上升，冰或固态水会液化；再继续加热的话，水又会发生变化，变成空气或气体的形态，并具备气体的物理性质——这种状态就被称为蒸汽。这是所有液体的共同特性：只要让它们在足够长的时间内处于足够高的温度下，它们总会转化为弹性流体。这类流体通常与空气及其他永久性气体区分开来，因为后者永远不会以液态存在，人们用“蒸汽”来指代那些在常温下以液态或固态存在的弹性流体；而“水蒸气”则特指水的蒸汽；至于“气体”，则是指那些像空气一样，在正常情况下永远只以弹性流体形态存在的物质。

(15.)

当液体因受热而变成弹性流体或发生蒸发时，除了获得弹性这一特性外，其体积也会发生显著变化。不同液体的体积变化程度各不相同，即使是同一种液体，其体积变化也会因产生变化的条件不同而有所差异。

(16.)

在正常情况下，当水蒸发时——也就是说，当它仅受到大气压力的作用时——其体积会增大约1700倍。因此，1立方英寸的

液态水[Pg030]在蒸发后会形成大约1700立方英寸的普通蒸汽。不过，如果水所处的压力高于常压，那么其在蒸发过程中的体积增加幅度就会相应减小。这些重要的物理现象目前仅被简要提及；随着我们对蒸汽机发明与改进过程的进一步阐述，这些内容将会得到更详细、更准确的说明。

(17.)

在充分理解了上述内容之后，就不难理解那些早期尝试将蒸汽用于机械驱动的原理了。在亚历山大的赫罗所设计的装置中，旋转球体内部的气体具有弹性，这种弹性使得气体从球体上的侧向开口处逸出，如图1中的G点所示。然而，由于这些开口处于常压环境中，而常压的大小约为每平方英寸15磅，因此，只有当蒸汽的压力或弹性超过这一数值时，它才能从这些开口中逸出。一旦达到这一条件，蒸汽逸出的力量就会等于其弹性与大气压之间的差值；正是这种压力差所产生的反作用力使得球体回弹，从而为机器提供动力。在德·考斯设计的装置中，火焰的热量会加热容器DC内的水以及水面上方的空气。随着温度的上升，空气的弹性也会增强，因此它会以更大的力压迫水面，逐渐将水向上推入管道中。这一过程会持续进行，直到容器中的所有水都被推到管道中为止。不过，虽然热量提升了水面上方空气的温度，但它同时也会导致水部分蒸发，从而使更多或更少的蒸汽混入容器中的空气中。

在水面之上[Pg031]；这种具有弹性的蒸汽会与空气一起作用，对水面施加压力，从而将水提升到管中。现在让我们再回到《发明世纪》一书中对伍斯特侯爵所设计的发动机的简短描述。从该描述中我们可以得知：用于蒸发水的容器是与那些用于提升水的容器分开的；此外还有两个结构相同的容器，通过“被火加热而变得稀薄的水”所产生的压力，这些容器中的水会交替被提升起来；换句话说，就是图4、图5和图6所示的情况。通过连接这些容器与锅炉的两个阀门，水可以持续不断地被提升。以下就是符合这一描述的装置：设E（图4）为用于蒸发水的容器，它位于适当的炉子A上方；设S为一根管道，用于让E中沸腾的水产生的蒸汽进入需要其发挥机械作用的容器中。设R为一个阀门或调节装置，其中有一个弯曲的通道，当杠杆或手柄L处于图中所示位置时，该通道通向管道T；而当杠杆L向右转动四分之一圈时，该通道则通向管道T′。

图5。通过移动此杠杆，蒸汽管S就可以交替与管道T和T′相连。管道T和T′分别通向两个容器V和V′，这两个容器中装有需要提升的水。在这些容器中，管道从C点和C′点进入，几乎一直延伸到底部；这些管道在B点和B′点处装有阀门，这些阀门朝上开启，这样水就可以流入垂直管道F中，但无法再流回下方，因为上方的水压会使阀门B和B′闭合。

设GG′为连接容器V和V′侧面的管道，用于向这些容器中注入需要提升的水；设K为一个具有类似R型结构的阀门，它通过一根管道将水从储水器或其他水源引入容器中。当阀门K处于图4所示的位置时，水会从储水器经K中的弯曲通道流入G′管，进而进入容器V′；而当该阀门转动四分之一圈、杠杆向左移动时，它就会处于图6所示的位置，此时水会通过弯曲通道流入G管，进而进入容器V。现在假设容器V已经装满了需要提升的水，而容器V′则已排空了其中的液体。此时打开阀门R，让锅炉E产生的蒸汽进入管道T，再进入容器V的上部；同时打开阀门K，让储水器中的水进入G′管，进而进入容器V′。聚集在容器V′上部的蒸汽会以其弹性力作用于容器内的水面，迫使水沿着C管向上流动；水会穿过阀门B——蒸汽产生的向上压力使阀门打开——然后进入管道F，而由于阀门V′只能朝上开启，水就无法再流入C′管。随着锅炉E不断向容器中供应蒸汽，容器V中的水会被迫沿着C管、经过阀门B进入管道F，直到容器V中C管下端以上的所有水都被提升上来。与此同时，通过阀门K，容器V′中也充满了水。一旦这一过程完成，操作人员……

操作人员会调整阀门R和K的位置，使其处于图5和图6所示的状态。[Pg033] 在这种状态下，锅炉产生的蒸汽会从管道T流出，进入管道T′，再流入容器V′；而储水器中的水则从管道G′流出，经管道G流入容器V。这样，容器V就会得到补充。通过与前述类似的过程，容器V′中的液体会被迫沿着管道C′、经过阀门B′进入管道F；由于阀门B的阻挡，这些液体无法流入管道C，因此阀门B会关闭。当容器V′中的液体被抽出、容器V得到补充后，阀门R和K又会再次被调整，如此循环往复。

如果读者在理解了此处所描述的装置之后，再去参考伍斯特侯爵的机器的描述，就会发现该机器满足了其中规定的所有条件。通过这种装置，一个装有“被火加热后的稀薄水”的容器，就可以驱动四十个（或更多）装有冷水的容器；操作人员只需转动两个阀门，当一个容器中的水用尽后，另一个容器就会开始注入冷水，如此循环往复，同时还能保持火势的稳定。同一人完全可以在需要转动阀门之间的间隙里持续进行这项工作。将这一装置与德·考斯之前提出的方案相比，可以看出：即便德·考斯知道使水向上流动的物理原理，那也只不过是一种让装满沸水的容器自行排空的方法而已；要想再次重复这一过程，就必须先重新注水并再次加热。而伍斯特侯爵的装置则利用了蒸汽的力量，其方式与现代蒸汽机类似——蒸汽在一个容器中产生，然后在另一个容器中被用于驱动机械装置。这一区别绝非微不足道，因为它关系到整个装置的运作效果。

将蒸汽作为动力源的实用性究竟如何？如果它的作用范围仅限于产生它的容器内部，那它就永远无法被用于任何有用的目的。尽管伍斯特勋爵的著作中包含了许多极为夸张且荒谬的想法，但上述那种发动机绝非其中唯一实用且有价值的发明。相反，他的许多发明在之后都被重新制造出来，有些甚至被广泛使用。这些发明包括速记法、电报机、浮动浴缸、会说话的雕像、在马匹失控时可以将其解开的马车、组合锁、用于锁具的秘密开启装置、蜡烛模具、磨碎机、碎石机等等。
塞缪尔·莫兰德爵士，1683年。

(18.)
塞缪尔·莫兰德爵士是他同名的男爵之子，这位男爵因为在英国内战期间为保王党所做的贡献而获得了爵位。莫兰德爵士似乎非常热衷于机械技术，并因此获得了相当高的声誉。他被认为是多种巧妙发明的创造者，比如用于船舶的鼓形绞盘、活塞泵等等。他还研究了声学领域的诸多问题，其中包括如何设计出最理想的发声装置。1680年，塞缪尔·莫兰德爵士被任命为查理二世的工程主管；次年，他被派往法国，为路易十四建造一些水利设施。1683年，他在法国用法语撰写了一本书，名为《通过各种机器提升水位的原理——以长度、重量和比例来表示。由大不列颠国王的宫廷侍从及机械技术专家莫兰德爵士呈献给仁慈的国王陛下，1683年》。这本书的手稿保存在大英博物馆的哈勒里安收藏馆中。它写在羊皮纸上，仅有38页，其中包含了各种度量衡的表格。

有关计算圆柱体体积、水柱重量以及管道所需铅层厚度的定理，最后还有一章专门论述蒸汽，共四页，其内容如下：
“1682年，莫兰德骑士发明了一种新的动力装置，并于1683年将其呈献给国王陛下。这种装置的工作原理是：水在火力的作用下转化为蒸汽，而这些蒸汽所占的空间大约是原来水的2000倍；如果不对它们加以适当控制，它们就会立刻使大炮炸裂。不过，只要按照静力学原理对它们进行合理调控，并用科学方法将其力量转化为可测量的数值，那么它们就能像好马一样平稳地承载重物，从而为人类带来巨大便利，尤其是在提水方面。下表显示了半满水的圆柱体每小时可提升的重量——提升高度为六英寸，同时列出了这些圆柱体的不同直径和深度。”
这段描述中并未提及莫兰德所设计的用于利用蒸汽动力的机器的具体形态。不过值得注意的是，在当时还没有人对水蒸发时的膨胀现象进行过实验的情况下，他竟然能够给出与实际膨胀量极为接近的数值。显然，这样的估算只能通过实验才能得出。包含上述描述的著作并未被印刷出来；不过他在1685年在巴黎出版了一本标题类似的著作，不过其中并未涉及蒸汽动力相关的内容。在这本书中，他描述了在圣日耳曼进行的各种实验，包括塞纳河水的重量、圆柱体内的水量等等。
在这本书出版后不久，莫兰德便返回英格兰，一直住在宫廷附近直至去世。著名的约翰·伊夫林提到，1695年他曾去拜访过已年老且失明的莫兰德，但后者依然在机械领域有着非凡的见解。

“10月25日，”伊芙琳说道，“大主教和我一同前往哈默史密斯，去探望完全失明的塞缪尔·莫兰德爵士。那真是一幅令人痛心的景象。他向我们展示了他的书写发明——一种速记法，非常巧妙；还有他的木制日历，依靠触觉来告知时间；此外还有各种实用且精美的发明，比如磨坊、水泵等等。他设计的那种水泵可以为他的花园以及过往的行人供水，上面还有铭文，而且能够从泰晤士河附近污染严重的区域抽取出极为纯净的水。”[3]
他于1696年1月在哈默史密斯去世。临死之前，作为对自己过去行为的赎罪，他竟将自己收藏的大量音乐作品埋在地下六英尺深的地方。[4]
丹尼斯·帕潘，1688年。

(19.)
丹尼斯·帕潘出生于法国的布卢瓦，曾是马尔堡大学的数学教授。在蒸汽机的逐步发展过程中，他的名字位列重要发明者之中。正是这位哲学家发现了蒸汽的某种特性，而正确利用这一特性才是现代蒸汽机高效运转的关键。[Pg037]
帕潘出生于法国的布卢瓦。他年轻时致力于医学研究，并在巴黎获得了学位。由于《南特敕令》被废除，他不得不流亡国外，随后前往英格兰。在那里，著名的波义耳让他参与了多项与空气泵相关的实验，并于1681年让他成为皇家学会的会员。后来应黑森侯爵的邀请，他在马尔堡大学担任了数年的数学教授，最终于1710年在那里去世。尽管他在蒸汽的作用方面有诸多发现，但在自己的祖国却从未获得过任何荣誉。事实上，这些研究成果的重要性直到很久以后才被人们认识到。这位哲学家提出了通过活塞在气缸中运动来产生动力的想法，这一原理与我们现在所使用的蒸汽机原理如出一辙。

简要说明如下：设AB为图7所示的顶端开口的圆柱体，活塞P安装在该圆柱体内，可在其中密封移动。在圆柱体底部设有一个开口，可通过止回阀或其他方式随时关闭，从而控制圆柱体内部与外部空气之间的连通。打开该止回阀后，将活塞向上拉动直至其到达圆柱体顶部；随后关闭底部的止回阀，并假设存在某种方法能够使圆柱体内的空气瞬间消失。此时位于顶部的活塞上方为大气压力，而下方没有空气，因此除了与圆柱体壁的摩擦力外，没有其他力量阻碍它下降。如果活塞上方的空气压力大于这种摩擦力，活塞就会在该力的作用下继续下降，直到到达圆柱体底部。到达该位置后，再打开底部的止回阀，让外部空气自由进入活塞下方。此时活塞可再次被拉至圆柱体顶部，唯一的阻力就是其重量以及与圆柱体壁的摩擦力。再次到达顶部后关闭止回阀，再次让圆柱体内的空气消失。活塞会以与之前相同的力再次下降，如此循环往复，永无止境。

如果能够找到方法来持续且迅速地消除圆柱体内的空气，而且活塞上方的大气压力所产生的力远远大于活塞的重量及其摩擦力所带来的阻力，那么显然就能获得一种动力。通过适当的机械装置，这种动力可以用于各种实用用途，尤其适用于泵的驱动。

这与之前所描述的活塞在气缸中的作用相对应。这些便是帕潘最初的设想。不过，为了让那些不熟悉物理科学的人能够充分理解其重要性，这里有必要解释一下大气空气的一些力学性质。

(20.)

大气是一种稀薄、透明、无色且因此不可见的流体，我们生活在其中并在此活动。它通过呼吸作用维持动物的生命，同时也与有组织物质的多种重要功能密切相关。这种流体极为轻盈且密度极低，以至于起初人们会怀疑它是否真的属于物质范畴；事实上，“精神”这一用来指代无形存在的词，其本意就是指空气。[5] 然而，与其他处于更浓缩状态的物质相比，空气才算是轻的而已；它同样具有重量，就像自然界中最坚固、质量最大的物体一样。要证明这一点，只需将足够量的空气置于各种常见的重力测试中即可。[Pg039]

以下实验可以直接证明这一点：
在烧瓶的开口处安装一个密封塞，使其完全气密。这样，烧瓶内部就可以与外部空气相通，或者通过打开或关闭密封塞来切断这种连通。如果在烧瓶开口处连接一根注射器，当密封塞处于打开状态时，就可以抽出部分空气。之后，关闭密封塞并取下注射器，再将烧瓶放在精密天平的托盘上，用另一侧的砝码进行精确平衡。这些砝码的重量就代表了烧瓶及其内部剩余空气的重量。如果现在打开密封塞，空气会立刻涌入烧瓶，填补被注射器抽出的空气；此时，装有烧瓶的天平托盘会因为进入烧瓶的空气重量而下降。

如果能够用注射器从普通烧瓶中抽出的那少量空气的重量也相当可观的话……

不难想象，从地球表面向上延伸至高度虽无法精确测定、但肯定不低于30英里的巨大大气层，其体积必定极为庞大。这种力量会持续作用于所有固体或液体的表面，阻碍并改变它们的运动状态，因此在各种机械现象中都起着重要作用。因此，仅仅认识到它的存在是不够的，还必须以足够高的准确度和精确度来测量它的强度，这样才能估算出它对我们所要研究的那些现象所产生的影响。

（21.）

大气对每平方英寸水平表面的压力大小，显然就是从该表面向上直至大气层顶部的空气柱的重量。这种力可以通过以下方法来测量：取一根长度超过32英寸的玻璃管AB（见图8），一端A为开口，另一端B为封闭端，然后将管内充满水银。再准备一个装有水银的玻璃容器C。用手指按住A端，防止管内的水银流出，接着将管子倒置，用手指堵住的那一端插入容器C中的水银中。当管子的末端低于容器C中水银的表面时（见图9），再移开手指。此时会发现，管内的水银并不会像人们预期的那样下降到与容器C中水银相同的水平面——如果B端是开放的，空气就可以进入管子上部，水银就会下降。相反，管内水银的液面D几乎会位于容器C中水银液面C上方30英寸处。出现这种现象的原因是，大气的重量作用在容器C中水银的表面上，从而试图将其向上推，或者说阻止其向管子内下落；而由于B端是封闭的，大气重量无法作用于D端的水银表面，因此水银也就无法继续下落。

在C点以上，管中悬浮的汞柱高度取决于大气压力所能支撑的重量。如果管子的横截面积为一平方英寸，那么C点以上汞柱的重量就恰好等于作用在C点表面每平方英寸上的大气压力。

(22.) 如果定期观察这种装置，就会发现管中的汞柱高度会在一定范围内波动，其数值从不会低于28英寸，也不会超过31英寸。这种汞柱高度的变化是由大气压力的变化所引起的。如果将此装置移到比正常位置更高的地方，那么该处的大气压力就会减小，因此储液槽中的汞面所受的压力也会减小，进而导致汞柱高度成比例下降。正因如此，这种仪器便被用来测量各种高度，比如山峰的高度、气球的上升高度等等。

(23.) 如果在装有汞柱的管子上安装一个合适的刻度尺，能够显示汞柱在任何时刻的绝对高度以及其高度的变化情况，那么这个仪器就变成了气压计。两立方英寸的汞的重量几乎等于一磅。因此，当气压计的汞柱高度为30英寸时，其对应的重量为……

每平方英寸表面所承受的大气压力约为15磅。

(24.) 流体具有一个固有特性，即它们会在各个方向上施加相等的压力；空气与其他所有流体一样，也具备这一特性。因此，当大气对每平方英寸表面的向下压力为15磅时，横向、向上以及斜向的压力也会是相同的数值。不过，即便不依据这一普遍原理，通过实验来证明这一点也是可行的。取四根玻璃管A、B、C、D（见图10），确保它们的长度足够，一端封闭，另一端开口。将其中三根管的开口端弯折，如B、C、D所示。在将这些管子预先灌满水银后，再轻轻将它们倒置，使封闭端朝上。可以发现，水银在所有管子里都能保持稳定，且各管中水银面的高度差都是相同的。[7] 因此，在管A中，水银是由大气的向上压力支撑的；在管B中，则是由水平或横向压力支撑的；在管C中，则是由向下的压力支撑的；[Pg042] 而在管D中，则是由斜向压力支撑的。由于各管中水银面高度差相同，这些压力实际上是完全相等的。

(25.)

利用等重汞柱来测量大气压力的相同原理，也可用于测量大气空气或任何其他气体、蒸汽的压力或弹性，无论这些气体或蒸汽处于何种压缩或稀薄状态。由于基于这一原理设计的仪器在蒸汽机中有着重要应用，因此我们借此机会来解释它们的工作原理及应用方式。

在(21)中描述的实验中，气压计管顶部的DB区域是真空状态，汞就是从这里流下来的。但如果该区域被处于稀薄状态的空气或其他气体、蒸汽所占据，那么这些气体或蒸汽就会以其弹性所决定的力作用于D处的汞表面。此时，储液罐中C处汞表面所受的大气压力，就会与管内汞柱的重量以及管上部气体或蒸汽的弹性所产生的合力相平衡。如果我们知道实际的大气压力——也就是汞柱所能达到的高度——那么我们就能够确定CD区域内稀薄空气的压力了。

例如，假设当BD区域为真空状态时，汞柱的高度为30英寸，那么大气压力就等于相应高度的汞柱的重量。再假设管上部气体或蒸汽的弹性使得汞柱下降到26英寸的高度，那么显然，管顶处空气的压力就等于4英寸高的汞柱的重量。总而言之，要确定管顶处稀薄气体或蒸汽的压力，只需观察管内实际汞柱的高度与普通气压计在相同时间和地点所显示的汞柱高度之间的差值即可；这两个数值的差值，其对应的汞柱重量就代表了管顶处气体或蒸汽的压力。

每当容器或其他封闭空间内的空气压力因某种原因降低到低于外部空气的压力时，外部空气就会以与外部空气压力超过内部空气压力的差值成正比的力涌入该容器或封闭空间。如果在该容器或封闭空间的内部与外部空气之间建立起通道，外部空气就会持续涌入，直到内部与外部的压力达到平衡。显然，通过降低容器内空气压力而产生的这种力量可以用于各种机械用途。

普通泵正是利用这一原理来抽水的。泵的活塞与下方水面之间的空气被活塞的作用抽出，从而降低了活塞下方剩余空气的压力。此时，大气层对井水中水面的较高压力便迫使水柱在泵筒中上升，而随着活塞的不断作用，空气会越来越稀薄，这一过程也会持续下去。因此，无论通过何种方式将空气从某个空间中完全或部分抽出，都会产生机械能，其大小和效力都与被抽出的空气量成正比。

不过，如果通过注射器、普通泵或空气泵等机械装置来抽出空气，那么抽出空气所消耗的功始终等于由这种真空或部分真空状态所产生的机械能。实际上，由于抽气装置存在摩擦、泄漏等问题，消耗的功还会大于所产生的机械能。

(27.)

不过，除了直接施加机械力之外，还有其他多种方法可以将空气从容器中部分排出。例如，如果对容器加热，如前所述，空气的弹性会增加，它会以与其弹性超过正常值的程度成正比的力从容器中冲出。

外部空气会不断涌入，通过增加容器所承受的热量，这一过程可以持续进行，直到大部分空气被排出。如果随后封闭空气逸出的孔隙，让容器冷却下来，那么容器内的空气由于温度降至与外部空气相同，就会失去因受热而获得的弹性，其状态就如同有等量的空气被某种机械装置抽走了一样。因此，外部空气会因压力差而以相应的力量涌入。

用汞填充温度计的过程，便体现了利用热量制造高度稀薄气体的应用。要制造这种仪器，需要将汞注入球形部分及管道的一部分；但由于管道的内径极小，无法用普通方法将汞灌入其中。于是人们将管道置于火焰上加热至高温。随着温度上升，管道内的空气压力逐渐增大，最终迫使空气从狭窄的管道中流出，直到管道内空气的压力与外部大气压相等。此时管道内的空气已经极度稀薄，球形部分中的空气量相对于常温下的含量来说非常少。接着将管道的开口浸入汞中，当球形部分冷却时，其中的空气会失去弹性，其内部较高的压力会将汞压入管道中。这一过程会持续进行，直到球形部分中剩余的空气被压缩到这样的程度：其压力与汞的重力之和能够与大气压相平衡。之后将管道倒转，剩余的空气就会以气泡的形式上升到表面并逸出。

（28.）

现在让我们回到帕潘的发明上来。如果考虑到无阻力的大气会在每平方英寸的表面积上施加约15磅的压力，而且如果帕潘设想的圆柱体中的活塞直径仅为1英尺，那么它的表面积大约为114平方英寸，那么就能明白他设计的这种机器会拥有多大的动力了。

因此，大气对活塞施加的压力将为114乘以15磅，即1710磅。帕潘首先提出利用水轮驱动的普通空气泵在活塞下方制造真空；他设想通过这种方式，可以将河流、溪流或瀑布的水力通过管道输送到远处。1687年他在英国时，将这一装置展示给了伦敦皇家学会，但却遭到了反对与种种困难，而他并未解释这些困难的本质。不过，从已有的解释可以看出，这种做法其实只是能量的传递而已，严格来说并不算是一种动力源；真正的动力仍然是驱动水轮的水力，而空气泵、管道以及活塞和气缸则仅仅是将水轮的动力传递给需要移动的物体或需要驱动的机械的工具罢了。帕潘称，在此之前他曾试图用火药将气缸中的空气排出，但无论他采取何种预防措施，总还是会有相当量的空气残留，以至于真空状态所具有的力量会被削弱一半以上。最终，他找到了一种制造真空的方法，这一方法堪称蒸汽机发展史上的重要一步，也使得帕潘的名字在蒸汽机的历史中占据重要地位。这一方法记载在帕潘于1695年在卡塞尔出版的著作《关于一些新机器的各类资料》第53页中：“我试图用另一种方法来实现这一目标（即在气缸中制造真空）。由于水具有弹性，受热后会变成蒸汽，而再经冷却后又可以完全凝结，不再有任何弹性的痕迹，因此我认为，通过适度的加热且以较低的成本，就可以让水产生那种完美的真空状态，而这一点此前一直无法通过火药来实现。”这段精彩的文字出自上述著作，实际上是1690年8月《莱比锡记录》中的摘录。

让我们在此稍作停顿，更详细地解释这一重要发现。

（29.）

我们已经解释过，当水在热的作用下转化为蒸汽时，除了获得弹性之外，其体积也会大幅膨胀——在正常情况下，其所占据的空间约为液态时的1700倍。帕潘早已知道这一事实，尽管没有给出精确的数值；这一原理正是德·考斯和伍斯特勋爵此前发明的机器的基础。他萌生了逆转这一过程的念头：如果水在变成蒸汽时体积会膨胀数百倍，那么反过来，蒸汽在重新变回水时必然会收缩到原来的尺寸。因此帕潘意识到，只要能设法将活塞下方的空气排出，并用纯水蒸气取代它，就可以通过去除维持水蒸气状态所需的热量，使这些水蒸气重新转化为少量水；这样一来，活塞下方的空间就会形成真空状态；此时，活塞上方的大气压力就会充分发挥作用，推动活塞向下运动；再向活塞下方注入更多蒸汽，蒸汽的弹性力又会将活塞向上推，而冷水则会使蒸汽消失，再次以同样的机械力推动活塞下降。如此循环往复，活塞的上下运动就可以无限持续下去。

基于这些想法，帕潘制作了一个模型：该模型由一个小型圆筒组成，圆筒内有一根实心活塞；活塞下方的圆筒底部装有少量水。由于活塞与这些水直接接触，从而可以将大气中的空气排除在外。当点燃圆筒底部时，水就会蒸发成蒸汽，蒸汽的弹性力会将活塞推至圆筒顶部；一旦火熄灭，圆筒在周围空气的冷却作用下，蒸汽就会凝结并重新变回水，从而在圆筒内形成真空，活塞便会在真空作用下被压向下方。

大气压力。当火被点燃又熄灭时，活塞会再次上升和下降；以同样的方式，活塞的这种往复运动可以持续进行下去。帕潘没有描述出其他能够将这一原理付诸实践的机械形式；但他指出，通过各种容易设想的机械结构也能达到相同的效果。[8] 托马斯·萨弗里，1698年。

(30.)

在1698年之前，托马斯·萨弗里上尉就已经重新发现了通过蒸汽冷凝来制造真空的方法。同年，他获得了用于提水的蒸汽机专利。萨弗里提议将伍斯特侯爵所描述的机械与一种利用蒸汽冷凝产生的真空来吸水提升水的装置结合起来。萨弗里似乎并不知道帕潘的相关研究成果，他声称自己发现这一冷凝原理是由于以下经历：他在酒馆喝完一壶弗洛伦斯葡萄酒后，把空瓶子扔到火上，随后要了一盆水来洗手。瓶子里还剩的一点水开始沸腾，蒸汽从瓶口冒出。他想到试试把瓶子倒过来，将其口部浸入冷水中会有什么效果。为了保护手部免受高温伤害，他戴上一只厚手套，抓住瓶子——一旦将瓶口浸入水中，液体立刻就涌入瓶中，把瓶子填满。萨弗里表示，这一现象让他立刻意识到可以通过这种方式制造真空来利用大气压力。他认为，如果不用传统的活塞和吸盘来排出泵腔中的空气，而是先向泵腔内注入蒸汽，然后再让这些蒸汽冷凝，那么大气压力就会迫使水从井中进入泵腔以及与之相连的任何容器中。

该装置的高度不超过井中水面的34英尺左右。他还意识到，一旦将水提升到这一高度，就可以利用蒸汽的弹性力量，按照伍斯特侯爵所描述的方法将水提升到更高的位置；而产生这种机械效应的蒸汽在随后冷凝后会形成真空，从而进一步将水抽上来。正是基于这一原理，萨弗里制造出了第一台将蒸汽用于实际应用的发动机。

布兰卡的发动机。

脚注：
[1] 阿拉戈，《詹姆斯·瓦特的历史颂词》，第22页。
[2] 同上，第21页，注释。
[3] 法里，《蒸汽机论》，第93页。
[4] 阿拉戈，《关于蒸汽机的论述》，《年鉴》，1829年，第165页。
[5] “Spiritus”指呼吸或空气。
[6] 恰好为15.68盎司，相当于0.98磅。
[7] 使用A型管进行这项实验时必须格外小心，且该管子的内径应较小。
[8] 《关于一些新型机器的各类文章集》，第38页。

萨维里的引擎。

第二章
萨弗里与纽科门的蒸汽机
[第049页]

目录索引
萨弗里的蒸汽机——锅炉及其附属装置——工作装置——工作原理——该蒸汽机的缺陷——纽科门与考利
——大气压蒸汽机——通过注入方式偶然发现冷凝现象——汉弗莱·波特让蒸汽机自动运转——大气压蒸汽机相比萨弗里蒸汽机的优势——它并未包含任何新原理——其实际优势

(31.)
萨弗里设计的蒸汽机，与此后制造的所有蒸汽机一样，由两个本质不同的部分组成。第一部分用于产生蒸汽，即锅炉；第二部分则是将蒸汽作为动力来使用的装置。在萨弗里的蒸汽机中，第一部分由两个坚固的锅炉构成，其结构如图11中的D和E所示：D为较大的锅炉，E为较小的锅炉。管道T和T′与工作装置相连，我们稍后将对此进行描述。在图11中，一块金属薄板R紧贴着大型锅炉D的顶部，该薄板绕着中心点C旋转。

通过移动安装在顶部外侧C轴上的杠杆，滑动板R就可以在两个管道的开口之间来回移动。这种滑动阀被称为调节器，因为正是它使得锅炉与两个蒸汽容器之间的通道能够交替开启和关闭，而操作这个杠杆的则是由工作人员定期手动完成的。在G、G′处有两个压力表阀门，其作用是用来测定锅炉内的水位。其中一个阀门G的下端开口位置略高于正常水位，另一个阀门G′的下端开口位置则略低于正常水位。这两个阀门的上下端都装有可以随意开关的阀门装置。当锅炉顶部的蒸汽对水面施加压力时，如果G、G′两管的下端浸在水里，水就会被压入这些管道中。如果打开G、G′两个阀门，水会从两个管道流出，这说明锅炉内的水量过多，因为G阀门的开口位置低于正常水位；而如果只有蒸汽从两个管道流出，则说明锅炉内的水量过少，因为G′阀门的开口位置高于正常水位。只有当蒸汽从G阀门流出，水从G′阀门流出时，锅炉内的水位才处于正常水平。这种用于测定锅炉水位的巧妙装置是由萨弗里发明的，至今仍被广泛使用。管道G的开口位置应略低于总深度的三分之一，而G′阀门的开口位置也应略低于三分之一，因为锅炉内需要保持大约三分之二的水量。管道I则连接着大型锅炉D与小型锅炉E，几乎延伸到小型锅炉的底部。通过阀门K可以随时控制这一通道的开启与关闭。还有一根类似于G、G′的测量管，但它几乎延伸到锅炉底部。从这台锅炉还有一根管道F延伸出去，最终连接到储水罐C（见图12），在M处有一个阀门，打开该阀门后，储水罐中的水就会流入小型锅炉E中；当小型锅炉充满水后，该阀门就会关闭。关于这个储水罐的供水方式，将在后面进行说明。现在假设主锅炉内的水位处于两个压力表阀门之间的水平，而辅助锅炉内的水量也接近满载状态。

阀门K以及压力表阀门G、G′均处于关闭状态。在D下方点燃火焰后，水开始沸腾并产生蒸汽，这些蒸汽通过管道T或T′被输送到工作装置中。当D中的水量因蒸发而降至G′的液面以下时，就需要为锅炉D补充水。补充水的方法如下：在进水锅炉E的下方点燃火焰，水在锅炉内表面之上产生蒸汽，由于没有出口，这些蒸汽会压迫水面，使其上升并进入管道I。此时打开阀门K，沸腾的水就会被注入主锅炉D中，直到有水从压力表阀门G′流出为止。一旦出现这种情况，就立即关闭阀门K，并停止燃烧E中的火焰，直到主锅炉再次需要补充水为止。当进水锅炉E中的水用尽后，就可以通过管道F从储水罐C中补充水，具体操作是打开阀门M。

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现在我们来描述一下以蒸汽作为动力源的工作装置。设VV′（见图12）为两个蒸汽容器，它们通过管道TT′与主锅炉D相连（在图11中，这些管道也用相同的字母标记）。设S为一根管道，称为吸水管，它伸入需要抽水的井或水库中，同时通过管道DD′与各个蒸汽容器相连，这些管道上装有向上开启的阀门AA′。设F为一根管道，它从发动机所在的位置延伸到需要提升水的高度处。蒸汽容器VV′通过向上开启的阀门BB′与动力管F相连，这些阀门通过管道EE′实现连接。在蒸汽容器和动力管的上方有一个小储水罐C，如前所述，该储水罐始终充满冷水，水从储水罐底部流出，最终流入一个带有阀门G的管道。这条管道被称为冷凝管，可以交替地连接到各个蒸汽容器上。从这个储水罐还有一根管道通过阀门M与进水锅炉相连（见图11）。

管道T与T′与锅炉之间的连接可以通过前述的调节器R来交替开启和关闭（见图11）。假设所有蒸汽容器及管道中都充满了普通大气空气，且调节器被设置为使管道T与锅炉之间的连接处于开启状态，而另一根管道T′与锅炉之间的连接则处于关闭状态，那么蒸汽就会通过管道T流入容器V中。起初，由于容器V是冷的，蒸汽会凝结成水滴，掉落在容器的底部和侧壁上（见图12）。随着来自锅炉的蒸汽持续供应，容器V会逐渐获得足够的热量，从而不再有蒸汽凝结。这些蒸汽与容器V内的热空气混合后，其压力会大于大气压，因此会迫使阀门B打开，空气与蒸汽的混合物便会流出，直到容器V内的所有空气都被排出，里面只剩下纯水蒸气。当这种情况发生之后，如果将调节器调整成关闭管道T与锅炉之间的连接，从而停止向容器V供应蒸汽；同时将冷凝管G连接到容器V上，并打开阀门让冷水流过它，这样就能冷却容器V，其中的蒸汽也会凝结成水滴，从而使容器内部形成真空状态。此时，阀门B会在大气压的作用下保持关闭状态。不过，容器内空气的弹性力仍会……

阀门A以及井中或储水器中的水面会打开，这样一部分空气就会涌入并充满容器V。由于吸气管S中的空气有了更大的空间，其弹性力就会相应减小，其压力也就不再能与作用在储水器中水面上的大气压相平衡。因此，这种压力会迫使水通过管道S上升，直到水的重量加上其上方空气的弹性力能够与大气压相平衡为止。一旦达到这一状态，水就不再会上升了。

现在假设通过移动调节装置，使T与锅炉之间重新连通，从而使蒸汽再次流入V中。当冷凝阀G被关闭后，容器又会像之前一样被加热，空气会被排出，其位置则被蒸汽填满。由于冷凝管再次对容器V施加压力，而蒸汽的供应也被停止，容器V内就会形成真空状态，此时大气压会迫使水通过阀门A进入容器V，几乎将容器填满，不过容器上方仍会残留少量空气。

到目前为止，用于提升水的机械力量就是大气压；而蒸汽的作用仅限于产生真空而已。[Pg054] 但是，若要继续利用压力管F将水提升到蒸汽容器之上，就必须利用蒸汽的弹性压力。此时，容器V已经被大气压迫使充满了水。假设再次移动调节装置，使管道T与锅炉之间重新连通，冷凝阀被关闭，蒸汽开始流入V中。起初，蒸汽接触到冷水及容器的冷表面后会凝结；但很快容器就会被加热，由凝结蒸汽形成的水会在V中的水面上形成一层薄膜，从而使该表面的温度达到沸水的温度。[10] 此时蒸汽不再凝结，它会以其弹性力作用于水面上；当这种压力超过大气压时，阀门B就会被迫打开，水就会从阀门流出，然后通过E进入……

蒸汽通过F管进入，这一过程会持续进行，直到蒸汽将V中的所有水都排出并占据其位置为止。随后，通过移动调节器，再次阻止蒸汽从T管进入；同时，冷凝管重新与V相连，从而让其中的蒸汽凝结，形成真空状态。如同之前一样，大气压力会将水压入容器V中。之后关闭冷凝管，再让蒸汽从T管进入，此时V中的水会在压力作用下通过阀门B和管道E流入F管，如此循环往复。

我们还没有提到另一个蒸汽容器V′。根据我们的描述，它应该仍然充满普通空气，而这种空气的压力会阻止吸水管S中的水通过阀门A′。但实际上并非如此；因为在V中所发生的整个过程中，V′中也产生了类似的现象，我们只是为了避免两种过程带来的混淆而没有提及。需要记住的是，当蒸汽最初从锅炉通过T管流出，并将V中的空气通过B排出后，T管与锅炉之间的通道就会被关闭。此时，用于关闭该通道的调节器的移动，实际上也打开了T′与锅炉之间的通道；因为滑动板R（见图11）会从一根管道移动到另一根管道上，同时，正如我们之前所说，冷凝管也会与V′相连。因此，当V中因蒸汽凝结而形成真空时，流经T′的蒸汽会通过B′将空气排出，就像在另一个容器V中发生的那样。与此同时，S中的空气会通过A进入V，而在大气压力作用下，S中的水也会随之进入V，这样V′就会充满蒸汽，其中的空气则会被完全排出。此时，通过将调节器R从T管移至T′管，T管与锅炉之间的通道又会重新打开，而T′与锅炉之间的通道则被关闭；同时，冷凝管也会从V上移开，转而与V′相连。此时，蒸汽会再次通过B将V中的空气排出，从而在V′中形成真空。

在V′中会发生冷凝现象，S中的水会通过阀门A′流入其中。与此同时，V又会再次充满蒸汽。此时，T与锅炉之间的连接被切断，而T′与锅炉之间的连接则被打开；同时，从V′中取出的冷凝管被连接到V上。当锅炉产生的蒸汽迫使V′中的水通过B′进入管道F时，V内就会形成真空状态，大气压力便会将水压入V中。如此，容器V和V′就会交替地从S中注满水，然后水又被迫进入F中。那些将水从容器中推入F的蒸汽在完成作用后会发生冷凝，进而利用大气压力将水从S中抽上来。在这个过程中，必须不断进行两种交替的操作：即打开T与锅炉之间的连接，同时关闭T′与锅炉之间的连接，这一操作可通过调节器的移动来实现；同时，还需要将冷凝管从V移到V′上，这可以通过操作其上的杠杆来完成。接着，又需要再次打开T′与锅炉之间的连接，同时关闭T与锅炉之间的连接，这可以通过将调节器移回原来的位置来实现；之后再将冷凝管从V′移回V，如此交替进行。为便于描述，各部件的位置稍作了一些调整。本章开头有该发动机的透视图，其中已描述的各个部件都很容易辨认出来。萨弗里的发动机在1702年于伦敦出版的一本小册子中有着非常详细的描述，这本小册子的标题为《矿工之友：一种利用火力提水的发动机及其在矿井中的安装方法；以及该发动机多种用途的介绍和对针对它的反对意见的回应》，作者是托马斯·萨弗里。这本书献给了威廉三世（该发动机曾在汉普顿宫向他展示过）、皇家学会以及英格兰的矿业从业者。以下是萨弗里所提出的该发动机的各种用途。

蒸汽机可被用于以下方面：首先，为各种磨坊提供水源；其次，为宫殿和住宅供水，并利用这些水来灭火；第三，为城市和城镇供水；第四，排干沼泽地；第五，为船只提供动力；第六，用于矿井的排水。哈里斯博士在其所著的《技术词典》中提到了萨弗里发明的一种机器，该机器通过两侧的桨轮在平静的水面上推动船只前进；不过似乎萨弗里并未考虑过使用蒸汽机来驱动这些桨轮。只有从当时的一些文献中才能了解到萨弗里的发动机在实际上被应用到了何种程度。他在向皇家学会发表的演讲中提到：“他在指导工匠按照自己的设计制造发动机时遇到了许多困难和成本问题；但经过多次尝试后，工人们已经掌握了这项技术，能够制造出‘完全合格、可正常使用的发动机’，他甚至敢向所有需要这类发动机的人保证其质量。”在给英格兰矿工们的演讲中，他还说：“当时所使用的机械经常出现故障且操作繁琐，这促使他发明出依靠新动力运转的发动机；尽管他们面临着种种极其棘手的难题，但他仍不惜花费时间、精力与金钱，最终克服了这些困难。”在1718年出版的布拉德利的《种植与园艺改良》一书中，作者这样描述了萨弗里发明的发动机：“假设某栋房屋或花园位于池塘、河流或泉水之上相当高的位置，而目前它只能依靠人力或马力不断运送水才能获得水源。在这种情况下，已故的F.R.S.成员萨弗里先生发明的这种利用火力提水的神奇装置，不仅能满足所需的水量，而且几乎无需费力，成本也很低。自从萨弗里先生为伦敦附近肯辛顿的坎布登府那位奇特的绅士巴勒先生安装了这样的发动机以来，已经过去了大约六年时间。”

这台发动机运行得极为成功，自建成以来从未出现过缺水问题；再加上后来对其进行的改进，我认为它比任何其他发动机都更不容易出现故障。值得注意的是，尽管萨弗里的发动机需要高压蒸汽才能运转，但他似乎并未采用安全阀这一显而易见的解决方案。实际上，安全阀早在1681年左右就已被帕潘发明，用于他的消化器——那是一种密闭式锅炉，旨在通过高于敞开容器中水沸腾温度的条件来烹煮肉类并分解骨头。

此后，各种蒸汽锅炉所使用的安全阀都是向外开启的阀门，安装在锅炉上的相应开口处，以确保密封性。该阀门由重物压住，其重量大小根据蒸汽允许承受的最大压力来设定。例如，如果阀门的面积为1平方英寸，而蒸汽压力被限制在比大气压高10磅/平方英寸的水平，那么就需要用10磅重的重物来压住阀门。但由于有时需要调整蒸汽的压力上限或安全阀的负载，这类阀门通常设计为通过带有可移动重物的杠杆来施加压力。工程师可以通过移动杠杆上的重物，按需增加或减少作用在阀门上的压力。这一装置大约在1717年由德萨古利埃斯首次应用于萨弗里的发动机上，而萨弗里则在此之前就已经去世了。

法里先生在其关于蒸汽发动机的论著中指出：“将萨弗里船长的发动机与其前辈们的发动机进行比较，结果无疑会凸显他作为发明家及实用工程师的卓越才能；他发明的每一个细节都处理得极为精妙，同时还考虑到了各种可能出现的意外情况，使得这台发动机真正能够投入使用。而伍斯特侯爵德考斯、塞缪尔·莫兰德爵士以及帕潘虽然都是才华横溢的哲学家，但他们所设计的仅是初步方案，还需要进一步完善。”

后续的发明者们需要付出努力与智慧来弥补这些缺陷，使这些发明变得足够完善，从而能够付诸实践。大约在1718年，德萨古利埃斯博士对萨弗里的蒸汽机进行了进一步改进；不过这些改进很可能受到了那些发明大气压力驱动式引擎的人们的启发，我们稍后会详细介绍他们的工作。

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要真正理解这些改进的价值，首先必须了解它们旨在消除的缺陷。考虑到当时人们对蒸汽的特性和作用了解甚少，而且机械领域的整体知识水平也很低，萨弗里的蒸汽机无疑体现了他非凡的才华。然而，它仍存在相当多的缺陷，最终被证明无法满足他所设想的那些重要应用需求。

在这项发明出现时，英格兰的矿井深度已经大大增加，抽水作业既昂贵又困难；在很多情况下，矿产品的收入甚至不足以覆盖开采成本。抽水正是萨弗里打算用他的蒸汽机来解决的最重要问题。

如前所述，大气压力约为每平方英寸15磅。如果有一个底面积为1平方英寸、高度为34英尺的水柱，其重量也约为15磅。如果我们假设通过冷凝作用在蒸汽容器VV′中创造出完美的真空状态，那么当这些容器的顶部高于水面的高度超过34英尺时，大气压力就再也无法将水压上去。因此，显然这种发动机所能提升的水面高度不可能超过34英尺。而实际上它更无法达到这个高度，因为蒸汽容器VV′中所产生的真空状态永远不可能完美无缺。当水不受大气压力作用时，它的蒸发温度会非常低。

正如我们日后将要解释的那样，温度也是一个重要因素；研究发现，具有相当弹性的蒸汽即便发生凝结，仍会残留在容器VV′和管道S中，从而阻碍水的上升。正因如此，这种发动机实际上无法被安置在比需要提升的水面高出26英尺以上的位置。

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当水被提升到发动机处且蒸汽容器已充满蒸汽时，如果向V容器中的水面上方引入蒸汽，那么这些蒸汽必须先抵消大气压力，才能迫使水通过阀门B流出。这样一来，就有15磅/平方英寸的机械压力被消耗掉了，但却没有使水上升。如果使用弹性强度为两倍的蒸汽，它能够将水提升34英尺高；而如果使用弹性强度为三倍的蒸汽，则可以将水提升68英尺高。[Pg060] 这个高度再加上大气压力所造成的26英尺提升高度，总提升高度可达94英尺。实际上，相当于三倍大气压力的蒸汽作用于容器VV′的内表面。其中三分之一的压力会被容器外表面的大气压力所抵消，但仍有30磅/平方英寸的有效压力存在，足以导致容器破裂。人们发现，这种装置无法安全地承受超过这个数值的压力；因此，在实际应用中，这类发动机的提升高度只能达到大约90英尺。所以，要想用这类发动机从矿井底部抽水，就必须在每90英尺的深度处安装一台发动机；这样，第一台发动机提升的水就可以被储存在一个蓄水池中，然后由另一台发动机将其再提升90英尺，以此类推。

此外，人们还发现，如果以大规模的方式制造这类发动机，就无法为其提供足够的强度。因此，它们的尺寸必然受到极大限制，也就无法以足够快的速度提升水。这就导致了……

每层都需要多台发动机，这大大增加了成本。

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然而，这些并非萨弗里发动机的唯一缺陷。其燃料消耗量极大，被浪费的热量远远超过用于提升水位或制造真空的能量。只要了解之前所描述的发动机工作过程，就能很容易理解这一点。当蒸汽从锅炉进入蒸汽容器VV′以准备形成真空时，必须先将这些容器加热到与蒸汽相同的温度；因为在那之前，蒸汽一进入容器就会因接触冷表面而立即凝结。因此，所有用于提高蒸汽容器温度的热量都是被浪费掉了。另外，当水上升并填满容器VV′后，再引入蒸汽试图将水从BB′处挤出并导入F中时，这些蒸汽会立刻在VV′中的冷表面上凝结，只有当由凝结蒸汽产生的热水积聚在填充这些容器的冷水上之后，蒸汽才能开始发挥作用。这就又造成了热量浪费的另一个原因。当蒸汽开始作用于VV′中的水表面并将其向下推动时，容器的冷表面会逐渐暴露在蒸汽作用下，必须在蒸汽持续作用的过程中不断被加热；而当水被挤出容器后，容器本身也已加热到与其中蒸汽相同的温度，所有这些热量都会在随后的凝结过程中散失掉。由此可见，用于提升水位以及制造真空的蒸汽量，与用于在凝结后加热设备的能量相比，其实占比极小。

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还有另一个因素会增加燃料的消耗量。水必须被强行从B处挤出，不仅要克服大气压力……

不仅要承受压力，还要抵抗68英尺高的水柱的压力。因此，蒸汽需要具备每平方英寸45磅的压力。这样一来，锅炉中的水就必须在这样的压力下被煮沸。为了实现这一目标，水的温度必须远远高于212°，甚至达到275°；这就意味着必须向锅炉提供更多的热量。除了其他缺陷之外，如此高的温度还会逐渐削弱并破坏相关设备。萨弗里是第一个提出用马的力量来表示发动机功率的人。不过，在这种比较中，他认为每匹马每天只工作8小时，而发动机则可以连续工作24小时。关于用这种方式表示蒸汽机功率的方法，我们将在后面详细说明。

(37.) 由于上述原因，萨弗里所设计的用于排水的发动机无法正常工作。同时，随着矿井因积水而逐年丧失生产能力，实现排水目标的紧迫性也越来越高。这些情况激发了机械师们的创造力，他们试图找到某种方法，让萨弗里发动机所展现的蒸汽动力得以发挥出来。托马斯·纽科门被认为是大气压力式发动机的发明者，他其实是德文郡达特茅斯镇的一名铁器商，也有人认为他是铁匠。由于他与著名自然哲学家胡克博士有个人交往，很可能他受过一定的教育，因此其地位应高于普通铁匠。由于经常去康沃尔郡的锡矿，纽科门了解了萨弗里所发明的发动机，以及该发动机为何无法用于排水作业。据说，大约在1690年时，帕潘提出了另一种发动机设计方案：利用大气压力作用在活塞的一侧，而另一侧则通过蒸汽凝结产生的真空来实现动力输出。不过，帕潘并未意识到这一设计的重要性。

这一原理；因为，他不仅从未试图将其应用于实际用途中，甚至很可能从未制造过任何能够体现这一原理的机器，哪怕是小型机器。相反，一旦得知萨弗里蒸汽机的原理与结构后，他就立刻放弃了这个计划；随后他提出了一种利用蒸汽膨胀力来提水的发动机，其工作原理与萨弗里的类似，但摒弃了真空驱动的方式。帕潘在1707年出版的著作中对这种发动机进行了描述。

图13。

A（见图13）是一个椭圆形的锅炉，上面装有安全阀B，用于控制蒸汽的压力。它通过一根带有止回阀D的弯曲管道与圆柱体C相连。另一根带有止回阀G的管道从圆柱体顶部通向大气层，而安全阀F则安装在……上。

一个圆柱形容器。一个中空的铜制活塞H在圆柱体内自由移动，且浮在水面上。O是一个漏斗，其底部有一个向下开口的阀门L，通过该阀门可以将水注入圆柱体C，直至达到漏斗顶部的高度。一个密闭的空气容器通过弯曲的管道与圆柱体C相连，该空气容器上还有一个向上开口的阀门K。用于将水提升的管道与空气容器I相连。如果关闭阀门D并打开阀门G，倒入漏斗O的水就会上升至圆柱体C中，而原本充满圆柱体的空气则会从打开的阀门G排出。当圆柱体被水填满后，关闭阀门G并打开阀门D。锅炉产生的蒸汽在加热圆柱体金属后会迫使活塞向下运动，从而推动水通过弯曲的管道进入容器I，而阀门K因其自身重量而处于关闭状态，因此水无法流回。此时，容器I中的空气会被压缩，其弹性作用会促使一列水沿着管道N上升。当圆柱体内的水被排空后，可以以同样的方式再次注水，然后重复这一过程。显然，这项发明不过是伍斯特侯爵所设计的发动机的翻版而已。在记载有这一描述的著作的序言中，帕平引用了他在1698年写给莱布尼茨的一封信的内容，从中可以看出他已放弃了利用大气压力作用于真空来驱动活塞的想法，认为这种设计不如现在所描述的发动机有效。“我们现在是通过火的力量来提升水的，”他说，“这种方式比我几年前所提出的方法更为有效；因为除了吸力之外，我们现在还利用了水因受热而膨胀时对其他物体施加的压力；而此前我只使用了吸力，其效果较为有限。”从皇家学会保存的文献来看，纽科门应该了解过帕平的著作，因此很可能是从这些著作中获得了后来用于设计大气压力发动机的灵感。在胡克博士的一些笔记中，也发现了关于如何运用帕平方法的记载。

通过管道将水流或落水的力量传递到远处。胡克劝阻纽科门不要尝试基于这一原理制造机器，因为这一原理最初由帕潘提出时就已经被证明是不可行的。他在皇家学会的多次演讲中指出了帕潘最初设计的缺陷，而尽管帕潘后来改进了设计，消除了那些缺陷，但胡克仍认为该设计不可行。帕潘关于通过蒸汽冷凝在活塞下方制造真空的方案，于1690年以拉丁文发表在《Actæ Eruditorum》上，1695年在卡塞尔以法文发表，随后于1697年在英国的《Philosophical Transactions》上刊登。胡克博士不可能不知道这些内容；如果他知道了，很可能会把相关信息告诉纽科门。胡克博士于1703年去世，比纽科门的发明时间早了几年。约翰·考利是纽科门在实验和研究中的合作伙伴，他也是同城的管道工和玻璃工。1705年，纽科门与考利获得了大气压力引擎的专利，萨弗里也参与了这项工作——他此前已经获得了通过蒸汽冷凝制造真空的方法的专利，而这正是纽科门发明所需的关键技术。不过，直到1711年左右，才真正根据这项专利制造出了实际的引擎。据德萨古利埃斯的说法，那一年末，专利持有者们提议为沃里克郡格里夫的一座煤矿排水，那里需要五百匹马持续作业来抽水。由于这个提议未被接受，他们在次年三月接受了伍尔弗汉普顿的巴克先生的委托来抽水。经过多次尝试后，他们终于让引擎开始运转；但由于他们既不是能理解其原理的哲学家，也不是足以计算各部件功率与比例的数学家，所以他们完全是偶然间找到了想要的解决方案。

图14。

纽科门恢复了用普通泵从矿井中抽水的旧方法，但他设想用比马力更便宜的动力来驱动这些泵。他提出的实现方式是：用链条将泵杆D的末端（见图14）与绕在轴C上的连杆AB的A端相连。而该连杆的B端则通过链条与……相连。

在圆柱体F内密封移动的实心活塞P所连接的杆E。如果在活塞P下方制造出真空状态，那么作用在活塞上的大气压力会以每平方英寸15磅的力将其压下；这样一来，梁的末端A就会上升，泵杆D也会随之被拉起。如果随后在活塞下方施加与大气压力相当的压力，以抵消向下的压力，那么活塞就不会再有上升或下降的趋势；而如果此时让杆D的重量大于活塞及其连接杆的重量，从而能够克服摩擦力，那么杆D就会下降，进而再次将活塞推至圆柱体的顶部。当再次形成真空时，活塞又会下降，泵杆也会随之上升，如此循环往复。

这就是纽科门对大气引擎最初的构想；从初步看来，这一设计就具有很多优点。这类机器的功率完全取决于活塞的尺寸；而且由于不需要高弹性的蒸汽，因此也不必让材料承受萨弗里引擎运作时所需的那种破坏性高温。假设在圆柱体内的活塞下方能形成完美的真空状态，那么就能产生相当于活塞横截面积乘以15的磅数的有效向下压力。[12]例如，如果活塞的底面积为100平方英寸，那么产生的压力将为1500磅。

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为了实现这一目标，有两点是必要的：1. 在活塞下降时，能在其下方迅速且有效地制造出真空；2. 在活塞上升时，要有办法来抵消大气压力。蒸汽的冷凝显然是实现第一点的最有效方法；而在冷凝之前，蒸汽的弹性力则可以用来实现第二点。现在，要使这一设计付诸实践，只需想办法让蒸汽交替进入并发生冷凝而已；于是纽科门和考利便获得了相关专利。

1707年，由于萨弗里先前获得的冷凝原理相关专利是该机器运转所必需的，因此他的发明被纳入了这一体系之中。现在让我们来描述一下纽科门最初设计的大气发动机：
锅炉K（见图14）位于炉子I的上方，炉子的烟道环绕着锅炉，从而将热量传递到锅炉底部的各个部位。在呈半球形的顶部，有两个压力表阀门GG′，与萨弗里的发动机类似；还有一个向上开启的阀门V，其承受的压力为每平方英寸1磅。当锅炉中产生的蒸汽压力超过大气压1磅/平方英寸时，阀门V就会打开，蒸汽便从其中逸出，直到压力降至适当水平后，阀门V才会重新关闭。这个阀门的功能就相当于现代发动机中的安全阀。
从锅炉向气缸输送蒸汽的管道被称为S；而另一根带有阀门T的管道则从储水罐L通向锅炉，该阀门可以随时打开或关闭。当压力表阀门G′显示锅炉内的水位过低时，就可以通过这条管道从储水罐向锅炉补充水。储水罐L中的热水则是通过某种方式供应的，具体方式我们稍后会解释。

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为了理解驱动活塞运转所需的机制，我们需要了解如何调节蒸汽的供应与冷凝过程。当活塞因大气压力作用而处于气缸底部时，为了平衡这种压力，同时让活塞能够在泵杆的重力作用下上升，就必须从锅炉中引入蒸汽。这可以通过打开蒸汽管道S上的阀门R来实现。蒸汽进入后，其压力就能抵消大气对活塞的作用力，此时活塞便会在泵杆D的重力作用下立即上升到气缸顶部。之后就需要对这部分蒸汽进行冷凝，以形成真空状态。为此，必须切断蒸汽的进一步供应。

这是通过关闭阀门R来实现的。由于锅炉提供的蒸汽供应被中断，因此必须向气缸的外表面注入冷水，以便使气缸内的蒸汽凝结。具体做法是将一个气缸套在另一个气缸外面，并在两者之间留出空间。[13] 冷水从位于该空间上的阀门M流入，这些冷水来自储水罐N的管道。储水罐N则由发动机驱动的泵O供水。从阀门M流出的冷水填满两个气缸之间的空间后，会吸收内层气缸中的热量，使蒸汽凝结，从而形成真空状态，大气压力便会将活塞推向下方。为准备下一次下降，那些因吸收了蒸汽热量而变暖的水必须被排出，以便让新的冷水从阀门M流入。因此在气缸底部设有一个带有阀门的开口，水可通过该开口流入储水罐L；这些已变暖的水随后可如前文所述，通过管道T被送入锅炉。当再次打开阀门R时，蒸汽就会进入活塞下方，活塞随之上升；而要再次让活塞下降，则需要关闭阀门R并打开阀门M，让冷水进入气缸之间，从而使活塞下方的蒸汽凝结。如此凝结成的水会聚集在气缸底部，阻碍活塞的下降。因此必须为这些水提供排放途径，这一功能是通过一个向外延伸的阀门来实现的，该阀门通向通往储水罐L的管道，凝结后的水就会流入该储水罐中。为确保活塞始终保持气密性，必须持续向活塞上方供水；这是通过一个与阀门M类似的装置来实现的，该装置允许水从连接在活塞上的管道M中流出。

在这些发动机首次被制造出来后不久，一个偶然的情况让纽科门想到了一种比在气缸外表面喷冷水更好的冷凝方法。有人观察到，即使不持续供应冷凝水，发动机仍能以异常快的速度完成多次冲程。检查活塞后发现上面有一个孔，倒入用于保持其密封性的水会从该孔流过，从而立即将下方的蒸汽冷凝。

根据这一发现，纽科门放弃了使用外部气缸的做法，而是在气缸底部安装了一根带有阀门Q的管道H。通过转动阀门，管道H中的水会在水箱N的水位压力作用下以喷射的形式进入气缸，进而立即冷凝蒸汽。这种通过注入水来实现冷凝的方法极大地提升了发动机的性能，至今仍在使用中。

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在了解了大气式发动机的各个组成部分之后，现在让我们更详细地探讨它的运作原理。当发动机处于静止状态时，泵杆D的重量会拉下横梁A，从而使活塞移动到气缸顶部并停止在那里。假设所有的阀门都处于关闭状态，且锅炉内的水位也处于适当高度。当锅炉下方点燃火焰后，水开始沸腾，直到蒸汽产生足够的力量来打开阀门V。此时就可以启动发动机了。为此需要打开调节阀R，蒸汽随之涌入，首先会被冷却的气缸冷凝。过一段时间后，气缸的温度会与蒸汽温度一致，此时蒸汽不再被冷凝，而是与充满气缸的空气混合在一起。由于蒸汽和热空气的压力大于大气压，它们会打开位于气缸底部一根小管子末端X处的阀门，该阀门是向外开口的。蒸汽和空气会持续不断地从这里涌入，直到所有空气都被排出，气缸内充满纯蒸汽为止。

水蒸气。这一过程被称为为启动发动机而进行的吹气操作。
当准备启动发动机时，机械师会关闭调节阀R，从而停止锅炉向发动机供应蒸汽。同时，他会打开冷凝阀H[15]，这样就会有一股冷水喷入气缸中。这股冷水会立即使气缸内的蒸汽凝结，从而形成真空状态。（由于冷凝阀是向外开启的，因此大气无法进入，也就不会破坏这种真空状态。）此时，活塞上方的大气压力开始起作用，迫使活塞向下移动。当活塞完全下降后，机械师会关闭冷凝阀H，再打开调节阀R。这样一来，气缸内的水流就会停止，同时锅炉中的蒸汽又能进入气缸。蒸汽的作用首先是将积聚在气缸底部的冷凝水和已凝结的蒸汽通过带有向外开口的阀门（称为排放阀）排出，这些水最终会被排入热水箱L中。
当通过调节阀R进入气缸的蒸汽不再凝结时，它就能与活塞上方的大气压力保持平衡，这样活塞就能在杆D的重力作用下被拉到气缸顶部。蒸汽的压力略大于大气压力，这也有助于活塞上升。
当活塞到达气缸顶部时，调节阀R会被关闭，而冷凝阀H则会被打开，活塞又会像之前一样向下移动，如此循环往复。[Pg071]
因此，操作这种发动机时需要交替开关两个阀门：调节阀和冷凝阀。当活塞到达气缸顶部时，需关闭调节阀并打开冷凝阀；而当活塞到达底部时，则需打开调节阀并关闭冷凝阀。

(42.)

那些不需要太多体力或技能就能操作的发动机，通常由被称为“锅炉操作员”的男孩们来负责。事实上，蒸汽机运行史上最重要的改进之一，正是出自这些男孩的聪明才智。据说有个名叫汉弗莱·波特的小伙子，负责操作一台大气压力驱动的蒸汽机。由于无法忍受这种单调乏味的劳动，他便发挥自己的聪明才智，试图找到一种方法，既能满足自己喜欢玩耍的兴趣，又不会因此导致蒸汽机停止运转。他观察到上方横梁的上下运动规律，并结合自己操纵杠杆的劳动过程，发现了其中的关联，从而想出了一个简单的装置——通过这个装置，蒸汽机首次变成了自动运行的机器。当横梁到达最高点时，需要通过抬起一个杠杆来打开蒸汽阀，再抬起另一个杠杆来关闭进气阀。他意识到，只要在杠杆上系上适当长度的绳子，再将绳子固定在横梁的某个部位，就可以实现这一目的。而当横梁到达最低点时，则需要让杠杆朝相反方向移动，这同样可以通过绳子来实现，绳子可以连接到横梁的外臂上，或者通过杆子或滑轮来传递动力。简而言之，他找到了将控制两个阀门的杠杆与横梁用绳子连接起来的方法，这样一来，随着横梁的上下移动，这两个阀门就能以极其规律且精确的方式被打开和关闭。这一发明不仅使机器不再依赖人工操作，还使其运行更加规律，远远超过人工操作所能达到的水平。波特的这个发明很快得到了进一步改进——人们用了一种名为“插销框架”的装置，将其悬挂在横梁的臂上，框架上装有销钉，当插销框架上下移动时，这些销钉会撞击到控制阀门的杠杆，从而使阀门在恰当的时间被打开和关闭。

经过改进的发动机无需其他维护工作，只需偶尔通过阀门T向锅炉注水，以及定期检查炉子即可。

(43.)

尽管蒸汽机械应用所依赖的物理原理的发现值得肯定，但必须承认，纽科门及其同事设计的发动机作为一种实用机器，其性能远远优于之前的各种发动机；事实上，它的优势大到如此程度：前者根本无法用于任何实际用途，而后者则很快便成为用于矿井排水的极为有效的工具。即便在今天，在那些燃料充足且价格低廉的地区，大气压力式发动机仍常常被优先选用，因为其建造与维护成本远低于经过改进的蒸汽发动机。该发动机所使用的蒸汽压力较低，因此极为安全。而萨弗里的发动机要想正常运转，其容器内的蒸汽压力需达到约30磅/平方英寸，而大气压力式发动机的锅炉和气缸中的蒸汽压力仅需约1磅/平方英寸。此外，萨弗里发动机所使用的蒸汽压力较高，这必然会导致温度大幅上升，进而使容器逐渐损坏，尤其是那些像图12中的V和V′这样的、会交替经历加热和冷却过程的容器。除了这些缺陷之外，萨弗里发动机的提升能力也极为有限，无论是提升的水量还是提升的高度都受到限制。另一方面，大气压力式发动机的功率仅受活塞尺寸的限制。相比萨弗里发动机，大气压力式发动机还有一个显著优势，那就是它能够通过传动杆轻松驱动各种机械。不过，从发明的角度来看，撇开实用性因素不谈，纽科门发动机的优点主要在于其结构设计及各部件的组合方式。在该发动机中我们找不到任何新的原理，甚至几乎没有任何创新之处。

这些原理的应用。大气压力作用于真空或部分真空状态的作用力早已为人所知：帕平提出了通过蒸汽凝结来制造真空的方法，而萨弗里则将这一方法付诸实践。德·考斯和伍斯特勋爵则提出了利用蒸汽的弹性压力来为活塞上升时提供平衡力的想法。锅炉、压力表以及调节装置都借鉴自萨弗里的发动机。至于利用大气压力作用于真空或部分真空状态来驱动气缸中的活塞这一想法，则是由德国天才哲学家奥托·格里克提出的，他发明了空气泵；后来帕平又提出了将蒸汽凝结以制造真空与这一想法相结合的做法。使用活动杆的技术也并非无人知晓。不过，正是对这些零散原理的巧妙组合，才使得这种机器从原本效率极低的状态变得高效起来。正如特雷德戈尔德所指出的，从实际角度来看，这样的成果应当比偶然发现的物理原理更为重要。通过突然注入水来使蒸汽凝结，再通过注入蒸汽将空气和水从气缸中排出——这两种方法都是前所未有的创新，且对发动机的有效运转至关重要。这些至今仍为改进后的蒸汽机所必需的工艺，显然完全归功于大气压力发动机的发明者们。

大气引擎。

脚注：
[9] 在本章开头所展示的萨弗里引擎的透视图中，这根管道被描绘为从水箱C上方的压力管延伸出来的。
[10] 热水比冷水轻，因此会浮在表面。
[11] “队长”是康沃尔地区对负责管理矿山相关工作的主管的称呼。
[12] 由于计算引擎功率需要知道活塞横截面的平方英寸数，因此给出一个计算圆形面积的公式会很有用。以下公式能够以足够的精确度得出结果：将直径的英寸数乘以自身，再将所得乘积除以14，最后将得到的商再乘以11，其结果即为该圆的平方英寸数。例如，如果直径为12英寸，那么12×12=144，144÷14≈10.29，10.29×11≈113.2，忽略小数部分后，该圆的平方英寸数为113。
[13] 图中未显示外部圆柱体。
[14] 也被称为“排气阀”，因为空气和蒸汽从该阀门排出时会发出特殊的声响。
[15] 也被称为“注入阀”。

1824年，印第安纳州格林诺克。

第三章
[第075页]

目录索引

大气式引擎的进展——斯米顿的改进——布林德利，布里奇沃特运河的工程师——发明了自动调节给料装置——詹姆斯·瓦特——他的出身与家世——他童年时期的趣事——他早年的成就——前往伦敦——回到格拉斯哥——被任命为大学的仪器制造师——在格拉斯哥开设店铺——他的朋友与赞助人——亚当·斯密、布莱克博士、罗伯特·西姆森、罗比森教授——瓦特的个人品格——勤奋好学的习惯——他最初将注意力集中在蒸汽上——对高压蒸汽的实验——对大气式引擎模型的改良——由此引发的进一步实验——实验结果——发现了大气式引擎的严重缺陷——通过实验发现了水在蒸发过程中的膨胀现象——发现了蒸汽的潜热——布莱克博士向他介绍了潜热理论。

(44.)

1718年，贝顿先生使大气式引擎的效率得到了显著提升。从那时起，这种引擎的运作原理并未发生变化，其结构也几乎没有任何改进，如此状况持续了半个世纪。尽管这类引擎仍被大量制造，但通常是由那些无法运用实用科学原理的普通机械师来设计的，因此人们很少关注其设计比例。直到1772年左右，著名的工程师约翰·斯米顿才开始像之前研究风车和水车那样，深入研究这种引擎。虽然他没有为大气式引擎引入任何新的原理，但他为不同规模的引擎制定了合理的比例，从而使引擎的功率大幅提升。1759年，因负责布里奇沃特公爵的运河工程而声名显赫的詹姆斯·布林德利获得了一项专利。

大气式蒸汽机的改进。他提出，锅炉应由木头和石头制成，内部则安装铸铁制成的炉子或火膛，这样火焰就能被水从四面包围。烟囱则应为铁制管道，贯穿整个锅炉；这样，从火焰处流出的热空气就能将部分热量传递给水。他还提出了一种为锅炉供水的办法，通过自动机械装置来保持锅炉内水位的稳定，无需操作员亲自干预。具体做法是在锅炉内的水面上放置一个浮子，该浮子与进水管上的阀门相连；当锅炉内水位下降时，浮子会随之下降并打开阀门，从而继续向锅炉供水。《大英百科全书》中记载，1756年布林德利先生试图在纽卡斯尔-安德-莱恩建造一台蒸汽机，但由于种种阻碍而放弃了这个计划，也就不再继续研究蒸汽机了。

从大气式蒸汽机的发明到斯米顿对其的改进之间，出现了一位极具天赋的人，他运用自己的才华将蒸汽动力应用于日常生活之中，从而为人类社会的进步带来了巨大变革，这一时期也因此而被铭记。

（45.）

詹姆斯·瓦特于1736年1月19日出生在苏格兰的格林诺克。[16] 瓦特的曾祖父是阿伯丁郡的一名农民，他在蒙罗斯战役中阵亡。获胜的一方认为，仅仅让他死去并不足以作为对他所坚持的政治观点的惩罚，于是他们还惩罚了他的儿子，没收了他为数不多的财产。失去经济来源的托马斯·瓦特得到了远亲的接济，他暂时专心学习，待局势恢复稳定后，便在格林诺克从事实用数学和航海知识的教学工作。他居住在克劳福德迪克地区，并逐渐获得了较高的地位。

他拥有足够的声望，因而能够当选为贵族法官或首席治安官。他于1734年去世，享年92岁。
托马斯·瓦特有两个儿子。长子约翰继承了父亲的职业，担任格拉斯哥的数学与航海教师；他于1737年去世，时年50岁。次子詹姆斯则是那位著名工程师的父亲，他曾担任格林诺克镇议会的财务主管以及地方治安官长达四分之一个世纪之久。他以履行公职时的热忱与开明态度而著称。他的职业是船舶供应商、造船商以及普通商人；不幸的是，尽管他十分勤奋，但在晚年却因商业投资失败而失去了部分辛苦积累的财产。他于1782年去世，享年84岁。
詹姆斯·瓦特为蒸汽动力的发展与改进做出了巨大贡献，但他从出生起就体弱多病。他最初是从母亲那里学习阅读，而书写和算术则是由父亲教导的。虽然他被送进了格林诺克的文法学校，但由于健康状况不佳，他经常因病缺课，因此几乎无法从学校里获得多少知识。一年中的大部分时间，他都待在自己的房间里自学。正是在这个安静的房间里，瓦特那卓越的智力才逐渐显现出来。由于身体过于虚弱，他无法承受教育通常对孩子们施加的各种约束。因此，他的父母不得不让他自由选择自己的兴趣爱好。以下几则轶事便能体现他如何利用这种自由。
有一天，他父亲的一位朋友发现这个男孩躺在壁炉旁，用粉笔画着各种线条和角度。“为什么让这孩子这样浪费时间？”那人问道，“为什么不把他送到学校去呢？”瓦特先生回答说：“你太草率地评判他了；在谴责我们之前，先了解一下他的实际情况吧。”

“正在工作。”当人们检查这个当时六岁的男孩时，发现他正在努力解决欧几里得提出的数学问题！瓦特先生观察到儿子的思维特点后，便为他提供了各种工具。他很快便学会了如何熟练地使用这些工具。他会把能找到的所有儿童玩具拆开又重新组装起来，还不断尝试制造新的玩具。后来，他还用这些工具制造了一台小型电动机，从那台机器中产生的火花让这位可怜的残疾孩子的所有玩伴们感到十分有趣。

尽管记忆力极佳，但瓦特很可能无法成为普通学校里的神童：因为他不愿意机械地重复那些自己尚未完全理解的内容，所以记住所学知识的速度会很慢。他天生喜欢思考眼前的事物，这会让表面观察者觉得他很迟钝。幸运的是，他有一位眼光敏锐的父母，对儿子日益增长的才能充满期望。而那些关系较远、不够明智的亲戚则没有这么乐观。有一天，男孩的姑妈穆尔黑德夫人指责他懒散无事可做，要求他拿本书来认真读书。“已经一个多小时过去了，”她说，“你却一句话也没说。你知道这段时间你在做什么吗？你不停地打开又合上茶壶的盖子，把盘子和勺子放在蒸汽上方，试图接住蒸汽在上面形成的水珠。这样浪费时间，难道不羞耻吗？”穆尔黑德夫人并没有意识到，这其实正是她小侄子日后取得伟大成就的第一次实验。她没有像我们现在所看到的那样，看到这个正在玩茶壶的小男孩，其实就是那位将来会为人类带来巨大益处的伟大工程师的雏形。

在他的一生中，他最突出的性格特点之一，就是讲述轶事时的非凡技巧与优雅风度。这种能力早在他的幼年时期就已显现出来。以下就是……

以下是他表妹、童年玩伴玛丽昂·坎贝尔夫人所写信件的摘录：
“他十四岁时，母亲带他去格拉斯哥拜访她的一位朋友，他的兄弟约翰也一同前往。几周后，沃特夫人回到格拉斯哥时，她的朋友说：‘你必须把儿子詹姆斯带回家去；我实在受不了他带来的那种兴奋感，因为缺乏睡眠而疲惫不堪。每天晚上十点之前——也就是我们通常休息的时间——他总会找话题与我交谈，然后开始讲述一些有趣或感人的故事。无论这些故事是幽默的还是悲惨的，其吸引力都如此之大，以至于全家人都会全神贯注地听他讲，时间在不知不觉中流逝。’”[第80页]
沃特还有一个弟弟约翰，后来在从苏格兰前往美国的航程中因海难丧生。由于这个弟弟决定继承父亲的事业，因此詹姆斯便可以完全自由地选择自己的职业。但对于一个在所有尝试过的领域都能取得优异成绩的学生来说，做出这样的选择实属困难。
他经常到洛蒙德湖周围的苏格兰山区游玩，这使他自然而然地对植物学和矿物学产生了兴趣，并在这两个领域积累了丰富的知识。此外，这些地方的美丽景色以及当地的传统和民歌也满足了他对趣闻轶事和浪漫故事的喜爱。每当因健康问题不得不待在家里时，他就会致力于化学、自然哲学，甚至医学和外科手术的研究。在化学方面，他掌握了些许实验技能；他还以极大的热情研究S.格雷夫桑德所著的关于自然哲学的著作。由于自身疾病的困扰，他开始阅读有关外科手术和医学的书籍。他思维的活跃程度极高，以至于有一天人们发现他在房间里正在解剖一名因不明疾病去世的儿童的头部，试图查明死因。
1775年，19岁的他，在格拉斯哥大学自然哲学教授迪克博士的推荐下，前往……

他前往伦敦，到位于康希尔芬奇巷的数学仪器制造商约翰·摩根先生那里工作，成为他的学徒，学习期为三年。不过他实际上只在那里待了一年，期满后（很可能是因为健康状况不佳），他便结束了学徒身份，返回格拉斯哥，打算从事光学仪器及数学仪器的制造工作。然而，由于该城的行业协会认为他并非具备从事此类业务所需的资格，他的计划受到了阻碍。在所有调解尝试都失败后，大学里的教授们出面干预，允许他在学院内使用三间房间来开展业务，同时还任命他为大学的数学仪器制造师。不久之后，当地行业协会的反对似乎消失了，他在格拉斯哥开了一家销售数学仪器的商店。鉴于他后来所取得的成就，不难想象他会小心翼翼地保存着与格拉斯哥大学有关的所有记忆。因此，那里还保留着一些工艺极为精良的小型仪器和装置，这些都是瓦特亲自制作的，当时他还无法雇佣工人来协助他工作。获得大学这一职位时，瓦特21岁。他天生的才华以及友善的举止让他很快赢得了当时与那所大学有联系的所有重要人物的尊敬与友谊。在他最早的朋友和赞助人中，有《国富论》的作者亚当·斯密、后来因化学发现而闻名、尤其以潜热理论著称的布莱克，以及因古代几何学研究而声名显赫的罗伯特·西姆森。在帮助瓦特摆脱格拉斯哥行业协会的迫害时，这些杰出人物起初以为自己只是在帮助一个勤奋且聪明的工匠，只是他的友善举止赢得了他们的好感；但经过短暂的接触后，他们便意识到他的才智远远超越了他的身份。

他们对他怀有极为深厚的友谊。他的店铺成了所有在文学与科学领域表现卓越的教授和学生的聚集地，也是他们下午休息聊天的场所。他们在那里探讨艺术、科学和文学方面的各种话题。在这些学生中，后来获得最高荣誉的人就是罗伯逊——他撰写过一部著名的力学著作，同时也是《大英百科全书》的撰稿人之一。罗伯逊本人未发表的手稿中的以下摘录，足以展现人们对瓦特的敬重之情，同时也能体现他个人性格中最有趣的特点：“从年轻时起，我就对自然科学极为感兴趣，尤其是数学和机械哲学。后来，西姆森、迪克和穆尔几位以数学才能著称的先生将我引荐给了瓦特先生。我原以为他只是个普通工匠，没想到他竟是一位与我年龄相仿的哲学家，而且总是乐于教导我。我自以为在自己喜爱的学科上已经相当精通，但看到瓦特先生比我厉害得多，不禁感到羞愧……每当有难题出现时，我们就会去找瓦特先生。他只需稍加引导，任何问题都会变成一项新的研究课题，而我们知道，除非他发现这个问题的无关紧要性，或者从中取得一些成果，否则他是不会放弃的。为了能够阅读勒普尔德的《机械大全》，他学会了德语；我也为了了解他在做什么而学习了德语。出于类似的原因，我们俩还都学会了意大利语。* * * 当瓦特先生在知识上的卓越才能，再加上他天真纯朴、坦诚的性格时，他的朋友们会如此深厚地依赖他也就不足为奇了。我见过很多事情，但必须承认，我从未见过有人能得到如此普遍而真诚的尊敬，毕竟大家都承认他是自己的上司。不过，他的这种优越感总是隐藏在友善的坦诚之下，他对每个人的能力都给予充分的认可。瓦特总是第一个把本应归功于自己才智的东西，归于朋友的智慧之中。”

只是自己的猜测，后来由他人加以实践并付诸实现。我更有资格这么说，因为我自己也经常有过这样的经历。”瓦特从不允许因这些探索而干扰到自己工作室里的日常工作。他白天在工作室工作，夜晚则用于研究。[Pg083]在他看来，任何一项探究的吸引力都与其难度成正比，而其魅力则取决于它与日常工作的差异程度。作为一个例子，他本人对音乐的韵律毫无感知能力，甚至无法区分不同的音符，但他还是决定着手制造风琴，而且最终还取得了成功。正如人们所预料的那样，他所制造的风琴在结构上有很多改进之处；更令人惊叹的是，它的音色和音乐品质让所有听过它的人赞叹不已。在制造这台乐器的过程中，瓦特展现出了他一生中所有科研工作中都有的那种强烈的探索精神。他通过拍频现象来确定音律标准，而关于这一现象的知识，他则是通过剑桥大学的罗伯特·史密斯博士所发表的一篇深奥且晦涩的著作才获得的。据说，瓦特最早注意到蒸汽的作用是在1759年，当时他的朋友罗宾逊提出了一些将蒸汽用作驱动车辆动力的设想，并就此向瓦特征求意见。不过，当时并没有关于相关实验的记录留存下来，而且这项探讨似乎也仅停留在口头讨论阶段，就像瓦特与其他朋友在讨论其他科学问题时通常所做的那样。

(46.)

1762年，瓦特对封闭在容器中的高压蒸汽所产生的力量进行了一些实验，随后他还制作了一个小型模型，以展示如何利用这种力量来产生动力。他由此证明了后来被称为“高压引擎”的装置的可行性，但他并未继续深入研究下去。

由于使用这种高压蒸汽存在潜在危险，因此需要采取相应措施。在用于大学学生教学的实验设备中，通常会配备一些最实用机器的小型工作模型。[Pg084] 格拉斯哥大学自然哲学课程所使用的演示模型中，就有一台用于抽水的纽科门大气泵模型；不过，这台模型从未能够正常运转。当时负责实验哲学教学的约翰·安德森博士（著名的安德森研究所的创始人）于1763年将这个模型送到瓦特的作坊进行修理。不久之后，模型的缺陷就被解决了，它开始能够正常运转，令教授和学生们十分满意。然而，瓦特并不满足于仅仅完成这项简单的修理工作；他那敏锐的思维使他开始深入研究这个模型，进而展开了一系列实际探索，这也为他日后在机械发明领域的辉煌成就奠定了基础。因此，这位伟大人物对蒸汽机的改进——甚至可以说是它的创造——不应像许多机械发明那样，被视为偶然观察或一时灵感的产物。相反，瓦特是通过深入思考以及极其精细严谨的实验来推进研究的。如果他接受过更全面、更优质的教育，人们或许会认为他遵循了培根的那句著名格言：“在没有事实作为指导的情况下写作、说话、思考或行动，就如同在没有领航员的情况下在充满危险的沿海地区航行，又或是在没有舵和指南针的情况下驶入茫茫大海。”他修理后的那个模型，其气缸直径仅为两英寸，冲程为六英寸。在将其完全修复后，他发现，尽管该模型的锅炉相对于气缸来说要大得多，但它仍然无法为气缸提供足够的蒸汽以维持其运转。为让模型继续运转，他不得不减少水量的使用。

该发动机依靠泵来提升压力，以此大幅降低活塞所承受的负荷，这一数值远低于大型发动机应有的标准。他将该型号发动机性能远远落后于大型发动机的原因归结为气缸尺寸过小以及材料问题：该型号发动机的气缸是由黄铜制成的，而大型发动机的气缸则是铸铁制成的；由于黄铜的导热性优于铁，因此他认为该型号发动机因这一原因而散失的热量更多。他观察到，当蒸汽进入小尺寸气缸时，气缸会变得极其烫手，根本无法用手触摸；不过，这些热量并不会提升发动机的性能，因为在活塞下降之前，气缸就需要先冷却下来。

(47.) 他首次尝试改进发动机的方法是使用木制气缸代替铁制气缸。于是他制作了一个以木头为材质的气缸模型，先将木头浸入亚麻籽油中，再将其烘干。他用这个模型进行了大量实验，发现向气缸内注入的水量较少即可使蒸汽凝结，而且与金属气缸相比，所需的锅炉蒸汽供应量也更少。尽管如此，他仍然发现活塞下降时的力远远小于在活塞下方形成近乎完美真空状态时大气压本应提供的力。这让他怀疑注入气缸中的水并不能有效凝结蒸汽。此前他关于水在高于大气压的环境下沸点会升高的实验结果让他推断，如果处于低于大气压的环境中，水的沸点会更低；同时他也知道库伦博士等人最近已经发现，在真空中水的沸点可低至100°。这些观点让他认为，注入气缸中的水会被凝结的蒸汽加热，从而产生低温、低压的蒸汽。

活塞，这或许就是他所观察到的发动机功率不足的原因。他想不到任何方法可以通过直接实验来确定在低于大气压的条件下水沸腾时的温度。不过，他试图用以下方法来测定这一数值。通过重复并多次进行1762年时关于高压蒸汽的实验，他得到了一份表格，列出了在不同高于大气压的条件下水沸腾时的温度。他将这些数据绘制成一条曲线，曲线的横轴代表温度，纵轴代表压力。接着，他沿着这条曲线反向延伸，通过类比的方法得出了在低于大气压的条件下水沸腾时的近似温度。换句话说，虽然他通过实验只能大致了解在不同高于大气压的条件下水沸腾温度的变化规律，但他还是利用同样的规律来计算在低于大气压的条件下相应的压力值。将这些结果应用到大气压引擎的汽缸内部后，他得出了由注入汽缸的冷水以及由此产生的蒸汽所形成的蒸汽的压力值；他发现，除非注入的水量远远超过常规水平，否则汽缸内产生的蒸汽压力将会对引擎的功率造成严重损害。显然，每次冲程中真正能在汽缸内发挥作用的蒸汽量，仅相当于能够填满汽缸的那部分蒸汽量；因此，为了确定由于机器缺陷而损失的蒸汽量，就必须将锅炉每次冲程向汽缸输送的蒸汽量与刚好能填满汽缸的蒸汽量进行比较。两者之间的差值自然就是被浪费掉的蒸汽量。而要确定锅炉实际向汽缸输送的蒸汽量，唯一的办法就是观察锅炉中蒸发的水量。

显然，有必要知道这些水所能产生的蒸汽量；因此，就必须确定一定体积的水能够产生多少蒸汽，或者说蒸汽的体积是多少。

(48.)

在更仔细地研究这台机器的工作原理后，他逐渐明白了以下情况。假设气缸顶部的活塞以及其下方的空间都充满了蒸汽，从而能够抵消活塞上方的大气压力。在这种情况下，正如稍后将解释的那样，蒸汽的温度必然与沸水的温度相同。而为了使蒸汽保持这一温度，与蒸汽接触的气缸内表面也必须具有相同的温度：因为如果内表面温度较低，它就会从蒸汽中吸收热量，从而导致蒸汽温度下降。由于气缸是由金属构成的，金属具有让热量自由传递的特性，因此气缸内表面的温度不可能高于从内表面到外表面的那部分金属的温度。所以，要想让气缸内的蒸汽保持适当的温度，构成气缸的整个金属体本身也必须处于该温度之下。在这种状态下，就需要在活塞下方制造出真空状态，这样才能通过消除下方的压力来发挥上方大气压的作用。实际上，似乎可以通过向气缸中注入足够多的冷水，使其中的蒸汽重新变为水，从而达到这一目的；但瓦特在对大气压力模型的实验中发现，除非向气缸中注入的水量远远超过他将蒸汽转化为水所需的量，否则活塞就无法以应有的力量下降。他找到了造成这一现象的原因，并对其进行了详细解释。

如果我们这样假设：注入气缸的冷水量刚好足以将其中的蒸汽重新转化为水，那么气缸底部就会有一部分温水，其上方则为真空状态。不过，构成气缸本身的所有金属部件，由于之前处于沸水温度，其温度依然保持不变。位于气缸底部、与这些金属接触的温水会立即被加热，温度随之上升；而气缸本身的金属则因为向温水传递热量而略微降温。在这种情况下，正如我们即将解释的那样，水会蒸发产生蒸汽，这些蒸汽会充满整个气缸。虽然这种蒸汽所产生的压力无法与大气压相抵，因此即便没有负载需要推动，也不会完全阻止活塞下降，但它仍会大幅削弱发动机的动力，使其变得效率极低。不过，只要向气缸中注入足够量的冷水，不仅能消除其中的蒸汽，还能冷却构成气缸的金属部件，使其温度降至适当水平，这样从水中产生的蒸汽所具有的压力就会很小，从而不会严重阻碍活塞的下降。

当活塞以足够的力下降，使机器能够正常工作时，就又需要让它上升。为了解决这个问题，瓦特发现锅炉必须提供远多于填充气缸所需量的蒸汽。通过对上述情况的深入思考，他找到了为何需要如此大量蒸汽的原因。

需要记住的是，当活塞到达气缸底部时，整个气缸以及活塞本身的温度都非常低，此时水蒸气的温度也与之相同，其压力不足以阻碍机器的运转。而为了让活塞上升，就必须向气缸中注入蒸汽。

蒸汽从锅炉进入活塞下方的汽缸后，首先会接触到构成汽缸底部以及活塞底部的金属表面。其产生的首个效应便是将来自锅炉的蒸汽转化为水，这一效应是由于蒸汽将其热量传递给了与其接触的金属所导致的。这种对蒸汽的破坏会持续进行，直到与蒸汽接触的金属被加热到沸水的温度为止。只有到那时，活塞下方的蒸汽压力才会与上方的大气压力相等，活塞才会开始上升。然而，当活塞上升时，其与蒸汽接触的汽缸侧壁仍然是冷的，这会进一步破坏蒸汽。因此，必须从锅炉中不断补充蒸汽以替代被破坏的蒸汽；同时，也只有当有足够量的蒸汽从锅炉流入汽缸，不仅能够填满活塞下方的空间，还能通过冷凝作用使整个汽缸和活塞的整体温度升至沸点时，活塞才能到达汽缸顶部。

在格拉斯哥修理并测试大气式发动机模型期间，瓦特注意到了这些情况。他了解到这种发动机可用于矿井排水，但也知道由于需要消耗大量燃料，其运行成本极高。他意识到，若能找到办法消除这些浪费现象，那将具有重要意义。他还发现，每次活塞往复运动时，那些并非用于填充活塞下方空间的蒸汽，而是用于将构成汽缸和活塞的金属从低温加热到沸点的蒸汽，实际上都变成了热量损失；如果能有某种方法让活塞下降而不使汽缸冷却，那么就可以节省用于蒸发这些被浪费蒸汽的燃料。不过，为了准确估算这种浪费的程度，并找到最有效的防止方法，就有必要研究一定量水蒸发所需的热量，以及一定量水所能产生的蒸汽量，还有其他相关因素。

蒸汽的温度和压力。因此，他致力于通过实验来解答这些疑问；最终获得了重要的研究结果，这些结果有助于发现一些极为重要的物理现象。而他后来发明的蒸汽机的效率，恰恰取决于对这些现象的正确应用，同时这些现象也是热学领域中的重要事实。

（49.）

他首先进行实验的目的是确定水在变成蒸汽时体积膨胀的程度。为此，他用一个薄壁的佛罗伦萨烧瓶装入压力与大气压相等的蒸汽，并精确地称量了它的重量。接着，再用同样的烧瓶装水并再次称重。最后，还测出了烧瓶本身的重量。显然，通过这种方法就可以得到装在烧瓶中的蒸汽以及相同体积的水的准确重量。他发现水的重量大约是蒸汽的1800倍；由此推断，烧瓶中的蒸汽所含的水量约为烧瓶所能容纳的水量的1/1800。[17] 在确定了这一点之后，他便能够通过观察大气压模型锅炉中蒸发的水量，来计算供给气缸的蒸汽体积。显然，锅炉每蒸发一立方英寸的水，就会向气缸中提供1800立方英寸的蒸汽。在短时间内准确观测了锅炉的蒸发情况以及活塞在同一时间内的运动次数后，他发现锅炉中蒸发的水量大约是气缸所需蒸汽量的四倍。因此他推断，产生的蒸汽中有大约四分之三被浪费掉了。他接下来要研究的课题是，为了使气缸中的蒸汽凝结，需要向其中注入多少冷水。为此，他在锅炉上连接了一根管道，从而可以将蒸汽从锅炉引入一个装有52摄氏度冷水的玻璃罐中。

蒸汽在从锅炉通过管道输送的过程中被冷水冷凝，这一过程会持续进行，直到蒸汽将热量传递给水，使水开始沸腾，此时蒸汽便不再会被冷凝了。通过比较烧开时的水与最初处于52度时的水量，他发现水量增加了大约六比七的比例，几乎正好如此；由此他推断，要将一盎司的蒸汽转化为水，需要加入约六盎司的冷水。进一步的实验让他得出结论：蒸汽中含有大量的热能。他在一个密封的容器中将一定量的水加热到略高于正常沸点的温度，然后打开阀门，让压缩后的蒸汽进入一个冷容器中；三到四秒后，容器中的水温度就从很高的水平降到了正常沸点；然而，所有从容器中逸出的蒸汽虽然带走了大量热量，但冷凝后却只形成了几滴水。由此他推断，这些以蒸汽形式存在的少量水所包含的热量，足以将容器中的所有水从沸点提升到蒸汽逸出前的温度。在确定了为使气缸内的蒸汽冷凝所需注入的冷水量之后，他又比较了为使活塞下降所需注入的冷水量，发现后者大约是前者的四倍。这使他得出结论：如果只是为了冷凝蒸汽，那么在气缸中消耗的热量大约是实际所需热量的四倍。这一结果进一步证实了他从锅炉提供的蒸汽量与气缸内实际蒸汽量之间的比例关系中所得出的另一个结论。

(50.)

沃特对这些现象感到十分震惊，不仅因为它们在经济层面具有重要意义，还因为它们与……有关。

人们也曾考虑过蒸汽动力，但更认为那些现象体现了热力学领域中完全新颖的物理现象。因此，他急忙寻求朋友布莱克博士的帮助，并将自己的研究结果告知了他。随后，布莱克首次向他介绍了自己最近发现的“潜热”理论，而那些现象正是该理论的基础。罗比森博士的一些著作给人的错误印象是：瓦特所取得的那些成就中，有很大一部分应归功于布莱克博士，因为瓦特正是通过布莱克在潜热方面的指导才掌握了那些有助于他进行发明和改进的知识。在此，我们将引用瓦特本人的话来解释造成这一误解的缘由。这段解释出自瓦特在1814年5月写给布鲁斯特博士的一封信，该信被附在布鲁斯特所编写的罗比森《机械哲学》第三卷的开头：“那些我极为尊重的朋友们的观点让我觉得有必要借此机会指出一个错误——不仅是罗比森博士，显然布莱克博士也犯了这个错误，他们都误以为我改进蒸汽机的技术得益于布莱克博士的指导。由于我未曾公开反驳这一观点，据我所知，后来几乎所有研究潜热问题的学者都接受了这一说法。罗比森博士在《蒸汽机》一文中，出于友情的偏袒而对我大加赞扬，同时还将我描述为‘布莱克博士的弟子和密友’；由于这段描述并未附带任何推论，我初次读到时并没有特别在意。后来，在他为布莱克博士的化学讲义所写的献词中，他甚至认为我声称自己改进蒸汽机的技术得益于那位先生的指导与帮助，这显然是一种误解；因为我一直都承认自己从他的谈话中获得了许多知识，尤其是关于……的理论知识，因此确实欠他一份感激之情。”

潜热——我从未也将自己的改进成果视为源自那些交流。他在上述著作的序言第8页中声称“我曾听过该博士的两次讲座”，这一说法也是错误的；因为不幸的是，我的工作事务让我无法参加他的或任何其他大学的讲座。而在所述时期，罗比森博士本人也在苏格兰之外度过了四年时间，所以他肯定是被错误的信息误导了。在讲座的第184页中，布莱克博士写道：“我很高兴地认为，由于我幸运地观察到了蒸汽形成与凝结过程中的现象，我们才得以了解有关弹性蒸汽的本质，而这些知识无疑为公共利益做出了重要贡献，因为它促使我在格拉斯哥的朋友瓦特先生对这种实用的发动机进行了改进。”从他对发动机的描述以及他在讲座中多次对我的高度评价来看，显然他并非有意贬低我作为发明者应得的荣誉，相反，他总是愿意给予我应得的充分赞扬。

“如果还有疑问的话，那么从他1783年2月13日写给我的信中的以下引文就可以看出：信中谈到我的一位朋友打算出版一些与蒸汽历史相关的作品时，他说：‘我认为你应当简要介绍一下你的发现和见解，尤其是要明确、充分地宣称自己才是改进蒸汽发动机这一成就的唯一功臣。’而在1796年至1797年因有人窃取我的发明而引发的诉讼中，他为我出具了一份书面证明，在简要介绍了这项发明之后，他又补充说：‘瓦特先生才是上述重大改进与发明的唯一创造者。’”

基于对他诚实与友情的信任，要反驳我所尊敬的人的任何观点或主张，实在让我感到十分痛苦。

朋友，不过在目前这种情况下，我觉得有必要说明：在我看来，他似乎犯了错误。我希望通过我在罗比森博士的文章注释中所写的关于自己发明的简短介绍，以及在我尚未了解潜热原理之前的知识状况的描述，还有那些对我发明起到指导作用的事实，来证明这一点。

“早在我的时代之前，人们就已经知道蒸汽在与冷物体接触时会凝结，并且会将热量传递给这些物体；常见的蒸馏器就是例证。”

“通过卡伦博士等人的实验，人们也知道水和其他液体在真空环境中可以在很低的温度下沸腾，即低于100度。”

“一些哲学家还知道，我们当时所称的热容量或热平衡值，在汞和锡中要比在水中小得多。”

“人们也知道，蒸发会导致蒸发液体及其接触的物体冷却。”

“我自己也进行了实验，以确定以下事实：第一，铁、铜以及某些种类的木材与水相比的热容量；第二，蒸汽的体积与水的体积之比；第三，一磅煤在某个锅炉中能蒸发出多少水；第四，蒸汽在高于沸点的不同温度下的弹性特性，以及它在其他温度下所遵循的规律；第五，一台直径为6英寸、冲程为12英寸的小型纽科门发动机，每次做功需要多少蒸汽形式的水。”

第六，每次冲程中为使该气缸内的蒸汽凝结、从而产生约7磅/英寸的工作功率，所需冷水的量。我当时不明白：如此少量的蒸汽如何就能将这么多冷水加热到相应温度；于是我向布莱克博士请教，才首次理解了所谓“潜热”的概念。不过，这一理论虽然有助于在已知锅炉蒸发水量以及气缸所消耗的水量的情况下确定所需的注入水量，也能通过纽科门发动机排放的热水的数量与热量来确定驱动这些发动机所需的蒸汽量，但却无法带来我后来对发动机所做的改进。那些改进是基于两个既定事实：一是蒸汽会因与冷物体接触而凝结；二是水在真空环境中可在100℃以下的温度下沸腾，因此除非在每次冲程中将气缸及其内部物质冷却到低于该温度，否则就无法形成真空状态。

洛蒙德湖。

脚注：
[16] 我们所了解的关于瓦特生平的许多趣事，都源自阿拉戈先生最近出版的《历史颂词》。他得到了与这位杰出人物相关的所有资料及相关信息，而这些资料都是由他的儿子——现居伯明翰附近阿斯顿厅的詹姆斯·瓦特先生提供的，这些资料被认为适合公开。此外，瓦特的亲属穆尔黑德先生还为这部回忆录添加了注释。
[17] 以下是瓦特本人对这些实验的描述：“显然，德萨古利埃博士对贝顿关于蒸汽体积的实验结果计算有重大错误。于是，人们用一个能够容纳约一磅水的佛罗伦萨烧瓶，往里面倒入大约一盎司的蒸馏水；在烧瓶口处装上一根玻璃管，再用涂有玻璃胶的线将管子部分紧密固定。将烧瓶竖立起来后，玻璃管会伸到接近水面的位置，然后把整个装置放入火前的锡制反射炉中，直到水完全蒸发——这一过程大约需要一小时。如果我不希望温度过高，其实可以更快完成蒸发。由于烧瓶内的空气密度大于蒸汽，蒸汽会上升到顶部，从而将空气通过玻璃管排出。当水完全蒸发后，将炉子和烧瓶从火上取下，再向烧瓶的一侧吹入冷空气，使凝结的蒸汽聚集在一处。等一切冷却后，取出玻璃管，仔细称量烧瓶及其内容物的重量。再将烧瓶加热，用风箱向其中吹气使其干燥，再次称重后发现其重量减少了四格令多一点，约为4又1/3格令。当烧瓶装满水时，其容积约为17又1/8盎司，而根据沸水产生的热量，水转化为蒸汽时的膨胀量约为1800。”
“这项实验重复进行后，结果几乎一致。为了确认烧瓶内是否真的充满了蒸汽，人们第三次让相同量的水蒸发；在烧瓶还处于冷却状态时，将其倒置，让带开口的烧瓶口浸入水中，随着烧瓶冷却，水会被吸入烧瓶中，最终在达到室温时，烧瓶内还会剩下半盎司左右的水。”
“后来在重复这项实验时，我简化了装置，省去了玻璃管，将烧瓶侧放于炉中，用一侧有缺口的软木塞部分封住烧瓶口，其余步骤则与之前相同。”

格拉斯哥。

第四章
[第097页]

目录索引
物理原理的阐述——温度计——其刻度标定方法——冰点与沸点——水的潜热。
将冰转化为水所需的热量——水在凝固为冰时释放的热量——沸腾过程——蒸汽重新变为水的过程——将水转化为蒸汽所需的能量——水的沸点。
不同地点的沸点差异——取决于气压——会随压力而变化——这一点的实验验证——在低于标准大气压的环境中，水的沸点会低于212°。
蒸汽的潜热与显热之和始终不变——无论在何种温度或压力下使水蒸发，所需的燃料量都是相同的——蒸发所产生的机械力——在所有情况下这种力几乎保持不变。

(51.)
在此，我们稍作停顿，向读者介绍与水及其他液体的蒸发相关的物理和力学原理。这些原理有助于读者充分理解瓦特发明的价值与意义，以及从他手中传承下来的改进型蒸汽机的结构与工作原理。
由于我们经常会用到温度计的读数，因此首先需要解释该国常用的温度计的工作原理。
温度计是一种用于测量并显示物质温度或显热的仪器。与其它物理量一样，热量也只能通过其产生的效应来衡量。其中最适用于此目的的效应，就是所有物体因温度变化而发生的尺寸变化。

一般来说，当热量作用于某种物质时，该物质的体积会增大；而如果从它那里吸收热量，其体积则会缩小。这种体积变化与温度变化的幅度并不总成相同的比例，但在某些物质以及特定范围内，两者确实存在这样的关系。有一种物质，在较宽的温度范围内，其膨胀和收缩程度几乎保持恒定，同时还具备作为温度计所需的其它优良特性，这种物质就是汞。水银温度计的构造如下：首先制作一根内径极小且均匀的玻璃管，在管端吹出一个球形部分，其尺寸远远大于玻璃管的内径。假设将这个球形部分以及部分玻璃管填充上汞。当球形部分中的汞被加热时，它会膨胀，由于汞的膨胀性比容纳它的玻璃更强，因此球形部分的容积就会变得过小，无法容纳膨胀后的汞。于是，球形部分中的汞只能通过将管中的汞向上推挤来获得更多空间，而它也会确实如此做。这样一来，球形部分中汞的体积增加就会体现为管中液柱长度的增加。由于玻璃管的内径远小于球形部分的尺寸，因此只需有极少量的汞从球形部分进入管中，就能使液柱长度出现显著变化。这样一来，微小的膨胀量也能被清晰地观察到，并可被精确测量。以下是华氏温度计的刻度标定方法：如前所述，准备好玻璃管、球形部分并注入汞之后，将温度计放入装有融冰的容器中。此时会发现，汞会在管中停留在某个特定位置，只要容器中还有冰未完全融化，汞的位置就不会发生变化。在管子上或附在管子上的刻度上，于对应于液柱顶部的位置做一个标记，这个标记点就被称为冰点。

现在，将该仪器放入盛有沸水的容器中，此时气压计的读数为30英寸。可以发现，只要水持续处于沸腾状态，管中的水银柱就会保持不动。在管子上或与其相连的刻度上，标出与水银柱顶部对应的点，这一点被称为沸点。接着，将刻度上从冰点到沸点之间的空间划分为180等份，每一份称为1度。在冰点以下的刻度上继续进行同样的划分，直到共有32份；将最低的那份标记为0，从该点开始向上依次编号为1、2、3等等。同样地，在沸点以上的刻度上也继续进行这样的划分，直到管子允许的极限为止。显然，在这种条件下，冰点会被标记为32，而沸点则为212。通常，温度计的度数会像圆的度数一样表示，即在数字上方加上一个小写的“°”符号。因此，冰点记为32°，沸点记为212°。之所以选择冰点下方32度作为起始点，是因为在温度计发明时，人们认为这一温度是可能存在的最低温度，也就是某种雪和盐的混合物所处的温度。不过后来发现这是个错误，因为通过各种物理方法可以测得更低的温度。物体的温度，其实就是将温度计放入该物体中时，温度计指针上升到的数值。例如，如果将温度计放入水中后，水银柱上升或下降到了100这个刻度，那么就可以说水的温度为100°。假设用一盏酒精灯或其他稳定的热源来加热汞浴，使汞的温度保持在200°不变，同时将另一个装有20°冰块的容器放入汞中。在汞中和冰块中各放置一支温度计，那么就会出现以下现象：放在冰块中的温度计会逐渐从20°上升，直到显示出32°的温度，之后它就会……

静止状态下，此前仍处于固态的冰将会开始融化并转化为水。这一液化过程会持续相当长的时间，在此期间，浸在冰中的温度计读数将始终保持在32°。然而，当最后一块冰也完全融化时，温度计的读数又会开始上升。由于冰的密度比水小，它会浮在水面上，只要还有未融化的冰块存在，就能清楚地看到这一现象。因此，可以肯定的是，在整个过程中，本应保持在200°的汞始终在向冰传递热量；但从液化开始到结束的这段时间里，浸在融化冰中的温度计并没有显示出温度上升的迹象。如果在这过程中冰没有从汞那里吸收热量，那么只要把装有冰的容器从汞浴中取出，灯光的作用依然存在，但温度计的读数却会开始上升，因为此时导致汞温度超过200°的热量其实来自正在融化的冰。在液化过程中进入冰中的、而温度计无法检测到的热量，就被称为潜热。显然，这是一个已得到证实的事实，而非某种假设。实验已经证明，这种热量确实进入了水中并存在于其中，所以说它存在于水中，就是在陈述一个既定事实。将其称为潜热，则是在说明另一个既定事实，即温度计无法感知这种热量。这些事实表明，热量能够在物体中以两种不同的状态存在：一种状态下温度计能够检测到热量，另一种状态下则无法检测到。那些能被温度计检测到的热量，被称为显热或自由热。需要指出的是，那些能被温度计检测到的热量同时也是可以被感官感知的，而那些无法被温度计检测到的热量则……

温度计能够感知的温度其实并非人类感官所能察觉的。因此，32°的冰与32°的水给人的寒冷感是相同的，但我们知道后者的热量远高于前者。最早注意到这一现象的布莱克博士推断，冰之所以能转化为水，是因为有了一定量的热量被传递给冰，这些热量以类似于物质发生化学结合的方式与冰结合在一起。如此与固态冰结合后的热量便失去了影响感官或温度计的能力，其效应也就类似于那些在化学结合过程中各组成元素会改变其物理性质的案例。浸在冰中的温度计只有在冰正在液化的过程中才会保持不动，这一事实表明，热量的吸收必然与这一过程相关；如果没有固态冰转化为液态水这一过程，那么所吸收的热量就会可以被感知，进而导致浸在冰中的温度计示数上升。在布莱克之前，人们认为只需稍加热量就能使冰转化为水，温度计也会立刻从冰点升高到更高的温度。然而，上述实验表明了这种假设的错误性。如果将冰所浸泡的汞浴保持在200°的温度下，观察冰完全液化所需的时间，会发现这一时间大约是让液态水从32°升到37°所需时间的28倍；而如果假设在冰液化的过程中，每分钟传递给冰的热量与液态水从32°升到37°时每分钟所吸收的热量相同，那么就可以得出结论：使冰液化所需的热量是让水从32°升到37°所需热量的28倍。由此可见，融化冰并非只需要少量热量，实际上需要吸收相当大的热量。

既然我们已经了解到这样一个惊人的事实：冰在转化为水的过程中会吸收大量热量，但却不会使容器本身变热，那么现在我们就来探究一下究竟会吸收多少热量。我们之前已经说过，如果在相同时间内传递的热量相同，那么将一定重量的冰液化所需的热量，将是将相同重量的水从32°升高到37°所需热量的28倍；或者，如果每升高5°所需的热量相同，那么这样的热量就足以将水从32°升高到172°。因此我们可以推断，将一定量的冰液化所吸收的热量，相当于将相同量的水在温度计刻度上升高140度所需的热量。

(52.)

现在让我们来研究持续对液态水施加热量时所产生的类似现象。取少量水放入一个体积较大的玻璃瓶中，然后密封住，防止任何蒸汽逸出。[Pg103]接着将这个容器放在酒精灯的火焰上，让里面的水沸腾。在相当长的时间内，水会持续沸腾，其体积也会逐渐减少，直到最后所有的水都消失，容器看起来似乎是空的。如果将这个容器从灯上拿下来，置于低温环境中，很快就会发现容器的整个内表面都覆盖着一层水珠；最终，容器底部会积聚与实验开始时相同量的水。通过将玻璃瓶悬挂在天平的臂上，再用足够的重量悬挂在另一侧来平衡，就可以很容易地确定在实验的整个过程中没有水从容器中逸出。无论何时，天平都能保持平衡，而容器在看似为空的状态下与装有液态水时的重量是相同的。由此可见，在整个过程中水始终存在于容器中，只是当沸腾持续了一段时间后它就变得看不见了；而且可以证明，只要……

如果将烧瓶置于温度极高的环境中，那么例如，当它被悬放在沸水中时，烧瓶内的水仍然会是看不见的；但一旦将其从沸水中取出并暴露在冷空气中，水又会变得可见，如前所述，会在内表面形成水珠，最终聚集在容器底部，就像实验开始时的情况一样。实际上，通过沸腾过程，液体已经转化成了蒸汽，而蒸汽的诸多性质与普通空气相似，因此也是看不见的。后续还会发现，蒸汽同样具有弹性以及其他气体所具有的机械特性。

（53.）

再假设用60度的水填满一个敞口容器，然后将该容器放入一个由火或灯加热而保持在230度温度的汞浴中。在水中放置一支温度计，就会观察到随着水从周围的汞中吸收热量，其温度会逐渐上升。水会以这种方式持续升温，直到达到212度；此时浸在其中的温度计读数将不再变化。与此同时，容器中的水会开始剧烈晃动，其表面会出现仿佛有气泡从底部上升并从顶部冒出的现象，同时会有大量浑浊的蒸汽从水面散发出来。这一过程被称为沸腾。如果继续让水处于这种状态相当长的时间，容器中的水量将会明显减少，最终所有的水分子都会消失，容器里将只剩空壳。在整个过程中，浸在水中的温度计读数始终保持在212度不变。现在，有人可能会问：水到底去哪儿了？不可能认为水被消灭了。我们可以通过采取措施防止水中的任何物质颗粒逸出容器、进入大气或其他地方来解答这个问题。假设将装有水的容器的顶部密封起来……

唯一的例外是存在一根与管道相连的通道，将该管道接入另一个与加热汞池相隔的密闭容器中，再将其浸入另一个装有冷水的容器中。这样的装置如图15所示。

图15：A为加热汞池，玻璃容器B置于其中且内含水。从容器B的顶部伸出一条向下倾斜的玻璃管C，该管通向另一个玻璃容器D，而容器D则浸在装有冷水的容器E中。如果继续进行上述过程，直到水因持续沸腾而完全消失，就会发现容器D中会积聚一定量的水；如果称量这些水，其重量将与最初放入容器B中的水的重量完全相同。由此可见，水确实是通过沸腾的方式从一个容器转移到另一个容器的；但在转移过程中，这一过程是无法用肉眼观察到的。管道C以及容器B的上部看起来就像充满了大气空气一样。不过，可以很容易地证明它们并非仅仅充满了大气空气。当沸腾开始时，管道C是冷的，其内表面也是干燥的。经过一段时间后，管道C会逐渐变热，其内表面也会出现水分。但过一段时间后，这些水分又会消失，管道的温度也会达到某一值。

212°。在这种状态下，这一过程会持续进行，直到容器B中的所有水都被排放到容器D中。

(54.)

这些现象很容易解释。容器B中的水无法达到212°以上的温度，因为只有在这个温度下它才能保持液态。因此，有少量水会不断因从周围汞中吸收的热量而转化为蒸汽，这些蒸汽泡会在容器B的底部和侧壁上形成。由于这些蒸汽泡的密度远小于水，它们会像空气泡一样迅速上升，从而在水中产生那种特殊的搅动现象，而这种搅动现象就被视为沸腾的外部迹象。这些蒸汽泡会从水面逸出，并聚集在容器的上部。当这些蒸汽首次进入管道C时，会被管道表面冷却至212°以下；由于在低于212°的温度下蒸汽无法保持气态，它们又会重新转化为水，形成在管道C内部可见的雾状水分。不过，最终整个管道C都会被加热到212°，此前聚集在其内表面的水分又会再次转化为蒸汽。随着从容器B中的水产生的蒸汽量不断增加，这些蒸汽会将之前聚集在管道C中的蒸汽驱赶回去，使其进入容器B。在那里，这些蒸汽会遇到容器B的内表面，而该表面由于浸在冷水中而始终保持低温；这样一来，蒸汽的温度立刻就会降至212°以下，进而重新转化为水。起初，这些水会以露珠的形式聚集在容器D的表面上；但随着露珠的不断积累，它们会掉落到容器底部，形成更多的水。由于可以观察到容器B中的水量逐渐减少，而容器D中的水量则逐渐增加；如果在过程的某个阶段停止操作并称量两个容器中的水重量，就会发现容器D中的水重量恰好等于容器B中水的损失重量。

(55.)
因此，这一现象充分证明了：容器B中的水逐渐减少，是由于热量将水转化为蒸汽所致。在最初描述的过程中，假设容器B的顶部是敞开的，这些蒸汽就会逸散到空气中，先在空气中扩散，随后以微小的水滴形式冷却下来，沉积在地面及周围的物体上。

(56.)
回顾这一过程时，我们会发现一个有趣的现象：持续向容器B施加热量也无法使其内部水的温度超过212°。这一现象与液化过程有着明显的相似性，由此我们可以提出类似的问题，而得到的结果也是一样的。我们只能推断：当水达到212°时，它不再从水银中吸收热量；或者，即便有热量传递过来，也无法影响温度计的读数；又或者，逸散的蒸汽带走了这些热量。如果将容器B从水银中取出，其他条件保持不变，那么水银的温度会迅速上升，如果继续加热的话，水银甚至会沸腾；但只要容器B仍浸在水银中，就会阻止水银温度上升。由此可见，容器B吸收了那些原本会提升水银温度的热量。如果将温度计放入容器B上部的蒸汽中，它的读数也会是212°，与水中的温度相同。因此，从水银那里获得的热量显然并没有以可感知的形式传递给蒸汽，蒸汽作为气体时的温度与其作为液体时的温度相同。根据之前关于液化的解释，我们可以推测：水银传递给水的热量已经以潜热的形式存在于蒸汽中，正是这种潜热促使水转化为蒸汽，就如同热量在液化过程中所起的作用一样。

冰转化为水。在那种情况下，是通过将冰与水混合来检测这一现象的；因此，在当前的情况下，我们也会用类似的方法来进行测试，也就是将水与蒸汽混合。在容器A中放入约5.5盎司、温度为32°的水（见图16），再让另一个容器B中的水保持持续沸腾状态，其温度为212°。通过从顶部延伸出的管道C，让容器B中的蒸汽能够进入容器A，然后从管道出口处排出，该出口位于容器A中水面下一定深度处。当蒸汽从管道中排出时，会立刻被周围的冷水重新转化为水；通过不断重复这一过程，容器A中的水就会逐渐被通过管道C进入的蒸汽加热。如果继续这个过程，直到容器A中的水温度升至212°，那么水就会开始沸腾。此时称量一下水的重量，会发现其重量仍为6.5盎司。由此我们可以推断，有1盎司的水以蒸汽的形式从容器B进入容器A，然后又被容器A中较低温度的水重新转化成了水。原来以蒸汽形式进入容器A的那一盎司水，其温度为212°。现在它虽然已转化为液态，但温度依然保持在212°不变；不过它却使得与之混合的5.5盎司水的温度从32°上升到了212°——而它自身的温度却没有下降。由此可见，当它恢复为液态时，它释放出了足以将相当于自身重量5.5倍的水从32°加热到212°的热量。这些热量与蒸汽结合在一起，虽然无法被温度计检测到，但属于潜热。如果这些热量能够在容器B中的水中被检测到，那么它们就会使水的温度上升相应的数值，这个数值相当于212°减去32°后的5.5倍，也就是180°的5.5倍；因为这些热量足以将相当于自身重量5.5倍的水从32°加热到212°。

水在升温时温度的上升幅度是相同的。但5.5倍的话，180°乘以5.5就等于990°；若用整数来表示的话（因为这里并不需要精确到个位数），则为1000°。因此，一盎司的水从212°的液态变为212°的蒸汽态时所吸收的热量，相当于足以使其温度上升1000个温标单位的热量——当然，前提是这些热量没有以潜热的形式存在，而是以显热的形式被释放出来。

(57.)

为了从这些实验中获取尽可能多的信息，就有必要仔细研究水在各种不同条件下的表现。如果在不同的日子里，将水放在敞口容器中煮沸，并将温度计浸入水中，就会发现水在沸腾时的恒定温度会在一定的范围内波动。有时水的沸腾温度为210°，而有时则会上升到213°；在不同的情况下，其温度会处于这个范围内的不同数值。如果在不同的地点同时进行同样的实验，也会发现沸腾点会有类似的波动。那么，自然会有人想要知道导致这种波动的原因是什么；通过观察同时发生的其他物理变化，我们就能找到答案。[第109页] 如果我们在每次实验时都记录下气压计的读数，就会发现气压计的数值与水的沸腾温度之间存在非常显著的对应关系。只要气压计的读数保持不变，水的沸腾温度也必然不变。例如，当气压计的读数为30英寸时，水的沸腾温度就是212°；如果气压计的读数下降到29.5英寸，那么水的沸腾温度就会略高于211°；而如果气压计的读数上升至30.5英寸，水的沸腾温度则接近213°。由此可见，沸腾温度的波动伴随着气压计所显示的大气压力的变化；而且可以发现，只要气压保持不变，水的沸腾点也就不会改变。

只要大气压力保持不变，情况就不会改变；而且，一个量的增加必然会导致另一个量相应的增加。

（58.）

从这些事实可以推断：作用在水面上的压力具有抑制水沸腾的趋势，因此水在沸腾之前需要更高的温度；反之，水面上的压力越小，水沸腾就越容易，或者能在更低的温度下沸腾。由于这些事实在热学理论中极为重要，通过直接实验来验证它们会很有用。如果大气对水表面施加的变动压力是导致沸点变化的原因，那么根据同一规律，人为地在水表面施加的任何压力变化也必然会改变沸点。因此，如果在液体上施加远高于大气压力的压力，其沸点很可能会显著高于212°；而如果让水表面脱离大气压力，处于较低的压强之下，水的沸点则会在212°以下。设B（见图17）为一个由黄铜制成的坚固球形容器，它被放置在支架S上，支架下方则有一个大型酒精灯L或其他加热装置。该容器的顶部有三个开口，其中两个开口上分别装有温度计T——其感温泡伸入黄铜球体内部——以及一个可随时开关的止回阀C，用于控制蒸汽的进出。顶部的第三个开口上则装有一根两端开口的长气压计管，该管的下端几乎延伸到球形容器B的底部。在容器底部有一定量汞，其液面高度高于管A的下端一定距离。在汞的上方倒入一定量的水，使容器B被水填满一半。如此布置好后，拧紧螺丝以固定水位，然后让加热装置开始工作。

在容器中，水的温度上升，从而产生蒸汽。这些蒸汽被限制在容器内，会对水面施加压力，阻碍水沸腾。蒸汽对水面施加的压力会传递到汞面上，迫使一部分汞进入管A中，使得管A中的汞柱上升，超过管子与容器B顶部相连处的位置。随着灯的持续作用，温度计T显示的温度会逐渐升高；而管A中的汞柱则反映了蒸汽对容器B中水面施加的压力——这一压力与蒸汽的压力相互平衡。因此，通过观察温度计T和管A，就可以随时了解同一时刻的水温和蒸汽压力。当管A中的汞柱上升至比容器B中汞面高30英寸时，蒸汽的压力将相当于大气压的两倍，因为管A的顶部是开放的，大气压力会作用于其中的汞面。如图17所示。温度计T会逐渐上升，直至达到212°的温度；但它不会像浸在敞口容器中的水中那样停止上升，而是会继续上升。当管A中的汞柱上升至30英寸高时，温度计T的温度将达到251°，比普通沸点高出39°。在整个过程中，由于水面始终处于不断增大的压力之下，水的沸腾就会被阻止。

水会持续吸收热量而不会沸腾。很容易证明，正是不断增加的压力阻止了水的沸腾，使得水温能够超过212°。打开止回阀C后，B中的蒸汽由于压力远高于大气压，会立刻喷出，并继续从C处流出，直到其压力与大气压相等为止。与此同时，A中的水银柱会迅速下降，甚至低于其插入容器B的开口位置。温度计T的温度也会下降，直至达到212°。此时温度计将不再变化，而水则处于剧烈沸腾状态。如果再次关闭止回阀C，温度计的温度将开始上升，A管中的水银柱也会重新上升。

如果C处不是止回阀，而是有一个与阀门相连的开口——比如蒸汽机上的安全阀，该阀门上装有某种重物，比如每平方英寸15磅的重力——那么温度计T以及A管中的水银就不会像之前那样无限上升。温度计会一直上升，直到达到251°；A管中的水银柱则会上升到30英寸的高度。在此极限情况下，阀门的阻力将与蒸汽的压力相平衡；每当水有产生更高压力蒸汽的趋势时，阀门就会打开，让蒸汽逸出；在此过程中，温度计T和A管中的水银柱仍保持不变。如果阀门的负荷更大，现象依然相同，只是T管和A管中的水银会在更低的位置停止上升。不过，如果阀门的负荷小于每平方英寸15磅，那么两管中的水银则会在更低的点停止上升。

(59.)

这些实验表明，任何高于正常大气压的压力增加，都会导致水的沸腾温度上升。

水开始沸腾。现在我们来探究：压力降低是否也会对沸点产生相应的影响。这可以通过使用空气泵来轻松实现。将温度为200°的水放入空气泵的接收器下的玻璃容器中，然后逐渐抽出其中的空气。经过几次抽气后，水就会开始沸腾；如果观察空气泵上的水银压力表，会发现其读数约为23.5英寸。这样一来，水所承受的压力就从通常的大气压——即30英寸水银柱所代表的压力——降到了23.5英寸所代表的较低压力；同时，水的沸点也从212°降到了200°。用温度为180°的水重复同样的实验，会发现需要进一步降低空气密度，水才会沸腾。此时再观察压力表，其读数约为15英寸，这说明在180°时，水在仅为正常大气压一半的压力下就能沸腾。这些实验可以不断变化并重复进行，结果总会发现：随着压力的降低或升高，水的沸点也会随之降低或升高。

(60.)

无需使用空气泵，也可以通过让蒸汽凝结来制造真空，从而展现出同样的现象。在一只细小的玻璃烧瓶中倒入少量水，将其置于酒精灯上加热至沸腾。当看到大量蒸汽从烧瓶口冒出时，迅速用软木塞封住烧瓶并将其从灯上拿开。此时沸腾过程会停止，水也会变得平静；但如果将烧瓶放入冷水中，瓶中的水又会重新开始剧烈沸腾，这就体现了“通过冷却使水沸腾”这一奇特现象。这种现象是由于烧瓶所处的低温环境导致水面上的蒸汽凝结，从而使水所承受的压力减小。水……

在这种条件下，水的沸点会低于其在未冷凝蒸汽压力作用下的沸点。

(61.) 如果对水施加足够的压力以抑制其汽化趋势，那么水的温度就可以被提升到任意高度。如果将一个坚固的金属容器装满水，使其无法因任何力量而泄漏，那么其中的水就可以被加热到任意温度而不会沸腾；实际上，它甚至可以被加热到极高的温度。水能被提升到的温度没有上限，唯一的限制就是容器的强度，或是构成容器的金属开始软化或熔化的临界点。

(62.) 下表显示了在气压计读数介于26英寸到31英寸之间的不同大气压力下，水的沸点。
气压计读数（英寸）　沸点（度）
26　　　204°·91
26.5　　　205°·79
27　　　206°·67
27.5　　　207°·55
28　　　208°·43
28.5　　　209°·31
29　　　210°·19
29.5　　　211°·07
30　　　212°
30.5　　　212°·88
31　　　213°·76

从这张表可以看出，每当气压计读数在这两个数值之间变化十分之一英寸时，水的沸点就会变化0.176度，或者近似为1/6度。

(63.)

在之前用于测定蒸汽潜热的实验中，水被认为是在正常大气压力下沸腾的。然而，既然我们知道水在不同压力下会在不同温度下沸腾，那么就产生了这样一个问题：在不同温度和压力下蒸发时所吸收的热量是否会有所变化？针对处于不同温度下的沸腾状态的水进行的类似实验，无论是低于212°还是高于212°的温度，都揭示了蒸汽理论中的一个非常有趣的现象：发现蒸发过程中吸收的热量总是随着沸腾温度的升高而减少，而且其减少量与沸腾温度的升高幅度相同。因此，如果水在312°下沸腾，其蒸发过程中吸收的热量将比在212°下沸腾时少100°；同样地，如果在较低的压力下、112°时让水沸腾，其蒸发过程中吸收的热量将比在212°下沸腾时多100°。由此可见，无论蒸发发生在何种温度下，实际消耗的热量应该是相同的；因为以显热形式节省下来的热量，会以潜热的形式被消耗掉，反之亦然。

假设有一定重量的水，初始温度为32°，并将其置于能够持续提供热量的装置中。如果在正常大气压力下，它首先需要180°的热量才能达到沸点，接下来的1000°热量则会使水转化为蒸汽。这样，212°时的蒸汽所包含的热量，就包括了水在32°时所含的热量以及另外1180°的热量。但如果将同样的水置于相当于正常大气压力一半的压力下，那么它首先需要148°的热量才能沸腾，接下来的1032°热量则会使水转化为蒸汽。如此一来，180°时的蒸汽所包含的热量，就比32°时的水多出1032°加上148°，总计1180°。因此，在正常大气压力下212°时产生的蒸汽，与在半倍压力下180°时产生的蒸汽，所含的热量是相同的——唯一的区别在于，前者具有更多的潜热，而显热则较少。

由于水蒸气的潜热与显热之和是恒定的，因此无论在何种温度或压力下将一定重量的水煮沸，都需要相同的热量才能将其转化为蒸汽。由此可知，在蒸汽机中，消耗相同的燃料量可以产生等重量的高压蒸汽和低压蒸汽；而且一般来说，无论蒸汽的压力如何，燃料的消耗量都与被汽化的水量成正比。[18]

(64.)

在说明了通过向水中加热使其转化为蒸汽，以及通过从蒸汽中吸收热量使其重新变为水的原理之后，现在让我们来探讨这些过程中产生的机械力。设AB（见图18）为一根管子或圆柱体，其底面积为一平方英寸，活塞P在其中移动且能够保持密封。假设在活塞下方、圆柱体底部与管子底部之间有一立方英寸的水；活塞由一个通过滑轮作用的重量W来平衡，该重量恰好足以抵消活塞的重量，从而除了上方的大气压力外，没有其他力量使活塞保持向下状态。在如此的条件下，由于活塞与水接触且内部没有空气，它将会被大气压力压下，我们假定该压力为15磅，而活塞的底面积为一平方英寸。[Pg116]

图18. 现在，让灯焰照射到管子底部；这样，活塞下方的水的温度就会逐渐上升，进而……

在除了活塞上方的大气压力之外的其他压力作用下，当水温达到212°时，水就会开始转化为蒸汽。随着水不断转化为蒸汽，活塞会向上移动，直到所有水都蒸发完毕。如果管道的长度足够长，那么活塞上升的高度将会达到约1700英寸，即142英尺；因为如前所述，在正常大气压力下，水转化为蒸汽时其体积会增大约1700倍。在这个过程中，作用在活塞上的空气压力为15磅/平方英寸，而该空气被提升了142英尺。因此，可以得出结论：在15磅/平方英寸的压力下，每蒸发一立方英寸的水，就能产生相当于15磅力乘以相应高度的机械力。显然，15磅的力提升142英尺，就相当于142次各提升15磅的力。142乘以15等于2110，所以由此产生的力相当于2110磅的力提升1英尺的高度。这一数值与1吨的重量所对应的力相差约110磅，因此可以粗略地说，在这种条件下，每蒸发一立方英寸的水，就能产生足以将1吨重的物体提升1英尺的力。在这里假设的压力下，水转化为蒸汽时体积的增大程度很容易记住，因为1立方英寸的水几乎可以转化为1立方英尺的蒸汽。1立方英尺相当于1728立方英寸，这一数值与大气压力下蒸汽与水的体积比例非常接近。[第117页]

因此，记住以下基本事实会很有帮助：
1. 在正常大气压力下，1立方英寸的水蒸发后会变成1立方英尺的蒸汽。
2. 在大气压力下，1立方英寸的水蒸发所产生的机械力，相当于将约1吨重的物体重抬1英尺的高度。

（66.）
再假设活塞P（见图23）恢复到原来的位置，其下方仍有液态水；除了之前压在活塞上的大气压力外，还假设再有15磅的重物压在活塞上，这样水所受的压力就是大气压力的两倍。如果此时点亮光源，同时将温度计浸入水中，就会发现水在温度达到约250°之前不会开始蒸发成蒸汽。之后，活塞会像之前一样开始上升，水也会逐渐转化为蒸汽。当水完全蒸发后，活塞会上升到原来高度的一半多一点，即72英尺。这样一来，所产生的机械力就相当于用原来的两倍重量去提升原来高度的一半多一点的距离。
同样地，如果活塞上除了大气压力外还有30磅的负荷，那么水所受的总压力就是最初假设的压力的三倍，此时水蒸发后活塞会上升到原来高度的三分之一多一点。由此产生的机械力则相当于用原来的三倍重量去提升原来高度的三分之一多一点的距离。
一般来说，随着作用在活塞上的压力增大，水蒸发使活塞上升的高度增加的比例，会小于压力增大的比例。如果在这些不同压力下水蒸发成蒸汽的温度相同的话，那么……

由于水蒸发而使活塞上升的高度，会与作用在活塞上的压力增加的比例完全相同地减少；在这种情况下，无论水在何种压力下蒸发，其产生的机械力都将保持不变。我们日后将解释水温与蒸汽温度随压力变化时对这一规律的影响程度；但由于温度差异带来的影响并不显著，因此不妨将以下重要的实际结论记在心里：—

（67.）

一立方英寸的水转化为蒸汽后所产生的机械力，几乎相当于将一吨重的物体提升一英尺所产生的力；而且无论水在何种温度或压力下蒸发，这一力都不会有太大变化。

格拉斯哥。

脚注：
[18] 前几段以及本书中关于热的一般性质的其它内容，均摘自我发表于《Cabinet Cyclopœdia》上的《热学论著》；如需更详细的解释与更多例证，可参阅该著作。

格拉斯哥学院。

第五章
[第119页]

目录索引

瓦特发现，气缸内的冷凝现象会妨碍燃料的有效利用。他提出了在气缸外进行冷凝的想法，进而发现了分离式冷凝装置。他还发明了空气泵，用蒸汽压力替代大气压力，并发明了蒸汽箱或夹套。他进行了多项实验来验证这些发明的可行性，同时也设计了相应的实验装置。不过，要将这些改进后的发动机投入实际使用仍面临诸多困难。瓦特还从事过土木工程师的工作，与罗巴克合伙经营，获得了他的第一项专利。此外，他还描述了自己的单作用蒸汽机。

(68.)

在蒸汽机发明史的这一阶段，瓦特主要通过自己的实验，已经充分了解了上述各种现象，因此他得出结论：在蒸发过程中产生的全部机械能中，只有极小一部分能够被传统发动机真正利用起来；[第120页]因此，这种发动机的结构中存在着大量不必要的能量损耗。他意识到，这种能量浪费的主要原因在于每次活塞运动时都会有一定量的蒸汽在气缸内冷凝，从而在活塞上升之前使气缸温度升高。显然，如果气缸保持低温状态，活塞就无法上升，因此除非能找到某种方法在不对气缸降温的情况下维持真空状态，否则这种能量浪费是不可避免的。而要创造真空状态，就必须让蒸汽冷凝；而要让蒸汽冷凝，就必须将其温度降低到一定程度，使得蒸汽不再具有有害的压力。不过，如果让已冷凝的蒸汽留在高温的气缸中，它又会重新变成蒸汽……

气缸的温度有助于恢复其弹性，从而抵抗活塞的下沉。经过对这些情况的思考，瓦特意识到大气发动机结构中存在一个固有缺陷，这一缺陷必然导致大量能量浪费；该缺陷的产生是因为蒸汽的凝结与保持发生凝结的气缸内高温状态之间存在矛盾。因此，要么蒸汽无法完全凝结，要么根本无法在气缸内发生凝结。1765年，经过反复思考后，他想到了一个巧妙的办法：即便蒸汽不在气缸内凝结，也能制造出真空状态。他认识到，如果将一个已形成真空的容器与另一个装有弹性流体的容器相连，那么弹性流体就会涌入真空区域并扩散到两个容器中；而如果这种弹性流体在进入真空区域时从气态变为液态，那么两个容器内的空间就会同样变成真空状态。在这种情况下，其中一个容器可以保持在任意高的温度下，而另一个容器则可以保持在任意低的温度下。这一绝妙的想法为他日后一系列伟大的发明与发现奠定了基础，也使他的名字永垂不朽。他曾说，当“分离式凝结”的想法出现在他脑海中的那一刻——也就是在保持低温的容器中让来自高温容器的蒸汽凝结——关于改进后发动机的所有细节便迅速浮现在他的脑海中，仅仅一天时间，他的发明就已完成，随后他便开始对其进行实验验证。为了解释这项伟大发明的最初构想，我们可以想象一根管子S（见图19），它从气缸AB的底部延伸到一个带有止回阀D的容器C中，通过这个止回阀可以随时打开或关闭气缸与容器C之间的连接。假设活塞P位于气缸顶部，其下方为空气，且气缸及空气都处于正常温度状态，而

容器C处于真空状态，且温度保持较低。当打开阀门D时，蒸汽会从圆柱体AB通过管道S涌入容器C中，由于与容器C的冷表面接触而发生凝结。如果在容器C中注入冷水，这一凝结过程将会瞬间完成。当流入容器C的蒸汽被完全消耗，圆柱体AB内的空间再次变为真空状态时，由于大气压力的作用，活塞会在克服摩擦力后下降。假设此时关闭阀门D，然后让蒸汽从锅炉通过活塞下方的适当阀门进入圆柱体，此时圆柱体和活塞的温度仍与之前相同。进入圆柱体的蒸汽不会接触到任何温度低于其自身的表面，因此不会发生凝结，这会立即导致活塞上升；当锅炉提供的蒸汽量足以填满整个圆柱体时，活塞就会到达圆柱体的顶部。此时如果切断与锅炉的连接并再次打开阀门D，蒸汽会再次通过管道S流入容器C，在那里遇到冷表面及冷水喷射而发生凝结，从而在圆柱体AB内再次形成真空状态；由于圆柱体的温度仍然不变，活塞又会下降，如此循环往复。

(69.) 将发明发展到这一步后，瓦特发现容器C会因不断在其中凝结的蒸汽而逐渐变热。为避免这种情况，同时也为了持续提供冷流体，

他提议将容器C浸没在装有冷水的池子中，再通过管道向容器内喷射水流，从而使从汽缸中流出的蒸汽得以凝结。但这里出现了一个难题，必须加以解决：用于凝结蒸汽的冷水会与已凝结的蒸汽混合，逐渐积聚在容器C中，最终导致其堵塞。为避免这种情况，瓦特提议让容器C与泵F相连，该泵可由发动机本身驱动，用来不断抽出积聚在容器C底部的水。由于通过喷射流进入容器C的总是带有水分的大气空气，因此这种泵就显得更为必要了。这些空气会在容器C中被蒸汽的热量释放出来，然后上升并通过管道S，破坏汽缸内的真空状态；而与蒸汽不同，这种弹性流体无法被冷水凝结，因此其危害性更大。因此，瓦特所设计的用于抽出容器C中水的泵，也可以用来抽出空气或其中的大部分气体。后来，容器C被称为冷凝器；而根据上述情况，泵F则被称为抽气泵。在瓦特最初构想这项发明时——甚至在其被制成模型或进行实验之前——汽缸、冷凝器和抽气泵就是该发明的三个主要组成部分。不过，在其发展初期还出现了另外两项改进。在利用大气压工作的发动机中，活塞是通过在上方注入冷水来保持与汽缸的密封性的，这样就能填满活塞与汽缸之间的微小间隙。显然，当活塞下降时，这些水的作用不仅是冷却汽缸，还会使任何可能进入活塞与汽缸之间并落到活塞下方的空气立即沸腾，因为汽缸本身也是处于……

沸点。因此，这些水会产生蒸汽，而蒸汽的压力则会阻碍活塞的下降。瓦特意识到，尽管在活塞上使用油或动物脂肪可以消除这一问题，但当活塞在气缸中下降时，寒冷的空气仍会随之进入，从而在一定程度上降低气缸内的温度。当活塞再次上升时，就必须依靠锅炉产生的蒸汽将温度重新提升到212华氏度，这无疑会导致机器消耗更多的能量。如果能够将发动机舱内的空气保持在与沸水相同的温度，就能避免这一问题。这样一来，活塞就会受到与即将进入气缸的蒸汽一样热的空气的压迫。不过，经过进一步思考后，瓦特认为，如果能让气缸本身处于与外界大气压力相同的蒸汽环境中，那会更为理想。这样的蒸汽能够像空气一样有效地压迫活塞；而且相比空气还有一个优点：如果有蒸汽从活塞和气缸之间泄漏出来，它会被冷凝，而外界空气则不会如此。于是他决定用一个外部壳体将气缸包裹起来，并在壳体与气缸之间的空间内注入来自锅炉的蒸汽。这样，气缸就能处于一个独立于外界空气的蒸汽环境中。而这个外壳只需比气缸稍大一些，顶部还需有一个密封盖，盖子中央可开一个孔，让活塞杆穿过。活塞杆表面应光滑，且要确保其与孔隙之间不会漏出蒸汽。这种方法还有另一个优点，那就是能够始终保持气缸和活塞的温暖，无论是内部还是外部。瓦特还意识到，利用蒸汽的压力来推动活塞下降会比利用大气压力更有效，因为蒸汽的压力更容易控制——通过调节包围气缸的蒸汽的温度，就可以随心所欲地调整其压力，从而让蒸汽更好地推动活塞运动。

活塞可以凭借所需的任意力量移动。因此，发动机的功率能够得到完全控制，且不受大气压力变化的任何影响。

（70.）

这一改进彻底改变了该机器的特性，使其从大气压力驱动的发动机变成了蒸汽驱动的发动机。现在，活塞下方的真空状态是由蒸汽的特性产生的——即蒸汽在冷却后会重新变为水；而推动活塞进入这种真空状态的力则来自蒸汽的弹性。包裹着工作缸的外部圆筒被称为“夹套”，至今仍被广泛使用。

图20。

（71.）

瓦特首次尝试在小规模上实现自己的构想，其实验方式如下：发动机的圆柱体由一个黄铜注射器AB来模拟（见图20），该注射器的直径为1又1/3英寸，长度为10英寸，其上下两端分别用锡板封住。蒸汽通过管道S从小型锅炉输送到该注射器的下端，而与注射器上端相连的则是一根支管D。为便于实验进行，人们将圆柱体的位置调转，这样蒸汽就能推动活塞P向上运动而非向下。因此，活塞杆R也是朝下的方向布置的。在圆柱体顶部还装有一根导出管E，该管通向冷凝器。活塞杆是空心的，或者说在其内部纵向开有一个孔，孔的下端装有阀门，用于排出蒸汽产生的水——这些水在反应开始时会在圆柱体内凝结。此次实验中使用的冷凝器无需注入任何物质，蒸汽通过与冷表面的接触即可凝结。该冷凝器由两根长度为10或12英寸、直径为1/6英寸的薄锡管F、G组成，这两根管子垂直放置在一起，顶部与导出管相连，导出管上装有朝上开口的阀门。在底部，这两根管子通过一根水平管与另一根直径约1英寸的管子I相连，该水平管上装有朝向I开口的阀门M，阀门上还有活塞K，活塞K的作用相当于手动空气泵。这个活塞K上也有朝上开口的阀门。这些冷凝管和空气泵都被浸没在一个装满冷水的浅水池中。蒸汽通过蒸汽管S被输送到圆柱体底部，而圆柱体上下两端之间的通道则通过位于支管上的阀门C来控制开启与关闭。通往冷凝器的导出管上也有一个阀门L，可通过它来控制圆柱体顶部与冷凝器之间的连接。

这些阀门可以随时打开或关闭。在启动过程中，阀门N用于让蒸汽从锅炉进入，阀门L则用于连接汽缸与冷凝器，而阀门C则用于连接汽缸的上下部分。当这三个阀门都处于开启状态时，蒸汽会从锅炉中流出，经过所有管道，最终充满汽缸。此时，混合了空气与蒸汽的气流会通过排放管E、冷凝管F和G以及空气泵I流动，这些气流会从排放管中的阀门H以及空气泵活塞上的阀门排出，而这些阀门都是朝上打开的。汽缸内的蒸汽还会通过活塞杆上的孔隙逸出，与空气混合后从活塞杆下端的阀门排出。这一过程会持续进行，直到汽缸、管道及冷凝器中的所有空气都被排出，这些空间都被纯蒸汽填满。之后，阀门L、C和N会被关闭，大气压力则会使阀门H以及空气泵活塞上的阀门闭合。在管道F和G以及空气泵的下部，由于冷表面会使蒸汽凝结，因此这些空间内便形成了真空状态。此时阀门C已关闭，而阀门L和N仍保持开启状态，汽缸上部的蒸汽会通过管道E流入冷凝器，在那里转化为水，从而在汽缸上部形成真空。来自锅炉的蒸汽会从活塞下方施加压力，其力量之大足以抬起挂在活塞杆末端的18磅重的重物。当活塞到达汽缸顶部时，阀门L和N会被关闭，而阀门C则会被打开。这样一来，汽缸与锅炉之间以及汽缸与冷凝器之间的连接就被切断了，汽缸内的蒸汽则可以通过开口的管道D在活塞的上方和下方自由流动。由于活塞受到上下方向相等的力，它会因自身重量而下降，直至到达汽缸底部。与此同时，空气泵的活塞会上升，管道F和G中的空气及已凝结的蒸汽会通过底部的开口水平管被吸入空气泵I中，而阀门M则阻止它们回流。随着空气泵的再次运转，这些水和空气会通过活塞上朝上打开的阀门被排出。此时阀门C会被关闭，而阀门L和N则……

活塞打开，为下一次动作做准备。气缸上部的蒸汽像之前一样涌入管道F和G，在这些管道的冷表面作用下被冷凝，与此同时，从锅炉通过管道S流出的蒸汽则推动活塞向上移动。活塞再次以与之前相同的力上升，这一过程不断重复。

(72.)

在这个实验模型中，为使活塞完成一定次数的往复运动所需消耗的蒸汽量，是通过计算锅炉中蒸发的水量来确定的。将这一数值与气缸的尺寸以及蒸汽压力所能提升的重量相比较后，可以证明：在如此不完美的模型条件下，该装置依然能够在一定程度上提高蒸汽利用效率。随后，人们制造了一个更大的模型——它有一个外层气缸，即蒸汽壳，环绕着工作气缸。使用这个模型进行的实验完全符合瓦特的预期，充分证明了他的发明所带来的巨大优势。活塞所提升的重量表明，由冷凝作用产生的气缸内真空度几乎达到了完美状态；他还发现，当在锅炉中使用经过长时间煮沸且已去除大部分空气的水时，活塞所提升的重量几乎相当于蒸汽对活塞施加的全部压力。在这个更大的模型中，气缸仍处于常规位置，配有用作动力杠杆及其他类似大气引擎中的装置。

(73.)

1765年初，当时29岁的瓦特取得了这些重大发现。上述那些用于初步验证其发明的实验模型，是在格拉斯哥的一个名为德尔夫特屋的地方搭建的。乍一看，如此显著地提升了蒸汽动力利用效率、而且还能通过如此简单的测试来验证的改进措施，为何没有立即被采用，这无疑会让人感到惊讶。

凡是使用蒸汽机的地方，这一技术都会被采用。然而在当时，瓦特还只是乡下小镇里一个默默无闻的工匠，远未达到后来那样的声望；而且，那些用于传播发明与改进成果的渠道也远远不如现在完善。此外，还需要考虑到：任何重大的、突如其来的技术进步都必然会遭到那些与其效果相冲突的既得利益的抵制。由于这些阻力，再加上偏见与嫉妒的影响，瓦特自然也无法幸免，因此他也不可能通过用一种效力与性能主要依赖于当时还完全不为人所熟知且理解尚不充分的物理原理的发动机来取代现有的动力装置，从而彻底改变该国的工业与制造业。

由于缺乏资金，又难以让那些拥有资本的人像他自己那样相信其发明的优势，他便无法着手大规模制造这种发动机。不久之后，他放弃了在格拉斯哥的作坊，转而从事土木工程师的工作。他负责对克莱德河进行勘测，并就如何改善这条河流提出了详尽而有价值的报告。他还参与了规划一条运河的计划，这条运河旨在将蒙克兰煤矿的农产品运送到格拉斯哥，同时他还负责监督这项工程的施工。除此之外，他还参与了其他几项工程项目，其中包括在克里南地峡上修建通航运河（后来由伦尼完成了这项工程）、对艾尔港、格拉斯哥港和格林诺克港的改造方案、在汉密尔顿和鲁瑟格伦建造桥梁，以及对计划修建著名的喀里多尼亚运河所经过的地区的勘测工作。

“如果我忘记了自己作为本学会代表的职责，”阿拉戈先生说道（我们不得不引用他向法国国家科学院的成员们发表的关于这项伟大发明迟迟未能问世的原因的精彩论述），“而选择用一些能让你发笑的内容来代替有用的真理，那么这里确实存在许多可笑的对比。”

我会让你们想起那些在每周的会议上竭力要求发言机会的人——他们总是大声疾呼，希望能发表一些前一天晚上就想好并写好的简短意见、些许思考或琐碎的笔记。我会向你们描绘他们诅咒自己命运的场景：按照你们的规则，他们的发言要推迟到下一次会议才能进行，而在这残酷的一周里，他们只能知道自己的重要意见已被装入密封袋存放在我们的档案中。另一方面，我也会向你们介绍那位创造了将载入世界历史史册的机器的人——他耐心地忍受着资本家们的轻蔑与愚弄，尽管深知自己的才华出众，却仍花费八年时间从事各种繁琐的工作，比如绘制设计图、进行测量以及处理与工程相关的各种计算。从他的行为中，我们无疑能看出他性格中的沉稳、谦逊与真诚，然而，无论其动机多么高尚，这种冷漠态度终究还是有可指责之处。社会之所以严厉谴责那些将黄金从流通中抽离出来并囤积起来的人，是有一定道理的。而那些剥夺自己的国家、同胞以及整个时代拥有比矿山产出珍贵千倍的财富的人，那些将那些能够带来最崇高、最纯粹的精神享受的发明据为己有，拒绝赋予劳动者那些能够成倍增加工业产品、从而造福文明与人类、消除人们之间不平等条件的力量的人，他们的过错又何尝较小呢？[19]

(74.)

尽管瓦特被那些与他当时正在研究的蒸汽动力改进工作无关的事物所吸引，但他从未忘记自己的目标。直到1768年，也就是他取得重大发现三年后，才有人开始着手让他能够将这些发现大规模地付诸实践。那时，他的朋友们帮他结识了卡伦铁厂的所有者罗巴克博士，后者从汉密尔顿公爵夫人手中租下了基尼尔地区的广阔煤矿。瓦特……

最初，瓦特受罗巴克雇佣，担任土木工程师；但当瓦特向他介绍自己为蒸汽机设计的改进方案后，罗巴克提议为这种基于代尔夫特府所安装的模型原理设计的发动机申请专利，并与瓦特合伙共同制造此类发动机。意识到借助罗巴克的影响力以及其资金优势所能带来的好处，瓦特同意将这项发明带来的收益的三分之二让给罗巴克。于是，1769年1月5日，也就是该发明完成近四年后，专利终于获批。随后，瓦特制造出了一台大型试验用发动机，并将其安装在基尼尔府。在首次测试中，这台机器的表现远超瓦特的预期，取得了巨大成功。不过，在其实际制造过程中仍面临一些难题，其中最棘手的问题是如何让活塞做到完全密封。由于新发动机的工作原理不允许像旧发动机那样在活塞上保留水以防止泄漏，因此瓦特不得不更加精确地加工气缸，使其保持完美的圆柱形，并尝试多种不同的柔软材料来作为活塞的密封材料，从而在不会产生过大摩擦的情况下实现密封，同时确保活塞处于完全干燥的状态，且温度维持在沸水水平。就在瓦特努力克服这些及其他制造上的难题时，他的合伙人罗巴克博士因为博罗斯镇的煤炭和盐矿项目失败而陷入困境，无法为继续大力推进新发动机的生产提供所需资金。此时，瓦特的研究成果已逐渐为公众所知，而当时位于伯明翰附近索霍地区的马修·博尔顿先生的工厂堪称英格兰最完善的金属加工厂，其经营方式也极为出色。于是，博尔顿提出购买罗巴克博士持有的专利股份。这一交易于1773年完成，次年，瓦特便搬到了索霍，那里有一部分工厂设施被分配给他，用于建立铸造厂以及开展其他必要的工作，以便大规模实现他的发明。

该专利于1769年获得批准，有效期为14年，因此大约在1783年就会到期。鉴于基于这一新原理制造发动机方面至今取得的进展极为有限，还有许多难题需要克服，而且要在获得收益之前显然需要投入大量资金，显然，除非能够延长专利期限，否则博尔顿和瓦特就永远无法获得与其巨大风险相称的回报。于是，在1774年，他们向议会申请延长专利期限，罗巴克博士、博尔顿先生等人也出面为这项发明的优点及潜在实用性作证。1775年，议会通过了一项法案，将专利期限延长至1800年。

(75.)

如今，当该法案中所预见的种种设想都已成功且广泛地实现时，以下对该法案的摘要或许仍具有参考价值：
“一项旨在将詹姆斯·瓦特——这位工程师——及其遗嘱执行人、管理人及受让人，在一定期限内对其所发明的某些蒸汽机（即通常所说的火机）在国王陛下统治下的所有地区的独家使用权和所有权赋予他们的法案：
‘鉴于詹姆斯·瓦特花费了多年时间以及相当一部分财产来对这类蒸汽机进行实验，旨在改进这些非常有用的机器，从而使其相比普通蒸汽机具有更大的优势；但由于在制造如此庞大而复杂的机器时总会遇到诸多困难，再加上进行必要测试所需的时间过长，他直到1774年底才完成几台作为其设计样本的大型机器，而这些机器的成功也证明了该发明的实用性。’”

“鉴于，为以必要的精度制造这些发动机，使其能以合理的价格出售，就必须事先投入大量资金来建造工厂及其他设备；而且，在让公众充分认识到这项发明的实用性以及采用它的益处之前，还需要数年时间以及反复的验证，因此，即便拥有专利授权，詹姆斯·瓦特也可能要等到很长时间之后才能获得与其劳动与发明相称的回报。

又鉴于，由于他的发动机能够以比以往更低的成本、更便捷的方式提供机械动力，因此可在推动本国众多大型工程与制造业的发展方面发挥巨大作用；然而，除非延长专利授权期限，并保障他对这项发明的财产权，使他能够因此获得与其劳动、时间与投入相称的报酬，否则詹姆斯·瓦特将无法将其发明完全实现，从而无法使其为公众带来最大的效益。

因此，为使詹姆斯·瓦特能够继续努力并完成其发明，从而使公众能够充分享受该发明带来的种种好处，特此规定：自本法通过之日起，在大不列颠王国及其海外殖民地与种植园内，制造、组装及销售上述发动机的唯一特权与利益，将归属于詹姆斯·瓦特、其执行者、管理人及受让人，有效期为二十五年。”等等。

在得到这样的保护与支持后，瓦特便全身心地致力于完善其发明的各个细节，最终取得了成果。

他开始大规模地制造这种发动机，后来人们将它称为“单作用蒸汽机”。需要记住的是，尽管蒸汽动力在各种工业领域得到了广泛的应用，但在我们所描述的那个时代，蒸汽机还从未被用于除驱动水泵提升水之外的其他用途。因此，所需的动力仅仅是能够使活塞上升的力，也就是足以克服水柱重量并推动活塞上升的力。以下便是对瓦特所设计的改进型发动机的描述，这种发动机正是用来完成上述任务的：——

图21。

在图21中所示的C处所代表的圆筒内，活塞P能够实现气密性移动。该圆筒顶部是封闭的，而活塞杆则可在带有填料箱的密封环B中精确地转动，同时还有熔化的牛脂不断为活塞提供润滑，从而确保其气密性。在圆筒顶部有一个漏斗，通过打开止回阀，可以让熔化的牛脂不时滴落到圆筒内的活塞上，以此为活塞提供润滑并维持其气密性。有两个被称为上蒸汽箱和下蒸汽箱的容器，其中装有阀门，用于控制来自锅炉的蒸汽的进出。这两个蒸汽箱通过连接管T相互连通，同时通过图中所示的短管与圆筒的顶部和底部相连。上蒸汽箱A中有一个阀门，可通过它来随意开启或关闭与锅炉之间的通道。下蒸汽箱中则有两个阀门：下阀门I与通向冷凝器D的管道T′相连，通过打开或关闭该阀门，可以随时切断或建立圆筒C与冷凝器D之间的连接。另一个阀门，即上阀门H，在图中处于关闭状态，但可以将其打开，从而使圆筒C与管道T之间实现自由连通，进而让活塞下方与活塞上方的空间相互连通。冷凝器D浸没在冷水中。在其侧面有一根管道E，该管道由一个阀门控制，通过调节该阀门的开闭程度，可以控制冷水流入冷凝器的流量，从而实现对其流量的调控或停止。当冷水流动时，它会像浇水壶中的水一样向上喷出，流向管道T′的入口。管道S从锅炉延伸出来，最终连接到蒸汽箱A，这样来自锅炉的蒸汽就能持续充满该蒸汽箱。阀门G由杠杆控制，这些杠杆的支点固定在发动机的框架上，通过上下移动杠杆G′即可随意打开或关闭该阀门。当阀门G打开时，蒸汽就会从锅炉经过短管流到活塞顶部，同时这些蒸汽也会充满管道T。如果下阀门H处于关闭状态，那么蒸汽就无法继续流动；但如果下阀门H处于打开状态而上阀门I处于关闭状态，那么蒸汽就会在活塞上下方的圆筒内均匀流动。

当阀门I处于开启状态时，蒸汽会通过管道T′流入冷凝器；但若阀门I被关闭，蒸汽的泄漏就会被阻止。[Pg136] 阀门H由杠杆H′控制，而阀门I则由杠杆I′控制。阀门G被称为上蒸汽阀，H为下蒸汽阀，I是排气阀，E则是冷凝阀。从冷凝器D的底部有一根管道通向空气泵，该空气泵也浸没在冷水中。这根管道上有一个阀门M，它从冷凝器向外延伸至空气泵处。空气泵N的活塞上也有一个向上打开的阀门。空气泵的活塞杆Q连接在一根木制梁上，这根梁被称为插销架，它通过一根柔性链条与工作梁相连，而这条链条则绕在空气泵正上方的弧形结构上。从空气泵活塞上方的顶部有一根管道或通道通向一个小储水罐B，这个储水罐被称为热井。通往该热井的管道上装有一个阀门K，它从空气泵的缸体向外延伸至热井处。根据其结构特点，阀门M允许水从冷凝器流向空气泵，但防止水回流；同样地，阀门K允许水从空气泵缸体的上部流入热井B，但也阻止水回流。现在让我们来探讨如何操作这些阀门，以便以适当的力使活塞上下移动。首先，必须将充满气缸、管道及冷凝器中的所有空气排出。要做到这一点，只需同时打开阀门G、H和I即可。此时，从锅炉通过蒸汽管S以及已打开的阀门G流出的蒸汽会进入活塞上方的气缸，填满管道T，再通过下蒸汽阀H进入活塞下方的气缸C，最后通过打开的阀门I流入冷凝器。如果阀门E被关闭，那么就不会有蒸汽流入冷凝器，此时流入冷凝器的蒸汽会在与其接触的冷表面上部分凝结；但如果锅炉通过管道S持续供应足够的蒸汽，这些蒸汽就会以强大的力量流经气缸及所有通道，其在冷凝器D中的压力也会随之上升。[Pg137]

与混合在一起的热空气一起，会打开阀门M，蒸汽便与空气混合后涌入气泵缸体N中。它会将气泵活塞上的阀门向上推开，使这些阀门打开，蒸汽随之流入并积聚在活塞上方的气泵缸体中。随后，蒸汽的压力会打开阀门K，蒸汽便排出到储液罐B中。

在整个过程中，与空气混合后充满气缸、冷凝器及气泵的蒸汽，在后两者中只会部分凝结，其余部分则仍与空气混合着通过阀门K排出。这一过程会持续进行，直到最初充满气缸、管道、冷凝器及气泵缸体的所有空气都通过阀门K排出，这些空间才会被纯蒸汽填满。当这种情况出现后，假设所有阀门都关闭了。此时，通往冷凝器的蒸汽流会被阻断，其中的蒸汽会迅速在冷凝器的冷表面上凝结，从而在冷凝器内形成真空，凝结后的水则以液态形式沉降到底部。出于同样的原因，气泵内也会形成真空。阀门M以及气泵活塞上的阀门会因自身重量而关闭。

通过这种被称为“吹扫”的过程，原本充满气缸、管道、冷凝器及气泵的空气及其他惰性气体会被排出，这些空间就会变成真空状态。此时，发动机就准备好启动了，启动方式如下：首先打开上方的蒸汽阀G，让蒸汽从锅炉通过通道流入气缸顶部。由于下方的蒸汽阀H是关闭的，这些蒸汽无法进入气缸底部。因此，活塞下方的空间为真空状态，而活塞上方的蒸汽则会以相应的力将活塞向下压。当蒸汽到达气缸底部后，必须立即关闭蒸汽阀G，同时打开阀门H。由于通往冷凝器的阀门I也是关闭的，所以活塞上方充满的蒸汽就可以通过下方打开的阀门H流动，从而使活塞同样受到向上的压力。

蒸汽向下推动活塞，除了与缸体的摩擦力外，没有其他力量能够阻止其运动。由于横梁另一端泵杆的重量足以克服这种阻力，因此活塞会被拉到缸体顶部，同时将蒸汽向前推，这些蒸汽通过管道T和敞开的阀门H进入活塞下方的缸体C中。

当活塞再次到达缸体顶部时，关闭阀门H，同时打开阀门G和I，再打开冷凝阀E，以便让蒸汽流入冷凝器。此时，填充在活塞下方缸体C中的蒸汽会通过敞开的阀门I流入原本处于真空状态的冷凝器中，遇到蒸汽流后立刻转化为水，而冷凝后的蒸汽与注入的水的混合物则会积聚在冷凝器底部。与此同时，从锅炉通过蒸汽管S进入上部蒸汽箱A的蒸汽会通过敞开的蒸汽阀G流向活塞顶部，但由于下方的蒸汽阀H是关闭的，所以蒸汽无法继续向下流动。这样，活塞在上方受到蒸汽压力的作用，而下方则是真空状态，因此除了摩擦力之外没有其他力量能阻止它向下移动，于是活塞便被推向缸体底部。在下降过程中，阀门G、I和E始终保持敞开状态。当活塞到达缸体底部时，这三个阀门都会关闭，而阀门H则打开。此时，填充在活塞上方缸体中的蒸汽可以通过敞开的阀门H流向活塞下方，活塞因此会受到上下方向的相等压力，最终又会像之前一样，在横梁另一端泵杆的拉力作用下被向上拉。这些泵杆的重量也必须足够大，才能将空气泵的活塞N向上拉动。当这个活塞在空气泵中上升时，其下方会形成真空状态，此时积聚在冷凝器中的水和空气就会通过向外开启的阀门M被吸入空气泵的筒体中。当[Pg139]空气泵的活塞到达筒体顶部时——这一时刻恰好也是蒸汽活塞到达缸体顶部的时刻——冷凝器中的水以及大部分空气或其他流体都会被吸入空气泵的筒体中，而阀门M则……

在自身重力的作用下，再加上这些流体的压力，它们便无法再回到冷凝器中。当蒸汽活塞到达气缸顶部时，阀门H会关闭，而阀门G、I和E则会打开。这种变化产生的效果与之前所描述的相同，活塞也会因为同样的原因而向下移动。与此同时，空气泵的活塞也会在其自身重力的作用下下降，再加上连接在其杆上的插塞框架的重力。随着活塞的下降，其下方的空气会被逐渐压缩，直到压力大到足以打开空气泵活塞上的阀门。一旦这种情况发生，如图22所示，空气泵活塞上的阀门就会打开，空气就会从这些阀门中流出并经过活塞上方。当活塞接触到桶底的水时，水也会通过打开的阀门流过。当活塞到达空气泵桶的底部时，其上的阀门会因上方流体的压力而关闭。接下来，蒸汽活塞的上升会带动空气泵活塞以及其上方泵桶中的流体一起上升。当空气泵活塞接近其桶的顶部时，其上方的空气和水会通过阀门K被吸入热容器B中。空气会以气泡的形式从该容器中的水中逸出，而温水则会在其中沉积下来。

冷凝阀E的开口大小必须根据进入气缸的蒸汽量来调整。通过注入阀进入的水量应足够多，以便能够冷凝气缸中的蒸汽，同时还能将水与蒸汽混合后的温度降低到足够低的水平，从而避免产生足以影响活塞正常工作的蒸汽压力。研究表明，5.5立方英寸的冰冷水与1立方英寸的蒸汽态水混合后，会生成6.5立方英寸的沸点状态的水。如果气缸中原本有1立方英寸的蒸汽态水，而通过冷凝装置进入的水只有5.5立方英寸，且这些水的温度为32°，那么最终的结果就是会有6……

在沸腾温度下，冷凝器中会产生半立方英寸的水。蒸汽会立即从其中产生，与此同时，剩余水的温度会因为蒸汽吸收的潜热而下降。这些蒸汽会通过打开的排气阀上升，填满活塞下方的空间，从而降低蒸汽推动活塞的效率。瓦特对不同温度下蒸汽压力的研究结果表明，为了使作用于活塞上的蒸汽具有足够的效率，必须始终将冷凝器中的水温降至100°。那么，我们来看看在常温下需要多少量的水才能达到这样的效果。如果将蒸汽的潜热视为1000°时的值，那么在此计算中，1立方英寸的蒸汽态水可视为相当于1212°时的1立方英寸水。现在的问题是：需要多少立方英寸的60°水与它混合，才能使混合液的温度达到100°？这很容易计算。由于1212°时的1立方英寸水需要降到100°，因此必须使其温度降低1112°；而要加入的60°水则需被提升到100°，因此每单位体积的60°水需要升温40°。因此，所需添加的水的体积可以通过计算1112°中包含多少个40°来确定。用1112除以40，商为27.8。故此……

显然，若要将冷凝器中的水温度降至100°，而注入的水温为60°，那么通过注入阀注入的水量就必须是蒸汽状态下流经气缸的水量的近28倍。因此，如果假设锅炉中蒸发的所有水都会流经气缸，那么投入冷凝器的水量就必须是锅炉蒸发水量的28倍左右。由此可知，用于容纳冷凝器和空气泵的冷水箱必须配备大量水。除了如前所述被注入阀抽走的水之外，水箱内的水温也必须保持在约60°左右。由于冷凝器和空气泵内部由其中的蒸汽维持在100°以上的温度，这些设备的外表面就会向冷水箱中的水传递热量，从而导致水温上升。为防止这种情况，图中21处所示的名为“冷泵”的泵被用来将水从合适的储水处抽出，并通过管道送入冷水箱。该冷泵由发动机驱动，其连杆与横梁相连。由于水的密度随温度降低而增大，因此冷泵送入水箱的水会倾向于沉到底部，从而将水箱中较暖的水向上推。此外还设有排水管，用于排出这些水，从而使水箱始终保持所需的温度。从以上内容还可以看出，空气泵将温水注入的热井B中，其接收的水量将会远远超过供应锅炉所需的水量。为此也设有排水管来排出多余的水；而供应锅炉所需的水量则由图21所示的小型泵O来抽取，该泵的连杆同样与横梁相连，由发动机驱动。该泵抽出的水会被输送到某个储水处，再通过后续将要说明的方式供给锅炉。

现在我们来解释机器是如何在适当的时间开启和关闭阀门的。根据之前的说明可知，当活塞到达气缸顶部时，上部的蒸汽阀G必须处于开启状态，以便让蒸汽进入并推动活塞向下运动；同时，排气阀I也必须打开，让蒸汽能够流入冷凝器；而冷凝阀E则需打开，以引入用于蒸汽冷凝的水。与此同时，下部的蒸汽阀H必须关闭，防止通过G进入的蒸汽继续流动。G、I和E这三个阀门应保持开启状态，而H则保持关闭状态，直到活塞到达气缸底部为止。此时就需要关闭G、I和E这三个阀门，同时打开H阀门。每当活塞到达气缸的顶部或底部时，都需要产生同样的效果。这一切都是通过一套杠杆系统来实现的，如图21所示。这些杠杆的支点位于发动机的框架上，而与G、H、I三个阀门相连的杠杆臂G′、H′、I′则位于与气泵杆相连的部件对面，该部件被称为插头架。这个插头架上有一些销钉和挡块，它们会作用于各个杠杆的臂上，使得当横梁向上或向下移动到极限位置时，杠杆会被触发，从而在适当的时间开启或关闭阀门。无需详细解释这一装置的每一个细节，只需以上部蒸汽阀G的工作原理为例即可。当活塞到达气缸顶部时，一个销钉会撞击杠杆G′的臂，使其向上移动；通过杠杆系统的作用，这一动作会带动阀门G的臂向下移动，从而使上部蒸汽阀从阀座中抬起，进而形成从蒸汽管到气缸的通道。阀门会保持在这种状态，直到活塞到达气缸底部，此时G′的臂会被向下按压，进而推动G的臂向上移动，使阀门重新回到阀座上。控制另外三个阀门H、I和E的杠杆也是通过类似的方式工作的。这类发动机所使用的阀门属于所谓的轴阀。它们由一块扁平的钟形金属板构成，如图23所示。

圆柱形的轴垂直穿过阀门的中心，并在其上下方伸出。这种呈圆锥形的阀门是通过将阀门与相应的圆形圆锥形阀座A B C D进行精确研磨来安装的，如图24所示。该阀座构成了阀门需要开闭的通道。当阀门处于阀座上时，它会像塞子一样堵住通道，从而完全阻止液体流动。在图23中，轴可在阀门所堵塞的通道上下方的插座或孔洞中活动；这些孔洞能确保阀门始终处于正确位置，使其能够准确落回原位。

在瓦特在基尼尔制造的实验性发动机中，他使用了旋塞，有时也使用类似旧式发动机中的滑动盖作为调节装置；但他很快发现这类装置容易出现泄漏问题。因此，他不得不将它们换成上述那种轴式阀门。由于这类阀门经过精确研磨且安装十分精准，所以不太可能出现故障。这类阀门也被称作“傀儡阀”或“按钮阀”。

在瓦特早期设计的发动机中，冷凝是通过冷表面之间的接触来实现的，无需注入任何物质。放弃注入式冷凝方法的理由，无疑是为了避免空气与冷凝水混合后对真空环境造成的破坏。然而，人们很快发现，依靠冷表面实现冷凝且不进行注入的冷凝器，由于由狭窄的管道或通道构成，很容易因水质不良而产生结垢现象，进而降低冷凝器的导热性能；这样一来，尽管冷凝器的外表面能通过冷水保持低温，但其内表面却可能变得过热，从而导致冷凝效果极差。

伯明翰，SOHO区。

脚注：
[19] 《颂词》，第308页。
伯明翰。

第六章
[第145页]

目录索引

瓦特与斯米顿的通信——表面冷凝方式的缺陷——活塞结构的改进——密封方法的改进——气缸钻孔技术的进步——新发动机相比旧发动机的缺点——燃料消耗的大幅降低——推动新发动机投入使用的措施——与斯米顿的通信——新发动机中的燃料效率——蒸汽膨胀作用的发现——瓦特在给斯莫尔博士的信中对此进行了阐述——其原理说明——由此产生的机械效应——在不同冲程阶段切断蒸汽所带来的效果——可产生可变的功率——平衡功率的方案——瓦特发动机中膨胀原理的局限性——该原理在康沃尔式发动机中的更广泛应用。

(77.)

在1766年4月瓦特写给斯米顿的一封信中，他提到了自己所面临的一些实际难题。“我一直深受健康问题的困扰，”他说，“这是由于过度焦虑造成的，而这种焦虑则源于将一切希望都寄托在模具的制造上；因此，对于那些未能通过反复试验获得成功的方案，我都是持这种态度的。”
“最近，我对我们的发动机进行了不少改进，尤其是冷凝器部分。最初使用的那种冷凝器容易因水质不良而出现故障，所以我们换用了另一种通过注入方式工作的冷凝器。在尝试了多种方案之后，我最终选定了目前这种方案，并且不打算再做改动。这种冷凝器由一个底部封闭的唧筒泵组成，还有一个普通的排水桶，同时在泵的盖子上设有阀门，用于排出空气和水。从气缸出来的蒸汽管在排水桶的上方和下方都与这个泵相连，此外还有阀门防止任何物质从泵倒流回蒸汽管中。排水桶依靠自身重力下降。”

重量由发动机在活塞下降时提供，该活塞悬挂在大杠杆的外端上：注入过程既发生在泵的上部，也发生在输出管中，其速度与精确度都超出了我的想象。
除了结垢带来的难题之外，瓦特还发现，那些利用冷表面进行冷凝的装置——包括各种冷凝装置——都存在一个致命的缺陷：它们无法立即实现冷凝，虽然最终能够完成冷凝过程，但这一过程要等到活塞行程的大部分结束后才会结束。因此，在大部分行程过程中，未冷凝的蒸汽会阻碍活塞的运动，从而削弱其动力。这一缺陷一直是表面冷凝方式的固有问题。

(78.)
另一个难题在于，必须以比传统发动机更高的精度来制造活塞和气缸。要使缸盖与气缸紧密贴合、不漏蒸汽；要设计出能够让活塞杆在其中移动而不让蒸汽泄漏、同时又能避免过度摩擦的活塞杆结构；还要将活塞杆与活塞连接起来，使其能够以完全直线且平行的方式推动活塞在气缸内移动；此外，这种连接必须做到绝对居中且牢固，同时还要让活塞在上升过程中几乎能够接触到缸盖——这些都是新型发动机所特有的难题。在往复式发动机中，活塞杆的杆身较为粗糙且呈方形，活塞则通过两根或四根支撑杆与活塞杆相连，如图25所示。显然，这样的结构在那种要求活塞在上升过程中几乎要接触到气缸密封盖的发动机中是行不通的。除此之外，往复式发动机的活塞杆在整个长度上都可以采用任何形状。

这种设计十分方便，除了需要具备驱动活塞所需的强度外，无需其他特殊性能。而新型发动机则不同，它必须能够精确地转动并经过精细打磨，这样才能穿过气缸顶部的孔洞，并保持密封状态。这一要求是通过一种名为“填料箱”的装置来实现的，如图26所示。在气缸盖上开一个孔，其直径略大于活塞杆的直径。在这个孔的上方有一个杯状结构，活塞周围填充着浸过油或熔化动物脂肪的麻绳或棉绳。另一块同样带有孔洞的部件会压住这层麻绳，活塞杆则可以穿过该孔洞，而这块部件则是通过螺纹固定在麻绳上的。

(79.)

尽管当时气缸内部加工工艺的不完善降低了新型发动机的效率，但这些缺陷并不像旧式大气压力发动机那样具有破坏性。气缸内表面的任何缺陷都会导致或多或少的蒸汽或空气从活塞与气缸之间泄漏。在改进后的发动机中，进入活塞下方真空区域的蒸汽会流入冷凝器并在那里凝结，因此其对阻止活塞运动的阻碍作用其实微乎其微。而另一方面，旧式大气压力发动机中若出现空气泄漏，就会在活塞下方形成弹性流体，从而对机器的正常运转造成不良影响。为了解决这些早期发动机中气缸密封性不足的问题，瓦特设计了一种由麻绳或棉绳构成的填料装置，如图27所示。活塞的底部是一块圆形板，其直径几乎等于但并不完全等于气缸的内径；活塞上方的部分直径则要小得多，这样活塞就被一个圆形凹槽所环绕。

通道的宽度为两英寸，麻绳或柔软的绳索被穿入其中，以此形成密封材料。活塞的顶部置于该通道之上，其边缘带有凸出部分，这些凸出部分会插入圆形凹槽中并压紧密封材料；而活塞盖则通过穿过活塞的螺丝被向下压紧。活塞周围凹槽的下部呈弧形，这样就能利用压力使密封材料更紧密地贴在气缸内壁上。如前所述，熔化的牛脂会从安装在气缸顶部的漏斗中不断注入到密封材料中，从而避免活塞的金属边缘与气缸表面直接接触，只有那些突出于活塞边缘的密封材料才会接触到气缸表面。

不过，不久之后，经过改进的镗孔技术便解决了发动机的一些缺陷。瓦特在上面引用的信中这样写给斯米顿先生：“威尔金森先生改进了气缸镗孔的技术；因此我敢保证，对于72英寸直径的气缸来说，其最粗糙处的误差不会超过六便士硬币的厚度。我正在努力改进调节装置，我的设想是将其设计成尖锥形阀门，由重物将其关闭，再由蒸汽的力量将其打开。这种装置很有成功的可能，几天后就会进行试验。”这里提到的那个人就是来自切斯特附近伯沙姆的约翰·威尔金森先生，他在1775年左右发明了一种能够精确镗孔的新机器。首先，从铸造厂获取的气缸表面已经达到了铸造工艺所能达到的精度，然后通过这台机器进一步提升其内表面的精度。该机器包含一根沿气缸轴线延伸的直杆，通过让这根杆缓慢旋转来实现镗孔功能。

为了解决这个问题，人们将钻头或切割工具安装在可以沿这条笔直的杆子滑动的装置上，这条杆子便起到了类似尺子的作用，能够引导钻头或切割工具在圆柱体内准确移动。这样一来，圆柱体的内表面不仅在纵向上是笔直的，其横截面也呈完美的圆形。

最适合作为润滑剂的物质是牛油或羊油；但在早期的圆柱体中，由于钻孔工艺不完善，这些油脂很快就会被耗尽，导致活塞失去密封性。为避免这种情况，瓦特试图找到一种既能使牛油变稠并使其附着在活塞上，又不会因受热而分解的物质。人们曾使用黑铅粉来达到这一目的，但很快发现它会导致圆柱体磨损。不过，在此期间，经过改进的钻孔技术已经使得圆柱体不再需要这种处理方式。

当圆柱体的内表面足够光滑平整时，活塞的密封层会因与圆柱体的紧密接触而变得坚固牢固。如果由于磨损导致密封层变得松动，只需拧紧固定活塞上下部分的螺丝即可。这样，密封层就会受到挤压而向外延伸，从而重新实现密封效果。

直到1778年左右，也就是专利获批后的九年、分离式冷凝器发明后的十三年后，这些重大改进所带来的优势才真正对矿业界产生影响。不过，这段漫长的时间其实也带来了不少好处：尽管该发明的所有核心原理早在1765年就已诞生，但从1769年瓦特开始与罗巴克博士合作起，其结构细节就一直在不断得到改进，直至现在所描述的阶段。

正如前文所述，这种发动机所具备的优势极为众多且重要，甚至超过了当时最先进的往复式发动机；需要记住的是，那种发动机也在不断得到改进，其一些改进措施很可能得益于瓦特的研究成果，以及那些适用于这种不完美发动机、且不会违反其专利规定的改进方法。在当时最先进的往复式发动机中，每次活塞运动时浪费的蒸汽量相当于气缸内的蒸汽总量。因此，如果能够消除所有浪费现象，这类发动机的燃料消耗量将是实际所需量的两倍。而在瓦特的发动机中，每次活塞运动时消耗的蒸汽量仅为气缸内蒸汽总量的1又1/4倍，因此每次运动中浪费的蒸汽量仅占有用蒸汽量的四分之一。由此可见，最优秀的往复式发动机的浪费程度是经过改进的发动机的四倍，所以，相同功率的往复式发动机与改进后的发动机相比，可节省约三分之八的燃料。[第151页]

(82.) 除了避免了原本会浪费的蒸汽之外，瓦特发明的发动机相比往复式发动机，其动力也有了显著提升——在相同的条件下，前者能够在每平方英寸10磅的阻力下运转，而后者则只能在每平方英寸7磅的阻力下运转。这种动力提升的原因很容易解释：在往复式发动机中，冷凝蒸汽的温度无法低于152°，否则造成的损失将超过更高冷凝度所带来的好处。而在152°时，水蒸气的压力约为每平方英寸4磅，这一压力会作用于活塞下方，从而抵消上方的大气压力。而在瓦特的发动机中，冷凝器的温度被控制在大约100°，在该温度下，水蒸气的压力……

压力低于每平方英寸一磅。因此，与大气压力驱动的发动机相比，瓦特设计的发动机无需承受每平方英寸三磅的活塞阻力。

（83.）

除了这些直接的节能优势之外，瓦特设计的发动机还有其他好处。大气压力驱动的发动机在应对不同负荷时的适应能力极为有限。由于动力来源于大气压力，这种力量是无法控制的，而且还会随着气压计数值的日变化和时变化而波动。在最初设计的这类发动机中，其动力必须始终与它需要克服的最大负荷相匹配；一旦泵所承受的负荷减小，由于动力超过了阻力，活塞的下降速度就会迅速加快。这样一来，机器就会遭受突然的冲击，从而导致快速磨损，甚至有断裂的危险。为了解决这个问题，大气压力驱动的发动机采用了以下办法：当发动机所承受的负荷显著减小时，通过注入阀进入气缸以使蒸汽凝结的水量也会相应减少。这样一来，蒸汽无法完全凝结，仍有蒸汽残留在活塞下方的缸体内，这些蒸汽产生的压力可以抵消部分大气压力，从而减轻机器的负担。此外，还在气缸底部设置了一个称为“排气阀”的装置，当活塞运动速度过快时，可以通过该装置向气缸内注入空气以起到缓冲作用。然而，这些办法都会导致燃料的浪费，因为无论发动机是在满负荷还是低负荷状态下工作，所需的蒸汽量其实都是相同的。而在瓦特改进后的发动机中，当发动机需要克服的负荷减小时，会在从锅炉引出的蒸汽管道上安装一个阀门，即节流阀，通过调节该阀门就可以控制蒸汽的流量。

该装置可以适度收缩或扩张。通过调节这个阀门，就可以控制从锅炉中输出的蒸汽量，从而减少输送到气缸中的蒸汽量，这样蒸汽对活塞的作用力就能与减小的阻力相平衡。这样一来，输送到气缸中的蒸汽量就会与发动机需要完成的功成精确的比例关系。如果在这种情况下让锅炉以最大功率运行，以与发动机全负荷运转时相同的速度产生蒸汽，那么就不会有节省燃料的效果，因为锅炉中多余的蒸汽必然会通过安全阀排出。在这种情况下，操作人员就需要限制炉子的燃料供应，直到安全阀不再有蒸汽排出为止。

通过这些方法，这种改进后的发动机的实际燃料消耗量始终与其所完成的功成精确的比例关系，无论它是以全负荷运转还是以低于其额定功率的任何状态运转。

(84.)

尽管这种新型发动机具有诸多优势，但博尔顿和瓦特在将其投入实际使用过程中仍面临着几乎无法克服的困难。当时国内没有任何工厂拥有能够以所需精度制造那些对精度要求极高的阀门及其他部件的机器，因此他们不得不在索霍地区自行制造这类机器。即便他们成功地对气缸进行了精确加工、活塞杆也得到了妥善的加工与抛光，阀门的密封性也得到了保证，而且机器运行所需的各项准备工作也都已完成，但由于这种发动机属于新发明，且维护起来相当困难，因此仍然存在许多反对其被采用的理由。

为消除这些反对意见，博尔顿和瓦特不得不做出巨大牺牲；于是他们决定在不追求利润的情况下制造这些新型发动机，并将其免费提供给他人使用。

那些希望以最低成本使用该引擎的各方，只需支付其因节省燃料而获得的收益中的一小部分作为报酬即可。“我们没有异议，”博尔顿先生写道，“可以与卡伦公司签订合同，让他们负责制造能够为他们的磨坊供水的水泵。……我们制造水泵并非为了盈利，而是从节省的燃料费用中获取收益；如果无法节省任何燃料，那我们也就不会获得任何报酬。我们的要求如下：我们将为水泵及其相关部件的设计提供所有必要的图纸，明确说明所有铸铁和锻铁部件以及与水泵相关的其他细节。我们会给你们的工人下达所有必要的指示，他们必须严格遵守这些指示。我们会在规定的价格下，在索霍制造阀门及其他需要精确加工的部件；我们会确保所有部件都能正确组装并正常运转；我们会对自己的作品提供一年的维修服务，至于七年这个期限，我们唯一的不满是距离太远带来的不便。我们保证，按照这样的设计制造的泵，每燃烧100磅煤炭就能将至少20,000立方英尺的水提升到24英尺的高度。”

“当这一切完成后，我们将把这种泵与你们自己的泵或苏格兰境内的其他泵进行公平、公正的比较，从而估算出节省的燃料量。然后将这个数值分成三份，我们有权获得其中一份，作为对我们专利许可、设计图等费用的补偿。我们应得的份额将根据送入锅炉的煤炭价值以货币形式计算，从开始使用该泵之日起的25年内，你们每年都需支付这笔款项，前提是你们继续使用该泵。如果你们出售该泵或将其转移到其他地方，必须事先通知我们，因为那样我们就有权按照新地点的煤炭价值，获得节省燃料量对应的三分之一作为报酬。这是必要的条件，否则我们花费2000英镑为你们制造的泵，可能会在康沃尔以10000英镑的价格被卖掉。”

“我们在索霍制造的那些部件，将会得到合理的报酬；根据我所了解的一切情况，我得出结论……”

我们的发动机性能是普通发动机的四倍。对于价格极为昂贵的锅炉而言，其节省的成本将与煤炭成本的节省量成正比。如果将我们的发动机与普通发动机进行比较（不是从尺寸上，而是从功率上来看），就会发现建造一台普通发动机的初始成本与我们的一样高。

“威尔金森先生为我们加工的几个气缸几乎没有任何误差；我们在蒂普顿安装的那个直径为50英寸的气缸，其各部分的厚度误差都不到一旧先令的厚度；因此，要么你们改进加工方法，要么就由我们来为你们提供气缸。”

由于矿业公司不愿放弃现有的旧发动机，即便在这样的条件下也不愿意，他们便向瓦特先生提议，允许他们在不进行其他改进的情况下，将他的冷凝器用于大气压力发动机上。1778年，斯米顿先生向他提出了这样的请求，而他给出的答复如下：

“我多次考虑过将我的冷凝器应用于普通发动机的可行性，并在索霍的发动机上进行了相关实验，但始终没有得到足以让我在其他地方尝试的结果。因此，我们拒绝将这种技术应用于康沃尔郡的维珍矿井以及其他一些矿井的发动机上。我们的理由是：虽然这种技术或许能让那些矿井用现有的发动机开采更深的矿层，但与完整的新型发动机相比，燃料节省的幅度并不大。如果将冷凝器加到状况不佳的发动机上，那么我们的发动机就会以劣势的形象进入那个地区（我们认为那是我们最富有的矿区），而且也无法带来令我们或那些投资者都满意的利润。此外，如果允许某一家使用冷凝器，那我们就必须允许所有企业都使用，这样一来，我们的利润就会减少，甚至可能损害我们的声誉。再者，当要建造一台新的发动机时，如果在工艺和材料方面都保持同等水平的话，按照传统方式制造的发动机不可能比采用我们方法的发动机成本更低；因为我们的锅炉和气缸体积要小得多，而且其他部件如杠杆、链条等也是如此。”

所有与泵类及相关设备相关的工作，其实都是一样的。
* * * *
“我们根据发动机相比普通燃烧相同种类煤炭的发动机所节省的燃料量来计算利润；我们要求每年获得这些节省量三分之一的报酬，或者每半年获得一半的报酬。雇主可以在十年后选择是否赎回这笔款项。而当煤炭价格较低时，我们作为工程师也应收取一定的费用。在所有这些比较中，出于自身利益考虑，除非能获得更高比例的节省收益，否则我们不会考虑使用您（斯米顿先生）改进后的发动机。”
博尔顿先生在给斯米顿先生的信中提到了他们在索霍地区为改进发动机制造所做的努力：
“我们正在像之前在纽扣制造领域那样，对发动机制造流程进行系统化处理；我们正在培训工人，并制造工具和机器，以便更精确地组装瓦特先生的发动机各部件，而且成本也低于传统制造方法。我们的车间和设备规模足以满足该国未来可能出现的所有发动机需求；对于其他工程师来说，建立类似的工厂是不值得的，因为那就好比为了磨一蒲式耳玉米而建造一座磨坊一样。
根据经验，我可以向您保证，我们在索霍制造的微型发动机，每112磅煤炭就能将50万立方英尺的水提升1英尺高，而且我们还有望取得更好的成绩。瓦特先生的发动机在需要不断向更深处开采的矿井中具有巨大优势：比如，如果一个矿井的深度为50英寻，那么这种发动机就足以将矿井内的水抽干，即使矿井深度达到100英寻也是如此。而且无论矿井深度是50英寻、100英寻还是其他数值，都可以随时调整发动机的性能；在较浅的深度下工作时，煤炭消耗量也会相应减少。假设像我们的发动机通常那样，每平方英寸需要11磅的压力，那么当矿井深度达到100英寻时，其压力需求也会相应变化。”

(85.)

在过去的半个世纪里，瓦特设计的蒸汽机在细节方面取得了巨大改进。通过比较博尔顿先生所提供的相同重量的燃料所产生的效果，以及目前在康沃尔地区使用的最先进的泵用发动机使用相同重量燃料所能产生的效果，就可以看出这一进步。其中一台运行状况良好的发动机，通过燃烧一蒲式耳的煤炭，能够将125,000,000磅的水提升1英尺高。不过，即便是最先进的发动机，其平均性能也低于这一数值。如果将这一数值定为90,000,000磅，那么它就相当于约150万立方英尺水的重量，而1蒲式耳煤炭的重量为3/4英担。因此，使用现有的发动机时，100磅重的煤炭能够将约200万立方英尺的水提升1英尺高，这一效率是博尔顿先生为早期发动机所设定的效率的4倍。

(86.)

当瓦特与罗巴克博士一起为改进后的发动机获得专利时，他意识到：推动活塞下降的蒸汽在从气缸中排出时，会带着足以克服其在流向冷凝器过程中所遇到的一切阻力的机械力；而且这种力还可以被利用起来，作为额外的动力来源，补充活塞运动过程中由蒸汽产生的动力。这一想法涉及到蒸汽膨胀作用的原理，而这一原理后来被证明对蒸汽机的性能有着至关重要的影响。然而，当时以及之后，瓦特一直忙于解决制造发动机过程中遇到的各种难题，因此并未尝试将这一原理付诸实践。直到他在索霍建立了专门用于生产蒸汽机的工厂之后，他才开始应用这一原理。由于他申请这项专利的时间（1782年）晚于另一位名叫霍恩布洛尔的工程师应用同一原理的时间，因此有必要指出这一点。

沃特先生声称自己为蒸汽机的改进做出了重要贡献，这一说法有他于1769年5月在格拉斯哥写给伯明翰的斯莫尔博士的一封信为证：
“我曾向您提及一种方法，通过利用目前被浪费掉的、涌入真空状态的蒸汽能量，可以将蒸汽的效用提升一倍，而且这种方法相当简单。虽然这样只能使效用提升一倍左右，但所需容器的尺寸也会因此大幅增加，难以实际应用。不过，这种方法特别适用于轮式发动机，在仅使用蒸汽动力的情况下可以弥补冷凝器的不足。具体操作方法是：打开一个蒸汽阀，让蒸汽进入，直到该阀门与下一个阀门之间的空间被蒸汽填满四分之一为止，然后关闭该阀门。此时蒸汽会继续膨胀，并推动轮子转动，但其动力会逐渐减弱，最终降至初始动力的四分之一。您会发现，尽管只使用了四分之一的蒸汽，其总效应仍超过一半。虽然动力会有所不均，但这可以通过飞轮或其他方法来解决。”
1776年，当时刚在索霍安装的这台发动机被改造为基于膨胀原理工作的类型。当活塞在气缸内向下移动到一定距离后，通过关闭上方的蒸汽阀来切断来自锅炉的蒸汽供应，剩下的行程则由已经进入气缸的蒸汽的膨胀力来完成。

(87.)

为了解释这种利用蒸汽力施加作用力的方法，有必要先对一些机械原理进行说明。如果一个具有某种阻力的物体受到某种作用力的推动，那么它的运动状态将取决于该作用力的能量与所受阻力大小之间的关系。如果作用力恰好等于阻力，那么物体的运动将会是完全匀速的。如果作用力的能量大于阻力，那么超出阻力部分的能量就会用于赋予物体质量动量，因此物体的速度会不断加快，其运动状态即为加速运动。而如果作用力的能量小于阻力，那么超过作用力大小的那一部分阻力就会用来抵消物体的动量，于是物体的速度会不断降低，最终停止运动。

(88.)

因此，当物体处于匀速运动状态时，就可以认为此时作用力与阻力相等；反之，根据物体速度的增减情况，就可以推断出作用力的能量是大于还是小于阻力。认为在两个或更多平衡的机械力作用下物体只能处于静止状态，这是一种错误观念。根据运动定律，不受任何外力作用的物体要么处于静止状态，要么处于匀速运动状态。无论处于哪种状态，只要给该物体施加两个或更多的力，它的状态都不会发生变化。

平衡状态；因为假设这些力能够使物体的状态发生任何变化——无论是从静止变为运动，还是相反，或是改变物体原有的运动速度——就相当于认为作用在物体上的力处于平衡状态却仍能产生动力学效应，这显然是自相矛盾的。尽管普通实践者或那些仅了解表面知识的人并不总能理解这一点，但实际上它属于机械科学的基本原理之一。

(89.)

当活塞位于气缸顶部、即将开始向下运动时，作用在它身上的蒸汽不仅必须克服发动机各部件之间摩擦所产生的阻力，还必须带动活塞、泵杆以及泵筒中的水柱的整体运动。除了要赋予这些物质与其运动速度相对应的动量之外，蒸汽还必须克服由于水的重量和泵杆的重量大于蒸汽活塞的重量而产生的阻力。因此，根据上述机械原理，在活塞开始运动时，蒸汽对活塞施加的压力必须大于它所要克服的所有阻力之和——前提是这些物质以恒定速度运动。既然驱动力大于阻力，那么这些物质在开始运动后必然会以逐渐加快的速度运动。上一章中描述的发动机活塞也必然会以加速的方式从气缸顶部移动到底部，且在到达底部时的速度会比在行程的其他任何位置都要快。由于此时活塞及其所带动的所有物质都必须停止运动，因此这些运动物质的动量必然会消耗在机械结构的某个部分上，从而造成机械能的损失。显然，即便不考虑我们稍后将谈到的膨胀原理，[Pg160] 在活塞下降过程中，这种驱动力的作用也应当如此。

在活塞到达气缸底部之前，应使其停止运动，这样处于运动状态的质点的动量才能逐渐消散，活塞也能在冲程结束时慢慢停下。因此，如果我们假设活塞已经向下移动了气缸总长度的四分之三，并获得了相应的速度，而其上方的蒸汽突然凝结，从而在活塞上下方形成真空，那么由于没有外力推动，活塞仍会凭借原有的动量继续向下运动，直到阻力使它失去动量并最终停止。如果完成这一过程还需要再移动气缸剩余的四分之一长度，那么显然这一段行程无需再消耗额外的动力。实际上，这一段行程所需的动力，正是冲程开始时用于启动机器及其负载、并使其加速的那些多余动力。尽管在这种情况下，阻力在动力作用过程中始终不会等于该动力——因为在加速阶段阻力小于动力，而在减速阶段则大于动力——但由于所有的动力都已用于克服阻力，所以在这种情况下动力所产生的机械效应仍等于该动力的实际数值。如果在这样的发动机中不等到冲程结束才切断蒸汽供应，那么一部分动力将会浪费在机器中的那些固定部件上，这些部件需要承受冲程结束时运动突然停止所产生的冲击。因此，即便不考虑膨胀原理，显然在这种发动机中也应在冲程完成之前切断蒸汽供应。[第161页]

为便于理解蒸汽所产生的巨大作用力，让A B（见图28）表示一个圆柱体。为便于说明，我们假设该圆柱体的表面积为1平方英尺，其长度AB也为1英尺。如果向这个圆柱体中注入与大气压相等的蒸汽，那么它就会对活塞施加约1吨的力；而如果这些蒸汽是从锅炉中均匀地注入的，那么活塞就会在1吨的力作用下从A移动到B。只要在整个移动过程中，活塞所受的阻力始终为1吨，其运动就会保持均匀。当活塞到达B点时，假设通过关闭图28中的上端蒸汽阀来停止来自锅炉的蒸汽供应；同时假设圆柱体向下延伸，使得BC的长度与AB相等，并且假设BC部分之前与冷凝器相连，因此处于真空状态。此时，位于B点的活塞将会受到1吨的力而向下移动，而在它下降的过程中，上方的蒸汽会扩散到更大的空间中，从而导致其压力降低。目前，我们假设这种压力降低遵循弹性流体的普遍规律，即压力会随着蒸汽体积的增加而按相同比例下降。因此，当活塞从B点继续向下移动时，它所受的力也会持续减小。再假设活塞还面临着一种持续减小的阻力，且这种阻力的减小程度与推动活塞的力成相同的比例。在这种情况下，活塞的运动将会继续保持均匀。当活塞到达第二个圆柱体的中间点P′时，由于蒸汽占据的空间按2比3的比例增加，作用在活塞上的压力则会按3比2的比例减小。既然B点的压力为1吨，那么在P′点的压力则为1吨的三分之二。同样地，当活塞到达C点时，由于蒸汽占据的空间是活塞在B点时所占空间的两倍，因此蒸汽的压力也会相应降低。

在B点时，压力为原来的一半；因此，在冲程结束时，作用在活塞上的压力将为半吨。如果将蒸汽膨胀所经过的从B到C的区间分成十个相等的部分，那么在经过每一个分界点时，作用在活塞上的压力可按照与前述情况相同的原理来计算。经过第一个分界点后，蒸汽的体积会按10比11的比例增加，因此其压力则会按11比10的比例减小。所以在这十个分界点中的第一个点处，推动活塞的压力为10/11吨。同理，第二个分界点处的压力为10/12吨，第三个分界点处为10/13吨，依此类推，如图所示。现在，如果蒸汽在经过这些分界点时的压力保持恒定，而不是逐渐减小，而是在从一个分界点过渡到另一个分界点时发生突然变化，那么从B到C所产生的机械效应就可以通过取这十个分界点上各处压力的平均值来得到。在当前情况下，假设在B点作用在活塞上的力为2240磅。因此，要得出各个分界点对应的压力值，只需将2240乘以10，然后再依次除以11、12、13等数即可。这样，十个分界点上的压力值分别为：第一点2036.3磅，第二点1866.6磅，第三点1723.1磅，第四点1600.0磅，第五点1493.3磅，第六点1400.0磅，第七点1317.6磅，第八点1244.4磅，第九点1179.0磅，第十点1120.0磅。如果将这些数值相加后再除以10，其平均值将为1498磅。由此可见……

十个分隔腔中的压力应当是均匀的（但实际上并非如此）。蒸汽从B点作用到C点时产生的机械效应，就如同蒸汽以均匀的压力作用于活塞一样，其力约为1500磅，这一数值略低于蒸汽从A点作用到B点时的总作用力的四分之三。显然，如果第二个气缸与第一个气缸的比例不同，这一原理同样适用——例如，第二个气缸的长度可以是第一个的两倍，在这种情况下，蒸汽膨胀还会产生额外的机械效应。要更精确地计算蒸汽从B点作用到C点时的效应，需要运用更为复杂的数学原理，而这些原理在此处不便详细阐述；不过这样的计算结果会是：蒸汽从B点作用到C点的实际平均压力相当于该空间内的均匀压力，其值为1545磅，这一数值大于前述计算结果，其差异源于蒸汽在十个分隔腔中的膨胀作用，而这一作用在之前的计算中被忽略了。

(91.) 显然，此处所阐述的膨胀原理涉及到作用力强度的变化这一条件。因此，只要锅炉持续向活塞供应蒸汽，蒸汽就会以恒定的能量作用于活塞；但一旦关闭蒸汽阀停止供应，缸内的蒸汽会随着活塞的运动使体积逐渐增大，从而以逐渐减小的能量作用于活塞。如果负载、摩擦等因素所产生的阻力不能与作用力强度的变化完全对应，那么负载的运动就会不再保持均匀。如果在冲程的某个阶段作用力强度大于阻力，运动速度就会加快；如果小于阻力，运动速度就会减慢；而如果作用力强度时而较大、时而较小——这种情况很可能会发生——那么运动就会呈交替变化状态。

加速与减速。然而，物体运动速度的这种变化并不会影响动力所产生的机械效应，只要能让作用在运动质量上的动量在冲程结束时完全耗尽，这样活塞就能依靠负载的阻力尽可能地停止下来，而不是因为机器中某个固定点的冲击而停止。因此，为了节省动力，应当努力实现这一目标，而无需考虑与机器磨损相关的其他因素。只要发动机仅用于抽水作业，那么运动的规律性并非至关重要；因此，由于应用膨胀原理而不可避免出现的速度变化其实并不重要。在瓦特为应用膨胀原理申请的专利中，他提出了几种方法，旨在在面对蒸汽膨胀过程中必然出现的动力能量变化时，仍能对恒定的阻力产生均匀的作用力。他建议通过各种机械手段来实现这一点，其中一些手段此前已被用于平衡变化的动力。其中一种方法就是让活塞作用于一个杠杆上，该杠杆的臂长可变，且其长度会随着动力能量的减小而按相同比例增加。这其实是一种早已在机械领域中被用来平衡变化动力的方法，手表的主发条和摆轮就是著名的例子。随着手表的走动，主发条逐渐松弛，其力量也会减弱；但与此同时，驱动摆轮的链条会作用于一个直径随发条能量减小而按相同比例增大的轮子或圆环上。另一种方法则是让动力在强度最大的时候提升一个重物，这个重物随后又会下降，从而在动力减弱时帮助活塞继续运动。[第165页]还有一种方法是将动力在强度最大的时候传递给一个静止的质量，当动力减弱时，这个质量又会重新产生相同的力。

力量减弱了。在此，我们就不必再详细讨论瓦特所提出的那些方法了，因为在使用膨胀原理的情况下，这些方法从来都没有显示出任何优势。

(92.)

在博尔顿和瓦特设计的发动机中，膨胀原理的应用范围始终十分有限，因为他们只使用压力略高于大气压的蒸汽。如果仔细考虑上述的膨胀原理，就会发现其应用程度主要取决于从锅炉中进入的蒸汽的密度和压力。如果蒸汽被切断时的密度和压力不高，那么它后续的膨胀程度也会相应地受到限制。正因如此，这一本可以带来巨大节能效果的原理，在瓦特那里的应用效果远不如后来那些采用更高压力蒸汽的人所取得的成果。在博尔顿和瓦特设计的发动机中，根据发动机的工作状况，蒸汽通常在活塞完成行程的一半到三分之二时被切断。在这种情况下，由膨胀产生的压力下降幅度，尤其是在那些大型发动机上，仅仅足以让活塞到达行程末端之前，已移动的质量的动量得以耗尽而已。不过后来人们开始使用能产生更高压力蒸汽的锅炉，此时蒸汽则会在活塞仅完成整个行程的一小部分时就被切断。这些实验与改进主要发生在康沃尔郡的矿区，那里的人们发现，与其使用压力略高于大气压的蒸汽，不如使用压力至少是大气压四倍的蒸汽；而且，蒸汽也不再只在行程的最后一半或四分之一处被切断，而是在活塞完成行程的四分之一或更少距离时就被切断了。

其余的冲程则由蒸汽的膨胀力以及动量来完成。
汉密尔顿的克莱德河上的桥梁，由瓦特设计。

双作用发动机，伦敦市路锌制品厂。

第七章
[第167页]

目录索引

蒸汽的性质——普通蒸汽——过热蒸汽——道尔顿与盖-吕萨克定律——马略特定律——普通蒸汽的温度与压力关系——普通蒸汽膨胀产生的效应——蒸汽的机械作用——平衡膨胀力的方法——霍恩布洛尔发动机、伍尔夫发动机——瓦特将蒸汽机用于工业生产的尝试——帕潘对蒸汽机应用方向的设想——萨弗里将蒸汽机用于驱动机械的成果——乔纳森·赫尔将蒸汽机应用于水轮机——斯图尔特将蒸汽机用于磨坊作业——沃什伯勒对飞轮与曲柄的运用——瓦特的第二项专利——双作用阀门。

(93.)
由于利用蒸汽的膨胀力时，需要考虑蒸汽在不再与产生它的水接触时的性质，以及其在不同密度和温度状态下的压力变化情况，因此有必要在此解释一些关于蒸汽的重要性质。蒸汽可以存在于两种状态中，这两种状态的区分标准如下：
1. 任何微小的热量被从蒸汽中抽出时，都会导致其部分凝结。
2. 蒸汽可以在不发生其他变化的情况下吸收热量，这些变化仅相当于空气在相同条件下的变化，即温度和压力的下降。

(94.)

为加以区分，我们将前者称为常压蒸汽，后者称为过热蒸汽。为了解释这些特性产生的原因，设想图29中的B为一个装满水的容器，它通过管道和旋塞与另一个容器A相连；在过程开始时，容器A内可视为充满了空气。D则是位于该容器顶部的管道和旋塞。如果加热容器B并打开两个旋塞，那么从B中的水产生的蒸汽就会通过打开的旋塞D将容器A中的空气排出，其原理与蒸汽机中空气被排出时的情况相同。当容器A因此而充满纯蒸汽后，再关闭两个旋塞。此时，若容器A内的蒸汽压力为每平方英寸15磅，其温度则为213°。现在，如果从这些蒸汽中吸收热量，其温度就会下降，部分蒸汽还会重新转化为水。再假设容器A中装满了由B中的热水产生的纯蒸汽，且旋塞C是打开的。随后关闭旋塞C，再将B中的水加热到更高的温度，然后观察容器A内蒸汽的温度和压力。如果此时打开旋塞C，就会发现容器A中的蒸汽温度立即上升至与B中水相同的较高温度，同时其压力也会增加。[第169页]蒸汽温度的上升本身就会导致压力增加；但通过称量容器A的重量可以证明，这并非压力增大的唯一原因——因为容器的重量增加了，而这只能说明它从B中的水中吸收了更多的蒸汽。因此，容器A内蒸汽压力增加的原因是其密度增大以及温度上升共同作用的结果。一般来说，

如果容器B中的水温度上升或下降，那么容器A中的蒸汽温度也会相应地上升或下降，且始终与容器B中水的温度保持一致。如果测量容器A的重量，会发现其温度每上升一点，重量就会增加；而温度每下降一点，重量则会减少。这表明，容器B中水温度的升高会导致容器A中蒸汽密度的增大。相同的压力总是对应着相同的温度和密度，因此，只要知道了温度、压力或密度这三个量中的任何一个数值，另外两个数值也就必然可以确定下来——相同的温度总是对应着相同的压力，反之亦然。同样地，在这种条件下产生的密度相同的蒸汽，其压力也不可能不同。需要指出的是，这里产生的蒸汽所拥有的全部热量都来自使其汽化的水。很容易证明，这就是蒸汽能够保持气态状态所需的最少热量；因为如果关闭阀门C，将容器A中的蒸汽与容器B中的水隔开，然后再从容器A中的蒸汽中抽取哪怕是极少量의热量，部分蒸汽也会重新转化为水。

根据前述定义，这就是普通蒸汽。

（95.）

现在假设容器A通过敞开的阀门与容器B相连，且其中充满了特定温度的纯蒸汽。此时容器A中的蒸汽属于普通蒸汽，正如前文（94页）所述，它无法失去哪怕是极少量の热量而不发生部分凝结现象；但如果关闭阀门C，让容器A中的蒸汽接触到某种热源，使其温度上升任意指定的度数，那么就可以从这些蒸汽中抽取热量，而不会导致蒸汽凝结。这种抽热过程可以持续进行，直到蒸汽冷却到某个特定温度为止。

当C阀被打开时，B中的水被加热至相应温度，蒸汽便从水中产生。如果继续降低温度，就会发生凝结现象。如果在提高A中蒸汽的温度后关闭C阀，使蒸汽变为过热蒸汽，然后测量其压力，会发现压力确实有所上升，但上升幅度不会像通过加热B中的水使其达到相同温度且保持C阀打开时的上升幅度那么大。实际上，此时压力的增加只是由于温度上升所致，因为蒸汽的密度并未改变。但如果在这种情况下突然打开C阀，A中的蒸汽压力会立刻上升至该温度下普通蒸汽所对应的压力；如果称量A容器的重量，会发现其重量也增加了，这表明容器中的蒸汽因有更多来自A中水的蒸汽加入而变得更为密集。实际上，打开C阀后，原本为过热蒸汽的蒸汽就变成了普通蒸汽，这种蒸汽具有该温度下蒸汽所能达到的最大密度；因此，如果从其中吸收热量，就会发生部分凝结现象。为让这些原理更易于理解，我们假设B中的水被加热到213°，同时C阀保持打开状态，此时A容器中将充满相同温度、压力为每平方英寸15磅的蒸汽，这就是普通蒸汽。如果现在关闭C阀，再将整个装置置于243°的温度环境中，A中的蒸汽密度仍保持不变，但其压力将从15磅上升至每平方英寸16磅稍多一点。接着再打开C阀，而在A中蒸汽的温度仍为243°的情况下，其压力会立刻从16磅上升至约26磅/平方英寸。与此同时，A中蒸汽的重量也会按照16比26的比例相应增加。如此产生的蒸汽即为普通蒸汽，若从中吸收热量，就会发生部分凝结现象。

(96.)
关于弹性流体——无论是气体还是蒸汽——的压力会随温度升高而增大的规律，是由道尔顿和盖-吕萨克同时发现的。如果将冰点温度下气体或蒸汽所具有的压力记为10,000，那么在体积保持不变的情况下，每升高1摄氏度，其压力会增加的数值则为2081⁄3。因此，如果在32℃时，某种气体或蒸汽在某一特定表面积上产生的压力为10,000盎司，那么当温度再上升1摄氏度时，它的压力将会增加2081⁄3盎司。这一规律适用于所有气体和蒸汽。
有人可能会提出异议，认为在如此低的温度下，水不可能以蒸汽状态存在。不过这并不妨碍上述规律的应用，因为只要计算出该蒸汽若为永久性气体时在相同低温下应有的压力，这一规律依然成立。

(97.)
另一条同样适用于所有弹性流体、且与前述规律同等重要的规律，是由马略特发现的。根据这条规律，只要气体的温度保持不变，其压力就与密度成正比。因此，如果我们能将蒸汽压缩到原来体积的一半，同时使其温度保持不变，那么其压力将会变为原来的两倍；但如果压缩过程导致温度上升，[Pg172] 那么压力的增加幅度将会大于密度的增加幅度，因为压力增加是密度增加和温度上升共同作用的结果。在这种情况下，可以通过结合运用刚才解释过的两条规律来推算出压力的增加量；马略特的定律可以用来确定因密度增加而导致的压力上升量，而另一条定律则可用于确定……

道尔顿和盖·吕萨克将确定由于温度上升而导致的压力进一步增加的情况。关于这些效应的详细研究以及表达这些效应的公式，可见于本卷的附录中。

(98.)

普通水蒸气的温度与其压力、密度之间的固定关系，至今仍未从任何普遍的物理原理中被揭示出来。不过，通过本国及其他国家的学者们所进行的大量实验，我们已经确定了在整个温度范围内与不同温度相对应的压力和密度值。通过比较实验所得到的温度与压力数据，人们建立了经验公式，这些公式能够在实际应用中以足够高的精确度体现这种关系；因此，这些公式可用于编制显示普通水蒸气的压力、温度和密度的表格，而这类表格的数值精度足以满足所有实际需求。这些公式以及由此生成的表格，同样可见于本卷的附录中。

(99.)

已经解释过，要将水转化为水蒸气，只需向水中提供足够的热量，使得在当前温度的基础上再升高到1212°时，水仍能保持液态。这一条件既是水转变为蒸汽的必要条件，也是充分条件。例如，如果向已蒸发的水提供足够的热量，使其在1300°时仍能保持液态，那么这样产生的水蒸气就是过热蒸汽，其热量比维持气态状态所需的多出80°。因此，可以从这样的水蒸气中抽出80°的热量，而不会导致水蒸气凝结。[第173页]

(100.)

在任何压力和温度下，水都会产生普通蒸汽，这些蒸汽随后会与水分离。如果将同样的蒸汽压缩到较小的体积中，或者让它膨胀到更大的体积中，它依然保持着普通蒸汽的特性，其压力和温度也会保持不变，无论其体积如何变化——这与直接从该压力下的水中产生的蒸汽的情况相同。因此，如果蒸汽在每平方英寸30磅的压力下从水中产生并分离出来，然后让其膨胀，直到压力降至每平方英寸15磅，其温度就会降至213华氏度，这一温度与直接从每平方英寸15磅压力下的水中产生的蒸汽的温度相同。而如果在原始压力下或15磅/平方英寸的较低压力下从这种蒸汽中吸收热量，就会发生凝结现象，且吸收的热量越多，凝结量也就越大。这些现象都是因为蒸汽的潜热与显热之和始终恒定这一事实所导致的。[20] 因此，假设用于发动机的蒸汽在离开锅炉后不再吸收任何热量，那么无论其密度如何因后续膨胀而发生变化，它依然会保持普通蒸汽的特性；如果不发生部分凝结，它就不可能失去哪怕一点点热量。此外，经过膨胀后的蒸汽所产生的机械力，其计算方式也应与直接从水中产生的蒸汽相同。

(101.) 如果马略特定律能够严格适用于蒸汽，那么它在各种密度状态下的机械效应都应与之前所解释的一致；但由于蒸汽的密度增加或减少时其温度也会随之上升或下降，因此其机械效能也会发生相应的变化。所以在计算蒸汽的机械效应时，无论是在没有膨胀作用的均匀压力下使用蒸汽，还是在其上应用了某种程度的膨胀作用，都必须考虑这些定律的共同作用。

马里奥特和道尔顿的公式。这些公式揭示了蒸汽的温度、压力、体积和密度与水蒸发所产生的机械作用之间的关系，无论这种蒸发是否伴随膨胀现象；同时，附录中还列出了将这些公式用于实际应用时所需的表格。

(102.)

平衡蒸汽膨胀力变化的一种方法，就是让蒸汽同时在两个相连的汽缸中工作，这两个汽缸由同一根横梁连接；这样，当一个汽缸中的蒸汽压力增大时，另一个汽缸中的蒸汽压力则会减小，两者共同作用便能产生均匀的力。在瓦特提出膨胀原理后不久，一位名叫霍恩布洛尔的工程师便采用了这一方法。1781年，霍恩布洛尔想到了一种利用两个大小不同的汽缸来驱动引擎的方法：让蒸汽从锅炉中自由流出，直到填满较小的汽缸，然后再让蒸汽进入较大的汽缸，从而推动两个活塞运动。如图30所示，C点为那根承载两个拱形支架的横梁的中心，活塞杆的链条就安装在这些拱形支架上。为了使横梁的移动距离能够与两个活塞的移动距离相对应，这些拱形支架到中心C点的距离必须与两个汽缸的长度成相同的比例。F是来自锅炉的蒸汽管道，G则是用于让蒸汽进入较小活塞上方区域的阀门。H则是一根用于实现蒸汽流通的管道。

由位于小圆柱体上下之间的阀门I来打开。B.K是一条通过阀门L与小圆柱体B的底部和大圆柱体A的顶部相连的管道。M则是一条通过阀门N与大圆柱体A的上下部分相连的管道；而P则是一条通过排气阀O通往冷凝器的管道。在启动时，假设所有阀门都处于开启状态，让蒸汽流经发动机，直到空气被完全排出，之后再关闭所有阀门。要启动发动机，需像图30所示那样打开排气阀O以及蒸汽阀G和L。蒸汽会从锅炉中自由流出，从而推动小活塞移动；与此同时，大活塞下方的蒸汽则会流入冷凝器，使得大圆柱体内形成真空状态。当阀门L打开后，小圆柱体活塞下方的蒸汽会通过K流进大圆柱体，进而推动大活塞向下移动——由于大活塞下方存在真空，因此它会下降。在运动开始时，小活塞受到的下方蒸汽的阻力与上方蒸汽的推力大小相等；但一旦活塞开始下降，小圆柱体活塞下方的蒸汽会流入大圆柱体并在更大的空间中膨胀，因此其压力会降低。而小活塞上方的蒸汽由于通过阀门G与锅炉保持连通，仍保持着原有的压力，所以小活塞所受的推力就等于该蒸汽的压力与其下方已膨胀蒸汽的较低压力之间的差值。随着活塞不断下降，它们之间的蒸汽体积会持续增大，压力则会持续降低，因此阻碍小活塞移动的力也会持续减小，而推动它下降的力则保持不变，这样一来，推动活塞前进的有效力就会持续增加。[第176页]另一方面，由于大活塞下方存在真空，且推动它的蒸汽也在不断膨胀，所以推动大活塞的力也在持续减小。假设活塞已经到达圆柱体的底部，此时关闭阀门G、L和O，那么……

阀门I和N打开。由于阀门G处于关闭状态，蒸汽无法从锅炉中流出；同时由于阀门O也处于关闭状态，蒸汽也无法进入冷凝器。而阀门L的关闭则切断了各个气缸之间的连通。当阀门I打开后，通过管道H，小活塞的上部与下部之间便可以自由连通，这样，作用在小活塞上方的蒸汽所产生的压力也会作用于其下方，从而使活塞处于平衡状态。同样地，当阀门N打开时，大活塞的上部与下部也能自由连通，蒸汽可以在活塞的上下方流动，从而使活塞能够自由上升。在这种情况下，连接到泵杆上的配重装置会像瓦特的单缸发动机一样将活塞向上拉；当活塞上升到顶部时，阀门I和N会关闭，而阀门G、L和O则会打开，活塞便会以之前描述的方式再次下降，如此循环往复。

这些阀门的开启是由发动机本身控制的，其控制方式与之前所描述的某些方式类似。通过计算，我们发现这种发动机的功率与基于瓦特膨胀原理设计的类似发动机几乎相同。不过，这种对原理的改进似乎并没有带来任何显著优势，因为现在已没有采用这种结构的发动机被制造出来。

(103.)

1804年，亚瑟·伍尔夫重新提出了使用两个气缸的想法。在那一年及随后几年里，他获得了将高压蒸汽用于双缸发动机的专利。他的专利说明书中指出，他通过实验证明：当安全阀每平方英寸承受一定磅数的压力时，如果让蒸汽膨胀到原来体积的相应倍数，那么其产生的压力将会等于大气压。因此，如果安全阀每平方英寸承受4磅的压力，那么蒸汽在膨胀到原来体积的4倍之后，其压力就会等于大气压。

压力；如果每平方英寸承受5磅、6磅或10磅的压强，那么当蒸汽膨胀到原来体积的5倍、6倍或10倍时，其压力就会达到大气压，以此类推。不过，在这种情况下，人们认为让蒸汽膨胀的容器必须与蒸汽本身的温度相同。

像伍尔夫这样在蒸汽实际应用方面经验丰富的人，怎么会犯下如此严重的错误呢？这些错误恰恰体现在该专利的论述中。更令人费解的是，他究竟是如何进行那些实验的，以至于得出了与弹性流体的所有已知性质相悖的结论，而且这些结论本身还存在明显的矛盾与荒谬之处。如果承认在安全阀上增加的每一磅重量都会使蒸汽通过膨胀进入更大的空间，从而产生相当于大气压的压力，那么显而易见的结果就是：大气压与磅重量之间会存在某种物理上的关联！

令人惊讶的是，伍尔夫竟然没有想到：即便他的原理在某个地方是正确的，但在另一个气压不同的地方它必然会是错误的！因此，如果该原理在山脚处成立，那么在山顶处就不成立了；如果在晴朗天气下成立，那么在恶劣天气下也就不成立了，因为这些情况都会导致大气压发生变化，而磅重量却不会随之改变。[21] [第178页]

(104.)

在瓦特的第一个专利获得议会批准后的几年里，他一直致力于将蒸汽机更好地应用于矿井排水工作，同时努力克服在蒸汽机得到广泛应用过程中出现的种种困难。即便蒸汽机的诸多优势已经得到认可，这些难题依然存在。然而，当这些障碍被克服，位于索霍的蒸汽机制造厂开始投入运营后，他才从这些事务中解脱出来。

这些忧虑带来的压力使他能够将注意力转向那些更为广泛且重要的应用领域。他早就坚信，这种发动机具备这样的潜力。他那敏锐的头脑让他意识到，自己所创造的机器还只是初生之力，但在他自身天赋的推动下，它终将发挥出巨大的力量，影响世界上的艺术、制造业、商业以及文明发展。怀着这样的抱负，他在1779年左右开始研究如何利用蒸汽机来驱动各种机械，从而取代畜力以及风力和水力等自然动力。

早在很久以前，人们就认为蒸汽可以作为一种强大的动力源得到广泛应用；如今，当我们看到蒸汽的力量已被如此广泛地加以利用时，回溯一下早期机械发明家们那些初步的设想，也会是一件有趣的事。

帕潘因发现了通过蒸汽冷凝制造真空的方法而备受赞誉，他是最早也是最杰出的这类发明家之一。尽管他的实际应用能力相当有限，但他在机械设计方面的天赋却极为出色。如果他的经验与机遇能够与其卓越的洞察力相匹配的话，他无疑会率先实现一些后来者在改进蒸汽机方面所取得的重大成就。在他所著的著作中，他在描述了如何利用蒸汽冷凝产生的真空所产生的大气压力来让活塞做往复运动之后，指出自己的发明不仅可以用于抽水，还可以用来让船只逆风逆潮航行，而他打算通过以下方式来实现这一目标：在船的两侧安装桨轮，这些桨轮则与贯穿整个船体的轴相连。

他在容器内部、该轴的下方，提议安装几个带有活塞的圆筒，这些活塞由大气压力驱动。在活塞杆上还装有带齿的齿轮架，这些齿会与安装在桨轮轴上的齿轮或小齿轮相啮合。这些小齿轮并不固定在轴上，而是通过棘轮与轴相连；这样，当它们朝一个方向转动时，不会使轴随之旋转；而当被反向驱动时，棘轮的卡扣会作用于轴，迫使轴及桨轮随小齿轮或齿轮的转动而转动。通过这种设计，每当某个圆筒的活塞被大气压力压下时，下降的齿轮架就会带动相应位置的桨轮轴上的小齿轮旋转；由于棘轮的卡扣也在起作用，因此桨轮轴和桨轮也会随之旋转。而当活塞上升时，驱动小齿轮反向转动的齿轮架只会让棘轮的卡扣在齿间移动，而不会带动桨轮轴旋转。显然，这样的装置中，单个圆筒和活塞只能使桨轮轴产生间歇性的运动，因为只有当活塞下降时，轮子才会继续转动；但如果使用多个圆筒，就可以这样安排：当一个圆筒的活塞处于上升阶段、无法带动桨轮轴转动时，另一个圆筒的活塞则处于下降阶段，从而驱动桨轮轴转动。在帕潘设计的那种不完善的机器中，活塞从圆筒底部回到起始位置并再次开始下降所需的时间，远远长于其下降时间本身，因此显然需要两个以上的圆筒才能持续为桨轮轴提供动力，正因如此，帕潘才提议使用多个圆筒。此外，帕潘还提议制造一种锅炉，其炉膛四周都被水包围，这样热量就能更快地传递给水，从而使活塞能够完成四次往复运动。

每分钟划动次数。这些方案于1690年被提出，但似乎从未被付诸实践。

(106.)

1698年，萨弗里在最初的专利申请中提出，可将他的蒸汽机用作各种机械的动力源——通过让蒸汽机提升水以形成人工落差，从而驱动溢流式水轮机。在萨弗里在世期间，这一提议并未得到实施，但后来有部分内容被付诸实践。约书亚·里格利在曼彻斯特及兰开夏郡的其他地区建造了几台基于这一原理的蒸汽机，用来为当地最早的工厂和棉纺厂提供动力。这些蒸汽机通常能将水提升16到20英尺高，然后水再被输送到溢流式水轮机上，为其提供动力。同一批水会不断被蒸汽机提升，因此除了补充因蒸发而流失的水量外，无需其他水源。这类蒸汽机使用了数年，直到被更先进的机器所取代。[22]

(107.)

1736年，乔纳森·赫尔斯获得了一项专利，该专利涉及一种能够逆风逆潮将船只拖进或拖出港口的方法。这种方法实际上不过是1690年帕潘所提出方法的改进版而已。动力是通过一根绳索传递给桨轴的，绳索绕过固定在轴上的滑轮；而在活塞回程时，重物的下降则可以维持动力，而重物则在活塞下行时被提升。不过，无论是这项方案还是帕潘的方案，都未曾有被付诸实践的记录。

(108.)

在上个世纪初期，这个国家的制造业发展程度还不足以使得水力动力出现严重不足或不可靠的情况；因此，那些需要使用机械的磨坊及其他工厂仍能够依靠水力来运转。

在动力的驱动下，这些工厂通常建在河流沿岸。大约在1750年，随着制造业的广泛发展，以及人们在那些无法利用水力资源的地方建立工厂，蒸汽机开始得到更广泛的应用。1752年，布里斯托尔的钱皮恩先生将大气压力引擎用于提水，从而驱动多个水轮机。这些水轮机被用来驱动当地的黄铜加工厂，这种应用方式持续了约20年，但由于燃料成本过高以及蒸汽机技术的进步，最终被放弃。大约在同一时期，斯米顿积极致力于改进风车和水车，成功地在相同的水量条件下使它们的工作效率提高了一倍。从1750年到1780年，他一直在各地建造改进后的水车，这些水车被广泛模仿，使得这类水车的改进成为普遍现象。在夏季干旱导致水源不足的情况下，人们会使用马力驱动的机械来运转水车或把水抽回。这些改进措施暂时阻碍了蒸汽机在磨坊中的应用；但制造业的快速发展很快产生了远超现有手段所能满足的能源需求。在钢铁制造过程中，保持熔炉持续燃烧非常重要，这样才能确保热量昼夜不停。在科尔布鲁克戴尔的大型钢铁厂中，有多个水轮机被用于钢铁生产的不同环节，尤其是用于驱动铁炉的鼓风装置。这些水轮机通常由河水驱动，但在夏季，水量变得极为不足，无法同时驱动所有的水轮机。因此，人们便用蒸汽机来为这些水轮机供水。由于发现这种将蒸汽机作为临时动力源来驱动水轮机的方法非常有效，不久之后，这类蒸汽机就被用作为水轮机提供持续动力的常规手段。据记载，第一次尝试这种做法的是奥克斯利先生，他在1762年制造了一台机器，用于从哈特利煤矿的矿井中抽取煤炭。

诺森伯兰郡。最初，人们打算利用发动机产生的连续圆周运动来驱动机器；但由于这种方法并不奏效，于是人们改用发动机来抽水，再通过水轮来驱动机器。这种发动机被使用了数年，虽然最终因其结构上的缺陷而被废弃，但它仍然证明了将蒸汽动力用于驱动水轮的可行性。[23]

(109.)

1777年，约翰·斯图尔特先生在皇家学会上发表了一篇论文，描述了一种利用蒸汽发动机的往复运动为各种磨坊提供连续圆周运动的方法。他提出，可以通过两条无尽的链条来实现这一目标，这两条链条绕过滑轮，随着发动机的运动而上下移动，其方式类似于窗框的滑动。这两条链条上的链环与齿轮两侧的齿相啮合，从而分别从不同方向给齿轮传递圆周运动。当活塞下降时，一条链条推动齿轮转动，而活塞上升时则由另一条链条负责推动；不过其中一条链条始终不会在其滑轮上移动，因此不会对齿轮的一侧产生作用力，而另一条链条则会在相反的一侧推动齿轮旋转。为此，每条链条上都装有装置，以防止其单向循环移动，同时允许其向另一个方向自由移动。这样，持续旋转的齿轮就可以被应用于需要驱动的任何磨坊的轴上。如果将其应用于面粉磨坊，那么磨石本身就可以起到飞轮的作用，从而调节动力的输出；而在其他类型的磨坊中，则可以另外添加飞轮来达到同样的目的。从前面提到的帕潘的发明中，我们可以看出斯图尔特先生的思路。在他的论文中，他间接提到了通过曲柄或绞盘将往复运动转化为连续圆周运动的方法，他说这在理论上是可以实现的，但实际上由于发动机运动的特性——即取决于蒸汽的力量——而无法实现。

其长度无法确定。因此，在第一种设计方案中，机器要么会碎裂，要么会倒转回去。如此观点出自一位具备丰富机械知识与创新能力的人之口，而他所反对的这种装置，实际上无论从理论还是实践层面来看，都是实现此处所说的“不可能完成的任务”的最有效手段——这一事实实在令人瞩目。倘若这一观点与斯米顿先生那样无可挑剔的判断相悖，或许会让人对斯图尔特先生的实际操作能力产生怀疑。斯图尔特先生的这份报告被皇家学会提交给斯米顿先生，后者指出了每当运动方向改变时整个动力系统就会完全停止所带来的难题；他还指出，虽然可以使用飞轮来调节运动，但这样的飞轮必须足够大，以至于发动机本身难以控制；他认为使用这样的飞轮对磨坊来说反而是一种负担，比用发动机抽水驱动的水轮还要麻烦。尽管这位工程师极为杰出，但他不仅在曲柄问题上犯了与斯图尔特相同的错误，还进一步犯下了谴责那种后来被证明能够有效发挥作用的装置的错误。很快就会明白，曲柄与飞轮的结合正是让蒸汽机在工业生产中占据主导地位的关键所在。

（110.）

1779年，布里斯托尔的工程师马修·瓦斯布罗为将蒸汽机应用于通过棘轮产生连续圆周运动而申请了专利，这种棘轮与奥克斯利先生此前在哈特利煤矿所使用的类似。不过，瓦斯布罗在原有设计的基础上增加了飞轮，用以维持和调节运动。根据这项专利制造出了多台机器，其中一台被安装在了南安普顿的泰勒锯木厂及砖块制造厂里。1780年，又有一台机器被安装在伯明翰，但人们发现这种棘轮结构存在诸多问题，于是工厂里的某人用简单的曲柄取而代之，而这种曲柄从此便一直被广泛使用。同年，詹姆斯·皮卡德也为曲柄的这一应用申请了专利。

伯明翰的。不过，目前看来，这种曲柄应用方式的设想其实源自瓦特的研究记录，因为当时他也在从事类似的实验。

(111.)

瓦特所设计的单作用蒸汽机并不适合产生连续均匀的旋转运动，原因如下：
——
首先，所需的是一种持续作用的力，而蒸汽机所提供的则是一种间歇性的力。活塞向下运动时，蒸汽机仍能继续工作，但当活塞向上运动时，其工作就会停止。为获得所需的连续运动效果，要么需要改变其工作原理，要么就得想办法在活塞向上运动、动力输出中断期间仍能保持旋转轴的转动。
其次，蒸汽机的作用力是直线方向的，即沿着气缸的方向施加力。而所需产生的运动则是圆周运动，也就是围绕机器的轴或轴心进行的旋转运动。

瓦特为实现这些目标所采取的步骤，他在自己关于罗比森博士所写蒸汽机文章的笔记中这样记载：
“我很早就开始思考如何实现绕轴的连续运动；从我在1769年提出的第一份设计方案中可以看出，我当时描述了一种由蒸汽驱动的蒸汽轮，蒸汽在圆形通道中流动，一方面作用于阀门，另一方面则作用于水银柱或其他液态金属柱。这种装置在索霍地区被制造出来，直径约为六英尺，可以反复运转，但由于存在一些实际上的缺陷，最终被放弃了。我自己和其他人设计的其他旋转式发动机，以及那些利用棘轮来产生旋转运动的发动机，也面临着类似的缺陷。”

在让我的单动往复式发动机运转变得极为规律之后，我开始思考如何以最佳方式将其转化为旋转运动。在各种经过试验或在我脑海中出现的方案中，似乎没有哪种比采用普通车床中的曲柄结构更有可能实现这一目标。不过，那种机器中的旋转运动是通过在曲柄下降时施加动力来产生的，而在曲柄上升过程中则需要依靠飞轮的能量来维持运动。由于我不想给我的发动机配备足够重的飞轮以便在活塞上升期间持续提供动力（或者即使使用配重来平衡运动，也需要相当重的飞轮），因此我提议使用两台发动机，它们分别作用于固定在同一轴上的两个曲柄上，这两个曲柄之间的夹角为120°；同时，在飞轮的边缘上放置一个重量，使其与每个曲柄的夹角也为120°。通过这种方式，运动就可以保持几乎均匀，而且只需要一个非常轻的飞轮即可。

这个想法很早之前就出现在我的脑海中了，但由于我当时全神贯注于制造用于提水的发动机，所以这个想法一直被搁置着，直到1778年或1789年左右，瓦斯布罗先生在伯明翰制造出了一台棘轮式发动机，而该发动机频繁出现故障且运转不稳定的问题，又让我想起了这个想法。于是我开始制作这种方法的模型，结果正如我所期望的那样。但由于我没有申请专利，负责制作模型的工人便将这一发明告诉了瓦斯布罗先生身边的几个人，他们随后为将曲柄应用于蒸汽发动机申请了专利。这名工人承认了这一点，负责监督这项工作的工程师也予以认可，但他表示，在听到我的想法之前他就已经有了同样的想法，甚至还制作过相关模型。这或许是真的，因为将曲柄应用于发动机这一想法本身就相当显而易见。

在这种情况下，我觉得与其打官司，不如尝试用其他方法来实现同样的目标；如果成功的话，就可以通过撤销那项专利，让所有人都能使用这一技术。

因此，在1781年，我发明了多种将往复运动转化为旋转运动的方法，并为这些方法申请了专利；其中就包括“太阳与行星轮”装置。这种装置被应用于许多发动机中，其优点在于能够使飞轮获得双倍的速度；不过与目前更常用的简单曲柄相比，它更容易磨损，且在承受巨大负荷时也更容易损坏。虽然将这种装置安装在主轴上时需要使用重量为普通飞轮四倍的飞轮，但我的发明使得平衡重变得不再必要，从而实现了更为规律的运动。

（112.）

此处所提到的瓦特的第二个专利的日期为1781年10月25日，标题为“关于利用蒸汽或火力发动机的振动或往复运动来产生绕轴或中心的连续旋转运动的若干新方法的专利，以此为磨坊及其他机器的轮子提供动力”。该专利中描述的所有方法均旨在通过前述的单作用发动机来实现——在发动机回程阶段，会利用平衡重来推动机械运转，而当活塞下降时，这个平衡重会上升。专利文件中提出了五种不同的方法来产生旋转运动，但实际上只有两种被真正应用到了实际中。[第187页]

（113.）

假设有一根杆子，其一端通过销钉或接头与发动机梁的工作端相连，另一端则通过类似的销钉或接头与固定在飞轮轴末端的铁轮相连。该铁轮的一半是由实心铸铁构成的半圆形结构，另一半则由带辐条的构造组成，这样能在保证强度的同时尽可能减轻重量。由于铁轮在轴上的位置关系，当活塞回程且蒸汽动力停止作用时，铁轮中较重的半圆部分会向下移动，其重量会拉下连接杆，进而带动其他部件运动。

活塞向下移动时，在蒸汽动力的驱动下，上述齿轮中那个较大的半圆部分会向上移动，如此循环往复。

(114.)

另一种产生旋转运动的方法，后来在实践中被使用了多年，那就是所谓的“太阳轮与行星轮”结构。图32中的齿轮A被称为太阳轮，它固定在飞轮的轴上，飞轮正是需要被驱动旋转的部件。而图32中的齿轮B则被称为行星轮，其直径与太阳轮相同，但它被固定在连杆HI的末端I上，因此无法自行旋转。当活塞向下移动时，梁的末端会上升，同时连杆的末端I会沿着虚线构成的半圆路径从C移动到D。由于行星轮无法以点I为中心旋转，因此它会在此过程中驱动太阳轮A旋转。当蒸汽活塞上升时，梁的末端会下降，此时行星轮B的中心I会沿着另一条虚线构成的半圆路径从D移动到C，从而继续以相同的方向驱动太阳轮旋转。虽然这种装置总体上不如曲柄那种更简单的结构，但它也有一些优点；比如，它能让太阳轮的转速是曲柄驱动时的两倍，因为在曲柄结构中，轴每旋转一周只能带动一次旋转。

在曲柄装置中，每转动一次曲柄就会产生一定的转速；而在日晷式齿轮装置中，行星轮转动一次就能使日晷轮转动两次，因此通过相同的运动就能获得双倍的转速。这一点可以从以下事实中看出：当行星轮处于最高位置时，它的最下面的一颗齿会与日晷轮的最上面的一颗齿相啮合；当行星轮从最高位置移动下来时，它的齿会带动日晷轮上相应位置的齿一起转动；而当行星轮到达最低位置时，它的最上面的一颗齿则与日晷轮的最下面的一颗齿相啮合。此时，日晷轮已经转动了半圈，因此原本与行星轮相啮合的那颗齿现在距离行星轮有半个轮周的距离，所以它又会回到最高位置。这样一来，当行星轮从最高位置移动到最低位置的过程中，日晷轮已经完成了一整圈的转动。通过在曲柄轴上安装齿轮，也可以获得更高的转速这一优势。不过，日晷式齿轮装置存在制造成本高、容易出故障、齿轮磨损快等诸多缺点，因此不如曲柄装置，后者已完全取代了它。

(115.)

尽管瓦特通过这些装置成功地将蒸汽机的往复运动转化为连续的圆周运动，但这种机器仍然属于间歇性工作而非连续工作的类型。那种在下行冲程时提升配重、并在回程时将所消耗的能量返还给配重的方法，并不能满足瓦特对机械精度的严格要求。他很快意识到，原本打算通过两个相互交替工作的汽缸和活塞来实现的目标，其实只需一个汽缸就能以更简单的方式实现，只要能找到一种方法让活塞既能被蒸汽向下推动，也能被其向上推动。要做到这一点，只需让汽缸的下端交替与锅炉相连，而上端则与冷凝器相连即可。

例如，当活塞向下运动时，气缸的上端与锅炉相连，下端则与冷凝器相连；而当活塞向上运动时，下端与锅炉相连，上端则与冷凝器相连。这样，无论活塞是向上还是向下运动，都会在蒸汽产生的压力作用下持续移动。1782年3月12日，瓦特为这一装置获得了第三项专利。该机器原理的这一变化也带来了其机械结构方面的若干其他变化。

首先，需要设置相应的装置来让蒸汽进入或离开气缸的两端。为此，设B和B′为两个蒸汽箱，B位于上方，B′位于下方，它们分别通过通道DD′与气缸的顶部和底部相连。在B中安装两个阀门，一个为S，位于通道D的上方，另一个为C，位于通道D的下方；在下方的蒸汽箱B′中同样安装两个阀门，一个为S′，位于通道D′的上方，另一个为C′，位于通道D′的下方。在上方蒸汽箱的阀门S上方有一个开口，锅炉中的蒸汽管道从这里进入；在阀门C下方则有另一个开口，用于连接通往冷凝器的排气管道。同样地，在下方蒸汽箱的阀门S′上方有来自锅炉的蒸汽管道，而在阀门C′下方则有通往冷凝器的排气管道。显然，只要打开阀门S，蒸汽就可以进入活塞上方；打开阀门S′，蒸汽则可以从活塞下方进入并流向冷凝器。同样，打开阀门C，蒸汽可以从活塞上方排出并流入冷凝器；打开阀门C′，蒸汽则可以从活塞下方排出并流入冷凝器。假设活塞P位于气缸的顶部，且活塞下方的空间充满纯蒸汽，那么只要打开阀门S和C′……

如图34所示，阀门C和S′处于关闭状态。因此，锅炉产生的蒸汽会从打开的阀门S流入，推动活塞向下运动；而填充在活塞下方的汽缸内的蒸汽则通过打开的阀门C′流入排气管，最终进入冷凝器，在那里被冷凝，从而使活塞下方的汽缸形成真空状态。于是，活塞就会在上方蒸汽的作用下被向下压，这与单作用式发动机的工作原理相同。当活塞到达汽缸底部时，如图34所示，阀门S和C′应关闭，而阀门S′和C则应打开。此时，蒸汽会通过打开的阀门S′以及活塞下方的通道D′进入汽缸；而之前推动活塞向下运动的蒸汽则通过打开的阀门C及排气管流入冷凝器，使得活塞上方的汽缸再次形成真空状态。于是，活塞就会在下方蒸汽的作用下被向上推，以与它下降时的力大小相等的力上升。

显然，通过交替开启和关闭成对的阀门，就可以让活塞持续地上下运动。当活塞处于汽缸顶部时，如图33所示，上方的蒸汽阀S和下方的排气阀C′会打开，而上方的排气阀C和下方的蒸汽阀S′则关闭；而当活塞到达汽缸底部时，如图34所示，上方的排气阀C和下方的蒸汽阀S′会打开，而上方的蒸汽阀S和下方的排气阀C′则关闭。

如果像这里假设的那样，在活塞到达汽缸顶部和底部的瞬间分别开启和关闭这些阀门，那么显然可以用一个与它们相连的杠杆来控制所有阀门的开关。

通过适当的机制来控制它们。当活塞到达气缸顶部时，该杠杆会促使阀门S和C′打开，同时使阀门S′和C关闭；而当活塞到达气缸底部时，则会促使阀门S和C′关闭，同时使阀门S′和C打开。不过，如果希望在活塞到达其行程终点之前就切断蒸汽供应——无论活塞是向上运动还是向下运动——那么就必须在活塞到达行程终点之前先关闭蒸汽阀；而由于排气阀需要保持开启状态直到整个行程结束，因此这些阀门必须在不同时间被操作。在这种情况下，应为不同的阀门配备单独的杠杆。不过，我们还是先回到关于控制蒸汽进入气缸以及从气缸排出到冷凝器的阀门这一话题上。

（117.）应当记得，在单作用发动机中，当活塞在气缸内上升时，冷凝过程会暂停，因此在此期间冷凝器中的冷水喷射也会停止。而在双作用发动机中，无论活塞是上升还是下降，蒸汽从气缸流向冷凝器的过程都会持续，因此必须持续进行蒸汽的冷凝。所以，与单作用发动机不同，这种情况下冷凝器中的冷水喷射不会间歇性地停止，必须保持持续的冷水喷射。在用于工业生产的双作用发动机中，活塞的运动速度会有所变化，进入气缸的蒸汽量也会随之改变。因此，进入冷凝器的蒸汽量也会发生变化，这就需要相应地调整通过喷嘴进入冷凝器的冷水量。为了解决这个问题，双作用发动机中用于控制冷水进入冷凝器的阀门是由带有刻度的杠杆来操作的，以此来调节进入冷凝器的冷水量。

电容器是可以调节的。该装置通过一个渐变式的弧形结构来工作，从而使发动机操作员能够调节供电量。

伯明翰附近的希斯菲尔德宅邸，瓦特的居所。

脚注：
[20] 这些现象在我的《热学论著》中有详细阐述；最近，德·潘布尔先生通过对机车引擎的实验也验证了这些现象。他发现，在每平方英寸50磅以上的压力下从机车引擎的锅炉中产生的蒸汽，当其压力降低到较低水平并从烟囱排出时，仍属于普通蒸汽状态。
[21] 令人奇怪的是，这种荒谬的观点竟在各种百科全书中，以及大量专门讨论这一主题的论著中被当作不容置疑的事实而反复提及。
[22] 法里，《蒸汽机论著》，第122页。
[23] 法里，《蒸汽机论著》，第297页。

双作用发动机——城市锯木厂。

第八章
[第193页]

目录索引

双作用发动机中活塞杆与曲梁的连接方式——齿条与扇形齿轮装置——平行运动机制——连杆与曲轴的连接——飞轮——节气阀——调速器——双作用发动机的结构与工作原理——偏心装置——阀门装置——单拍阀、双拍阀、锥形阀、滑阀——默里式滑阀——D型阀——西沃德式滑阀——单阀装置、四通阀装置——活塞——普通麻质填充活塞、沃尔夫式活塞、金属活塞——卡特莱特发动机、卡特莱特式活塞、巴顿式活塞。

(118.)

在单作用发动机中，活塞的作用力仅在其下降过程中作用于曲梁；如前所述，这种力量是通过从活塞杆末端延伸出来的柔性链条传递到曲梁上的，该链条与曲梁的弓形头部相接触。而在双作用发动机中，蒸汽将活塞向上推的力也必须传递到曲梁上，以便在活塞上升时推动曲梁向上移动。仅靠连接活塞与曲梁弓形头部的链条是无法实现这一作用的。

当需要传递的是拉力而非推力时，柔性链条、绳索或带子就足够了；但如果需要传递的是推力，则链条所具有的柔性特性使其无法满足要求。在双作用发动机中，活塞下降时活塞杆仍会向下拉曲梁，此时用链条连接活塞杆与曲梁便足以传递动力；但在活塞上升时，曲梁不再向下拉活塞杆，而是被活塞杆向上推动。像单作用发动机中那样用链条连接活塞杆与曲梁的弓形头部，则无法传递这种推力。如果在没有配重装置的双作用发动机中使用这样的链条，那么它也无法发挥应有的作用。

其后果是：当活塞上升时，链条会变松，而梁则仍会保持下垂状态。因此，必须在活塞杆与梁之间设计某种其他的机械连接装置，使得在活塞杆下降时能够将梁向下拉，在上升时则能将其向上推。瓦特首先提出通过在活塞杆末端安装一个带齿的直齿条来实现这一目的，该齿条可与梁上相应的齿相啮合，如图35所示。如果他的改进型蒸汽机在运行和结构精度方面仅需达到与普通大气压力驱动的蒸汽机相同的水平，那么这种设计或许就足够了；但实际上，这些蒸汽机要求活塞杆必须能在气缸顶部的填料箱中实现平稳、均匀的运动，否则任何震动或不规则现象都会导致活塞杆在填料箱中松动，进而使空气进入或蒸汽泄漏。在这种情况下，使用齿条与带齿的梁头这种结构是不可行的，因为无法通过这种方式为活塞杆提供所需的平稳均匀运动。瓦特想到的另一种方案是在活塞杆顶部安装一根横杆，使其伸出梁的上方，再使用两条链条或带子——一条从横杆顶部连接到梁头底部，另一条则从横杆底部连接到梁头顶部。这样，当活塞下降时，后一条带子会将梁向下拉，而当活塞上升时，前一条带子则会将梁向上拉。不过，这些设计方案后来都被一种更为出色的机制所取代，即所谓的“平行运动”机制，它是蒸汽机发展史上最巧妙的机械组合之一。

可以看出，其目标是通过某种刚性连接方式将活塞杆的末端与梁的末端相连，从而设计出这样的机制：当梁的末端沿部分圆周轨迹交替上下移动时，与之为一的活塞杆末端也能相应地移动。

横梁应沿直线上下移动。如果活塞杆的末端仅通过一个枢轴与横梁的末端相连，而没有其他连接方式，那么当活塞杆上下移动时，它就会交替地向左和向右移动，从而导致其断裂或变形，或者从填料箱中脱出。瓦特没有采用直接用枢轴将活塞杆末端与横梁末端相连的方式，而是提议使用一些可移动的杆来连接两者，这样当横梁末端沿圆形轨迹上下移动时，这些杆就能随之调整，从而使与活塞杆相连的末端能够保持直线运动状态。

为了解释这种被称为“平行运动”机制的原理，假设OP（见图36）是一根可在中心O处移动的杆或杠杆，该杆的末端P会在PP′P″P´构成的圆形轨迹内移动，且其移动范围由两个止动装置S限制，这两个止动装置能防止杆上升超过点P，或下降到点P′以下。让杆的位置及其移动范围满足这样的条件：通过P和P′所画的直线AB——即杠杆OP的两个极限位置——会变成一条垂直线。

图36。

设o为垂直线AB另一侧上的一个点，且O到AB右侧的距离等于o到AB左侧的距离。设OP为一根长度与OP相等的杆，它以o为中心像OP那样移动，其末端p会上下移动穿过弧线pp′p″p″，其移动范围同样受到限制装置s的约束。

现在，假设用一根连接杆PP将这两根杆的末端P和P相连，该连接通过一个枢轴实现，这样连接杆与两根杆之间形成的角度大小就可以发生变化。这根连接杆会使其中一根杆的运动依赖于另一根杆的运动，因为它能始终保持两根杆的末端P和P之间的距离不变。因此，如果让杆OP移动到位置OP″，其末端P会沿着弧线PP′P″P″移动，而连接两根杆的连接杆则会同时带动杆op的末端p沿着弧线pp′p″p″移动，这样一来，当一根杆的末端到达P″时，另一根杆的末端也会到达p″。通过这种安排，在两根杆同时向上或向下移动、在它们活动范围所限定的圆形弧线上运动时，连接它们的连接杆的末端会向相反方向偏离垂直线AB。在活动范围的极限情况下，连接杆的末端始终位于直线AB上；但在所有中间位置，连接杆的下端会位于AB的右侧，上端则位于AB的左侧。就连接杆下端的偏移而言，构成该部分的物质会转移到AB的右侧；就上端而言，构成它的物质则会转移到AB的左侧。由于连接杆两端相对于垂直线的这种相反方向的偏移，可以预期在连接杆的中间会存在一个点，在那里这两种相反的偏移会相互抵消，因此该点既不会向右偏移也不会向左偏移，而是会在垂直线AB上上下移动。这就是平行运动原理；实际上，只要杠杆OP和op的角度偏移不超过某个限度，连接杆的中间点就会在垂直线AB上精确地移动，而在实际应用中，这一限度是可以被控制的。为了更详细地描述连接杆中间点的运动轨迹，设PP′P″P″为杠杆OP的四个位置，pp′p″p″则为杠杆op的四个对应位置。在OP和op处于这些位置时，连接杆……

该连杆将处于Pp位置，此时整个连杆为垂直状态，其中点x也会位于直线AB上。当其中一根杆处于OP′位置时，另一根杆则处于op′位置，而连杆则处于P′p′位置。此时连杆的中点位于x′处，而x′也在直线AB上。因此，连杆P′x′的一半会在直线AB的左侧，另一半p′x′则在直线AB的右侧；每半连杆偏离垂直线的程度方向相反。同样地，当其中一根杆处于OP″位置时，另一根杆则处于op″位置，连杆则处于P″p″位置。此时连杆的中点位于x″处，也在直线AB上；与之前一样，连杆P″x″的一半会偏向直线AB的左侧，另一半p″x″则会偏向右侧。最后，当其中一根杆处于最低位置OP″时，另一根杆则处于相应的op″位置。此时连杆P″p″的方向将与垂直线重合，其中点x″也位于该直线上。此前杆端向左右两侧的偏移现象现已消失，杆的所有部分都处于垂直状态。由此可见，通过这种方式，让像P或p这样的点在圆形轨迹上上下移动，就可以使另一个点x在直线上上下移动。

(120.) 尽管让气泵杆保持完全垂直的状态并非像蒸汽活塞那样必不可少，[Pg199]而且由于气泵活塞总是在其自身重量以及杆的重量作用下下降，因此无需通过前述那种装置来连接气泵活塞杆与横梁。不过，瓦特通过对上述机械装置稍加改进，还是实现了这一目标。

一种能够同时保持两根活塞杆做真正直线运动的办法。

图37。

假设图36中由OP表示的杠杆被延长至其长度的两倍，如图37所示，这样OP′的长度就会是OP的两倍。让点PP之间通过连杆相连，如同之前一样。再在点P′处连接一根与PP长度相等的连杆P′x′，并且让这根连杆的末端x′通过位于x′和p处的支点，与点p通过另一根长度与PP′相等的连杆相连，这样一来，PP′x′p这个结构就构成了一个可变形的平行四边形，其各个角度会随着OP和OP′杆的位置变化而改变大小。因此，当OP杆下降时，平行四边形在P点和x′处的角度会变小，而在P′点和p处的角度则会变大。现在，假设从O点向x′点画一条线，显然这条线会穿过PP连杆的中点，因为三角形OPx在所有方面都与更大的三角形OP′x′相似，只不过比例仅为后者的一半，所以一个三角形的每条边长度都是另一个三角形对应边的二分之一。因此，Px的长度是P′x′的一半；而P′x′的长度则是……

等于Pp，因此px是Pp的一半，也就是说，x是Pp的中点。
已经证明，在op、OP两杆上下往复运动时，点x会沿着一条真正的垂直线向上或向下移动。由于三角形OPx在所有方面都与OP′x′相似，并且在两杆上下运动的过程中也遵循相同的运动规律，因此显然点x′也会进行与点x类似的运动，只不过它移动的距离会是点x的两倍。实际上，这种机械原理与普通的摇臂机构非常相似——两个杆通过某种方式连接在一起，一个杆的运动决定了另一个杆的运动，这样一来，一个杆所描绘出的任何线条或图形，另一个杆也会描绘出类似的线条或图形。既然点x是沿着垂直直线上下移动的，那么点x′也会沿着长度为两倍的垂直直线移动。
如果能够将此处描述的这种机械结构与蒸汽机的横梁相连，使得点x′固定在蒸汽活塞的顶部，且其上下移动的距离等于该活塞的冲程长度；同时点x固定在气泵活塞的杆上，而气泵活塞的冲程长度则是蒸汽活塞的一半，那么点x′和点x就能引导两个活塞的运动，使其始终保持在垂直直线上。
将这些理念付诸实践的方法其实很简单：设点O为大工作梁的中心，OP′为位于蒸汽缸一侧的梁臂。在梁的中心O与末端P′之间的中点处设置一个支点P；再按照之前的描述，将Pp、P′x′和Pp这些部件连接起来。将点o或支点固定在发动机或机房的固定框架上，然后将长度为梁臂一半的杆op通过支点固定在[pG201]p处的平行四边形角上。再将蒸汽活塞杆的末端固定在平行四边形的x′角上，而气泵的末端则……

该装置连接在连杆PP的中间点X上；通过这样的设计，两个活塞杆的直线运动便能与梁上点P′和P的交替圆周运动相协调。在瓦特那卓越的创造力所创造的众多机械发明中，没有哪一种能像“平行运动”装置那样赢得如此普遍、如此毫无保留且当之无愧的赞誉。即便是对机械结构不熟悉的人，看到蒸汽机的横梁通过“平行运动”装置来驱动活塞时，也会因这种看似毫无关联的方式竟能实现预期目标而感到由衷的愉悦。当那些首次目睹这一精妙机械装置运作的人将这种感受告诉瓦特本人时，他以一贯的活泼态度表示，自己初次看到自己的发明实际运转时，也因它的精确性与规律性而感到同样的惊喜与愉悦。他说，自己从中获得的乐趣，就如同初次见到他人成功发明时的那种喜悦一样。“在构成蒸汽机的各个部件中，”阿拉戈先生说，“你肯定注意到了某种带关节的平行四边形结构。每当活塞上下移动时，它的各个角度就会开合，那种优雅的动势——我几乎想说那种灵动的姿态——就像优秀演员的动作一样令人着迷。如果你仔细观察它不断变化的形态，就会发现它们遵循着极为有趣的几何规律：在这个带关节的平行四边形的四个角中，有三个角会形成圆形弧线，而那个连接活塞杆的第四个角则几乎沿直线移动。这一成果的巨大实用性，甚至比瓦特实现它的简单方法更令机械师们惊叹。” “平行运动”装置还有多种变体，不过它们通常都基于相同的原理。1784年，瓦特获得了包含这一装置的专利，而他的另一项专利则是关于用于推动马车的机车发动机。

在同一年10月22日写给斯米顿先生的信中，瓦特写道：“我最近发明了几种方法，可以完全去掉蒸汽机大杠杆上的所有链条和环形拱架，同时仍能让活塞杆垂直上下移动，无需任何滑动装置或直线导轨，只需通过以中心点为支点的各种运动组合即可实现。此外，这种装置无论是用于向上推动还是向下拉动都同样有效，因此也适用于那些在活塞上下运动时都需要发挥作用的双作用式蒸汽机。我们工厂里正在使用的这种新型旋转式蒸汽机效果非常好（不过很快就要被送走了）。为这类双作用式蒸汽机设计合适的传动装置需要耗费大量心思，但我最终还是通过将圆形阀门置于倒置位置的方式解决了这个问题——这些阀门会在蒸汽的作用下打开，而由传动装置将其保持关闭状态。我们已经在伦敦东史密斯菲尔德的古德温公司酿酒厂安装了一台这样的蒸汽机。”

(121.)

通过上述装置，活塞在上下运动时产生的力可以被传递到梁的驱动端；瓦特接下来要解决的难题，就是如何利用梁的驱动端在上下运动时产生的力来产生持续的旋转运动。起初，他打算通过在需要实现旋转的轴上安装曲柄，并用一根连杆将其与梁的驱动端相连，以此来实现这一目标。设K点（见图38）为需要接受运动的中心点，而梁的驱动端H则负责向该中心点传递运动。在轴K上固定一根短杠杆KI，当KI绕着中心点K转动时，轴也会随之转动。再让一根铁棒与梁的驱动端H以及杠杆KI的另一端I相连，该铁棒的重量应与梁另一端处的活塞及活塞杆的重量相平衡。随着端点H的……

横梁上下移动时，杠杆KI会围绕中心点K旋转，依次处于图中虚线所示的位置；这样一来，轴K就会持续旋转。正如前文所述，瓦特放弃了这种通过曲柄实现持续旋转运动的简单而有效的办法，因为有人窃取了他的实验数据并据此获得了专利。为了避免诉讼，他便用之前介绍过的太阳轮和行星轮来替代曲柄；但当限制曲柄使用的专利到期后，瓦特的发动机中就不再使用太阳轮和行星轮，曲柄又重新被采用。

(122.) 图38。

无论使用曲柄还是太阳轮和行星轮，要维持稳定的旋转运动仍然存在困难。在曲柄和连杆完成一次完整旋转过程中所处的各种位置中，有两种情况下，动力完全无法推动曲柄转动。这两种情况分别是活塞位于气缸顶部和底部、即将改变运动方向时。当活塞位于气缸底部时，连接杆HI的支点I（见图38）……

它固定在曲柄的末端，正好位于曲柄的轴K正上方，以及连接连杆上端与横梁的支点H下方。实际上，在这种位置下，连杆与曲柄处于同一直线上，从横梁的末端一直延伸到曲柄的轴上。当蒸汽进入活塞下方的汽缸并将其向上推时，就会在H点对连杆产生向下的力，该力会沿着连杆和曲柄传递到轴K上。显然，这样的力不会使曲柄旋转，而只会将全部能量用于向下压紧轴K。

另一种情况下，动力无法对曲柄产生作用，那就是当活塞处于汽缸顶部时。此时，横梁的工作端会处于其最低位置，而曲柄销I则正好位于轴K的正下方，因此K就处于H与I之间。当蒸汽作用于活塞顶部时，它会将力量用于将连杆的H端向上拉，这样一来曲柄销I也会被向上拉。显然，这种力也无法使曲柄旋转，而只会将全部能量用于对轴K施加向上的拉力。

如果曲柄在上述两种位置中完全静止，那么显然蒸汽就无法让发动机运转起来；但如果发动机之前已经在运转，那么构成曲柄的物质以及曲柄所连接的轴由于已经有了旋转运动，就会试图保持其所获得的动量，而这种趋势足以使曲柄K I脱离上述那些临界位置。一旦脱离了这些死点，无论连杆与曲柄之间形成的角度是钝角还是锐角，作用在连杆上的压力或拉力都会使曲柄开始旋转。不过，随着曲柄的转动，连杆对其的影响会随着两者之间角度的变化而变化。当两者的角度为直角时，连杆对曲柄的作用力最大，因为此时作用在曲柄上的力能够充分利用整个力的作用效果。

曲柄的杠杆作用力会随着曲柄与连杆在旋转过程中所形成的角度变化而改变——当该角度为锐角或钝角时，连杆对曲柄的作用力也会随之变化。在之前所述的两个死点位置，连杆的作用力为零；而在两者呈直角的位置，则作用力达到最大值。由于这种杠杆作用力的变化，蒸汽驱动连杆所产生的力会被传递到曲柄旋转所在的轴上，因此曲柄的运动速度也会相应地发生变化。在死点位置，速度最低，因为此时曲柄和轴的转动完全依赖于原有的动量；而当曲柄对连杆的作用力最大时，速度则逐渐增加并达到最高值。尽管这种速度变化不会影响机器的实际机械效率，而且相同量的蒸汽在不同速度下也能完成与速度恒定时的相同工作量，但这种速度变化并不符合人们希望将蒸汽机用于工业生产时的需求——因为在工业应用中，需要为主轴提供均匀、稳定的运动。

(123.)

为了实现这一目标，瓦特提出的一种方法是在同一根轴上安装两个处于不同位置的曲柄，让它们分别由不同的气缸驱动，这样当一个曲柄处于死点位置时，另一个曲柄则处于最有利于其工作的状态。正如我们将会看到的，这一方法后来确实被应用在了蒸汽机上；不过还有一种更简单且更有效的办法，那就是使用飞轮。在由曲柄驱动的主轴上，瓦特安装了一个大型金属轮，如图43所示，这就是所谓的飞轮。只要这个飞轮的构造合理且在其轴上的平衡状态良好，它就会受到很小的摩擦阻力；因此，任何作用力都会被它保留下来，并随时可以传递给其他部件。

一旦主轴不再受到动力驱动，它就会停止转动。因此，当曲柄处于动力作用最有效的位置时，部分动力能量会被用于提升构成飞轮的物质的运动速度。而当曲柄接近死点时，动力对主轴及曲柄的作用力会逐渐减弱，最终在这些点上完全消失。此时，赋予飞轮的动量开始发挥作用，推动主轴和曲柄以几乎与曲柄处于最佳受力位置时的速度相同的速度继续运转。

通过这种机制，主轴从蒸汽活塞那里获得的旋转运动仅会因飞轮巨大质量带来的动量变化而有所波动，而这足以让曲柄在每次旋转中两次摆脱因其特殊结构而产生的机械困境；通过为飞轮赋予适当的重量和尺寸，还可以将这种速度变化控制在最小程度。

(124.)

只要发动机的动力始终与其所驱动的负载成正比，那么主轴K所获得的运动就会保持均匀。但在蒸汽机被广泛应用于工业生产时，显然任何一台机器所面临的阻力都会发生变化。例如，如果发动机驱动一家棉纺厂，它就必须为工厂内的所有纺纱机提供动力。这些纺纱机中有一台或多台可能会暂时停止运转，这样一来，发动机的动力所承受的阻力也会相应减少。如果在这种情况下发动机的能量保持不变，那么各机器的运转速度就会发生变化：当通常由该发动机驱动的某些机器停止运转时，速度会上升；而当有更多机器开始运转时，速度则會下降。

最终，其速度几乎与所驱动的负载成反比变化：负载越小，速度越高；反之亦然。另一方面，假设发动机所驱动的负载量保持不变，且必须持续驱动相同数量的各类机器，那么主轴所获得的运动速度仍会因驱动动力中的不可避免的变化而有所波动。由于发动机的活塞始终面临恒定的阻力，只有保持驱动动力的稳定性，才能使其实现匀速运动。这就要求锅炉能够持续提供稳定的蒸汽，进而要求锅炉内的蒸发速率也保持稳定；除非在蒸汽从锅炉进入气缸的路径上设置装置，以防止锅炉中产生的多余蒸汽进入气缸。后来人们发明了一种被称为节流阀的装置来实现这一目的。在图39和图40中，一根AB轴被放置在蒸汽管道上，该轴位于厚度适中的铸铁环DE之中。在这根轴上固定着一块圆形薄板T，其直径与蒸汽管道大致相同。在图39中，该轴的外端B上装有一个短杠杆或手柄BC，通过它可以转动轴。当圆形板T转到与管道长度垂直的位置时，它会完全阻断管道内的通道，从而使蒸汽无法从锅炉流向发动机。而当手柄从该位置再转动四分之一圈时，圆形板T的平面就会与管道的长度方向一致，此时它的边缘就会朝向从锅炉流向气缸的蒸汽流。在这种状态下，管道内的通道就不会被节流阀阻挡。在图39和图40所示的中间位置，管道的通道会处于不同程度的开放状态，这样锅炉中的蒸汽就可以流入发动机中。

根据杠杆BC所处的位置，可以以任意受控的量向气缸内输送蒸汽。图40展示了从蒸汽管道横截面看去的节流阀结构，而图39则显示了沿蒸汽管道轴线方向的截面结构。该阀门的构造使得：只要其制造精确，从锅炉流出的蒸汽便无法通过压力改变阀门的任何位置；即便存在微小的制造误差导致蒸汽试图改变阀门位置，阀门与其轴之间的摩擦力也能轻易抵消这种影响，而且该轴的开口大小也可以随意调节。

尽管如此，虽然锅炉中的水蒸发量会在一定范围内波动，但输送到气缸的蒸汽量仍能保持稳定均匀。如果锅炉产生的蒸汽量超过驱动发动机及其负载以所需速度运转所需的量，那么就会调整节流阀，缩小蒸汽通道，从而限制蒸汽的供应量；反之，如果锅炉中的蒸发过程变缓，就会将节流阀的边缘调整得更朝向蒸汽方向。此外，即使与锅炉无关，如果发动机的负载减轻，同样的蒸汽供应量也会使发动机转速过快。在这种情况下，同样可以通过部分关闭节流阀来限制蒸汽供应量，从而控制发动机转速；而如果发动机负载增加，需要更多的蒸汽供应，那么只需打开节流阀即可满足需求。通过这些方法，只要操作人员能够妥善控制杠杆BC，并且确保锅炉内的燃烧始终处于足够活跃的状态，以在节流阀完全打开的情况下提供维持稳定转速所需的最大蒸汽量，就能实现稳定的运动状态。

(125.)

不过，瓦特很快意识到，以当时负责操作发动机的人员所能具备的注意力与技能水平，要正确操控杠杆BC是不可能的。因此，他……

为达到这一目的，人们设计出了一种精巧的机械装置。这种装置原本用于调节磨坊的运转，后来便以“调速器”之名广为人知，而且一直备受赞誉。调速器是一种能够控制飞轮轴的装置，通过它来调节节流阀的位置：一旦飞轮轴的转速开始上升，调速器就会改变节流阀的位置，从而限制来自锅炉的蒸汽供应，进而抑制转速的进一步上升。而当飞轮轴的转速下降时，杠杆BC会向相反方向移动，从而使蒸汽通道更加畅通，进而加速发动机的运转。

一个带有凹槽的小轮子AB（见图41）被安装在由支点C和D支撑的垂直轴上，该轮子可以围绕这些支点旋转。一根环形绳索在AB的凹槽中移动，然后通过相应的滑轮传递到飞轮轴上，在那里也在凹槽中移动。当这根绳索被适当拉紧后，飞轮的转动就会带动轮子AB转动，因此轮子AB的转速会随飞轮转速的变化而变化。通过这种方式，轮子AB的转速就可以被视为飞轮以及由其轴驱动的整个机械设备的转速。

图41。显然，用带齿的轮子替代有槽的轮子A B也能达到同样的效果；该带齿轮子可以通过其他带齿轮子以及适当的轴与飞轮的轴相连。在垂直主轴上装有一个环或套圈E，它能够上下自由移动。这两个短杠杆EF通过枢轴与这个环相连，E处的枢轴使得这些杠杆可以围绕其转动。在F处，这些杠杆又通过枢轴与其他杠杆FG相连，这两根杠杆在H点相交，一根轴或销穿过该点并将它们与垂直主轴CD连接起来。不过，这些相互交叉的杠杆仍可以围绕H处的轴或销转动。在这些杠杆的末端G上装有两个沉重的金属球I。杠杆FG穿过固定在垂直主轴上的金属拱架中的缝隙，从而能够围绕该拱架旋转。如果将金属球I向外拉离垂直轴，那么杠杆的末端F就会向下移动，进而导致枢轴E也向下移动。实际上，角EFH会变得更为锐利，而角FEF则会变得更钝。通过这种方式，滑动环E就会向下移动。在这个滑动环E的上方，还装有一个有槽的套圈，它可以在垂直主轴上向上滑动。

随着环E向下移动，叉子K的尖端会被插入到该环的凹槽中。叉子K位于杠杆KL的末端，而杠杆的支点则位于L处。通过这种结构，当球体I的移动导致环E向下移动时，嵌入在环凹槽中的叉子K也会随之向下移动；反之，当球体I向垂直轴方向移动，使得环E向上移动时，叉子K也会随之上升。叉子K的上下移动必然会在杠杆的另一端N产生相反的运动。这一端通过一根杆或一组杆与控制节流阀T的短杠杆的末端M相连。这样一来，球体I向垂直轴靠近或远离的动作就会使节流阀产生相应的动作；而且，球体I的移动方式决定了节流阀是关闭还是打开——球体I分开时节流阀会关闭，而它们向垂直轴移动时则会使节流阀打开。了解了这些结构之后，假设由于发动机所承受的负荷减小或锅炉的效率提高，机器的速度有上升的趋势。这将使带凹槽的轮子AB以更快的速度旋转，进而让球体I以更快的速度转动。球体I运动时产生的离心力会使其试图远离轴心。根据前述原理，这会导致节流阀T部分关闭，从而减少从锅炉流向气缸的蒸汽量，进而降低发动机的动力。这样就能避免速度过度上升。另一方面，如果由于负荷增加或锅炉效率下降，机器的速度降低，那么带凹槽的轮子AB的转速也会相应下降。这会导致球体I以较慢的速度旋转，其圆周运动所产生的离心力也会减弱。由于这种力再也无法完全抵消球体I的重力，它们就会向轴心坠落，进而导致节流阀关闭，正如之前所解释的那样。

节流阀应被进一步打开。这样就能为气缸提供更充足的蒸汽，从而使机器的转速恢复到正常水平。

图42。

（126页）

使得调速器能够如此完美地调节机器转速的原理，若不借助数学物理学中的专业术语，是很难解释清楚的。[Pg212] 然而，由于这种装置具有极其重要的实际意义，并且广受人们赞誉，因此在此尝试阐明其工作原理或许是有意义的。设S（见图42）为普通摆锤SP的悬挂点，POP′为其振动轨迹的弧线，这样摆球P就会在最低点O的东侧和西侧之间，通过OP′和OP这两条弧线来回摆动。这类装置的特性在于：只要其振动轨迹的弧线长度不是特别大，那么无论弧线长短，其振动时间都是一样的。例如，如果摆锤不在PP′这条弧线上振动，而是在pp′这条弧线上振动，它的振动时间依然不变。不过，如果振动轨迹的弧线长度较大……

如果振动幅度增大，那么其振动时间也会发生变化；但除非振动幅度大幅增加，否则这种变化不会很显著。现在假设，当摆PP′继续在PP′所构成的弧线上做东西方向的振动时，它会受到来自南北方向的冲击力，而如果它之前没有处于振动状态的话，这种冲击力会使其开始在类似PP′弧线的南北方向上振动。这种新的南北方向振动并不会妨碍它继续做东西方向的振动，不过球P会同时受到这两种振动的影响。由于东西方向的振动，球会从P摆动到P′；而由于另一种振动，它的运动还会向北方延伸，达到与WE线相距半个振动幅度的位置，然后再回到P′的位置。从P′返回P的过程中，它的第二次振动会使其向南方移动到与WE线相距相同距离的位置，之后又会回到P的位置。如果仔细分析这两种运动的组合，就会发现球的实际运动轨迹是圆形的，这与前面所描述的调速器中球的运动轨迹完全相似。至于摆SP在东西方向上的振动时间，它不会受到所谓来自南北方向的振动的任何影响，因此，无论它是否同时受到南北方向的振动，它从P到P′再从P′回到P所需的时间都是一样的。由此可见，如果让这个摆以普通摆的方式振动，而不是做圆周运动，那么它的旋转周期将与相同摆做类似振动时的周期相等。只要理解了这一点，并且记住普通摆的振动时间无论振动幅度大小如何都保持不变，就很容易明白：无论是做大圆周运动还是小圆周运动，这个旋转摆或调速器的旋转周期几乎都是相同的。换句话说，无论那些球……

这些球体以或近或远的距离绕中心轴旋转。不过，这一说法仅是近似值而已。在调速器中，球体之间的散开角度通常很大，因此，处于不同距离处的球体旋转周期会存在一定差异，但这种差异非常小。[第214页]

离心力（在力学中，指的是使物体作圆周运动时偏离中心的那种力）取决于物体的旋转速度以及该物体到圆心的距离。如果旋转速度保持不变，那么离心力就会与物体到圆心的距离成正比增加。而如果物体到圆心的距离保持不变，那么离心力则会随着振动周期的平方的减小而成正比增加，换句话说，就是与每分钟旋转次数的平方成正比增加。由此可见，调速器中球体的散开角度越大、旋转速度越快，其离心力也就越大。如果这种离心力没有得到平衡，那么球体就会持续地远离中心；但由于装置的构造关系，球体离中心越远，重力对离心力的抵消作用就越大。

显然，位于P点的球体由于受到指向O点的重力作用，其向O点坠落的趋势会比位于p点的球体更大，因为P点处通往O点的弧线倾斜度更大。因此，P点处的球体抵抗离心力的能力更强。球体在P点位置时所受的离心力大于在p点位置时的离心力，这部分是由于球体到中心轴的距离更远，另一部分则是由于其运动速度更快。不过，显然在两个位置上，球体的旋转周期可能相同或几乎相同。如果发现球体在P点的实际旋转速度确实比在p点时更快，那么这一差异也与……成正比。

当它们在一定的轨道上旋转时，显然，P需要行驶的距离越长，旋转时间就会越长；而由于行驶速度更快，旋转时间又会相应缩短。因此，在这两种情况下，旋转时间可能保持不变，或者几乎不变。

如果理解了这一原理，将其应用到调速器的实际工作中就不会有困难。如果驱动力的能量突然增加，或者负载减少，导致机器的速度上升，那么调速器中的球体就会因为速度加快而产生更大的离心力，这种离心力暂时会大于球体受重力作用而向垂直轴坠落的趋势。因此，在离心力的作用下，球体会远离轴心；但随着它们远离轴心，如前所述，它们受到的重力会逐渐增大，最终会与因速度增加而产生的离心力相等——当然，前提是速度没有超过某个限度。当球体因偏离轴心而产生的重力足以抵消离心力时，它们就会继续以恒定的距离绕垂直轴旋转。此时，它们的旋转时间应该与偏离轴心之前几乎相同；换句话说，通过调速器杠杆对节流阀的作用，动力与负载的比例会恢复到原来的状态，从而使机器以原来的速度或接近原来的速度运转。

正如刚才所解释的，调速器发挥作用的前提就是速度会出现暂时的紊乱。实际上，严格来说，调速器并不是维持恒定速度，而是在速度出现紊乱后使其恢复到正常状态。当发动机的运动状态发生突然变化时，调速器会立即受到影响，从而导致节流阀发生相应的变化。这种变化不仅能够纠正运动状态的异常，反而还会造成另一种类型的速度紊乱。例如，如果速度突然升高到过高的水平，调速器会首先过度关闭节流阀，从而使速度降至正常范围以下。而这种第二次错误又会以相反的方式影响调速器，进而……

转速[Pg216]又会再次被提升得过高。这样一来，就会不断出现各种波动，直到调速器找到能够使发动机保持适当转速的位置为止。为避免这种过度波动带来的不便，调速器会以极其精确的方式控制节流阀，即便球体之间的间隙发生较大变化，也不会导致节流阀的开度出现过大波动：锅炉中的蒸汽压力应至少比气缸所需压力高出2磅/平方英寸。这样的压力差是必要的，这样才能让节流阀有足够的空间来调节发动机功率的微小变化。

通常情况下，调速器会被设定为在匀速运转时每分钟转动36圈；但如果转速上升至每分钟39圈，球体就会移动到其允许的最大位置——这一位置是由球体杆子所处轨道的限制决定的；而如果转速下降到每分钟34圈，球体则会移动到其允许的最小位置。因此，调速器的职责就是纠正那些较小的速度偏差；但如果机器所承受的负荷或来自锅炉的动力发生较大变化，那么就必须对调速器与节流阀之间的连接方式进行相应调整，以便调速器能够应对发动机转速可能出现的那些较小变化。

(127.)

在介绍了瓦特为维持和调节其双作用蒸汽机所产生的旋转运动而设计的主要机械装置之后，现在让我们从整体上来看待这台机器，并研究它的运作过程。图43展示了该发动机的一个截面结构。

图43。

蒸汽通过蒸汽管S从锅炉输送到汽缸中。位于汽缸附近的节流阀T由与调速器相连的杠杆系统来控制。如单作用发动机中所描述的那样，活塞P通过填料紧密地安装在蒸汽缸C内。当活塞移动时，它会将汽缸分成两个互不连通的腔室，蒸汽或其他弹性流体无法在两者之间流动。上部的蒸汽箱B被两个阀门分隔成三个腔室。在上部蒸汽阀V的上方有一个与蒸汽管相连的腔室；而在上部排气阀E的下方则还有另一个与蒸汽管相连的腔室。

通往冷凝器的导出管。通过阀门V和E，可以打开或关闭锅炉与冷凝器以及气缸顶部之间的通道。蒸汽管的延伸部分S′通向下方的容器B′，该容器与上方容器一样，也被两个阀门V′和E′分成三个隔间。上方的隔间与蒸汽管相连，从而与锅炉相连；下方的隔间则与导出管相连，从而与冷凝器相连。通过阀门V′和E′，可以打开或关闭蒸汽管与排气管之间以及它们与气缸下部之间的通道。四个阀门V、E、V′和E′通过一套杠杆系统与手柄或扳手m相连，当该手柄上下移动时，就可以按照前述方式同时打开或关闭成对的阀门（116页）。冷凝器、空气泵和热水泵在各方面都与单作用发动机中已描述的那些类似，不同之处在于，冷凝水流是由杠杆I控制的，该杠杆使冷凝水能够在冷凝器中持续流动，并且可以调节通过它的水量。冷水泵N则像单作用发动机中所述那样由发动机驱动，它为空气泵和冷凝器所在的容器供水，从而使这些设备的温度保持在适当水平。在空气泵的杆R上装有两个销子，当活塞接近气缸顶部或底部的行程终点时，这些销子会适时地向上或向下推动扳手m。泵L则将空气泵从冷凝器中抽出的温水输送到合适的储水器中，以便供给锅炉使用。活塞杆的直线运动通过前述的平行运动方式，与横梁末端的圆周运动相协调。横梁上的点b会以横梁轴线为中心，沿着圆形轨迹上下移动。同样地，杆dc上的点d也会以固定支点c为中心，沿着类似的圆形轨迹上下移动。连接这两个支点的杆db会如此移动，使其中间点e几乎沿直线上升或下降，这一点已在前面解释过（120页）；在点e的对面则装有……

空气泵的活塞杆通过这种方式被引导上下移动。由连杆构成的平行四边形b d g f通过枢轴与横梁相连；如前文所述（120页），点g会沿直线上下移动，其移动距离是点e移动距离的两倍。蒸汽活塞的杆则连接在点g上。因此，蒸汽活塞和空气泵的活塞杆都是由同一套连杆系统驱动的，且它们的移动距离之比为2:1。

虽然从图中看，这种实现同步运动的连杆系统似乎只包含一个平行四边形b d g f以及一根称为半径杆的连杆c d，但实际上它是由两个相同的平行四边形和半径杆组成的——另一个平行四边形及半径杆也以相同方式连接在横梁的另一侧；但由于视图的原因，其中一组连杆遮住了另一组。这两组分别连接在横梁相对两侧、相距几英寸处的连杆之间，还存在着交叉连杆，这些交叉连杆的末端构成枢轴或连接点，并延伸到各个平行四边形之间。这些连杆的末端在图中是可见的。空气泵的活塞杆连接在其中一根连杆的中间位置，该连杆的末端标记为e；而蒸汽活塞的杆则连接在另一根连杆的中间位置，该连杆的末端标记为g。因此，这两根活塞杆并非直接由那些实现同步运动的平行四边形驱动，而是由连接在它们之间的连杆所驱动。

在横梁的工作端H上，还连接着一根铸铁制成的连杆O，称为连接杆，其下端通过枢轴与曲柄相连。连接杆的重量经过精心设计，以便能够抵消横梁另一侧空气泵及气缸中活塞杆的重量；而冷水泵N的活塞杆重量则几乎可以抵消热水泵L的活塞杆重量。这样一来，就机械部件的重量而言，整个发动机处于平衡状态，活塞可以在气缸内的任意位置静止不动。

曲柄所在的飞轮轴线，在飞轮与其连接的中间部分是方形的，而在两端则是圆柱形的，这些圆柱形部分则嵌入由支架支撑的承窝或轴承中。

机器的框架中，轴可以自由旋转。曲轴上装有飞轮，而调速器Q则与飞轮的轴相连，它以前述方式调节节流阀T。现在假设发动机处于正常工作状态：此时活塞位于气缸顶部，空气泵杆上的下端销会抬起扳手m，同时上方的蒸汽阀V和下方的排气阀E′会打开，而上方的排气阀E和下方的蒸汽阀V′则关闭。这样，蒸汽就会进入活塞上方，而活塞下方的蒸汽则会被抽送到冷凝器中并转化为水。因此，活塞会在上方蒸汽的压力作用下被推向气缸底部。当活塞接近该位置时，空气泵杆上的上端销会向下推动扳手m，此时阀门V和E′会关闭，而下方的蒸汽阀V′和上方的排气阀E则会打开。这样一来，蒸汽就会进入活塞下方，而活塞上方的蒸汽则会被抽送到冷凝器中并转化为水。因此，活塞下方的蒸汽压力会使其向上移动，如此循环往复。在气缸和冷凝器中发生这一过程的同时，冷凝器中产生的水也会通过空气泵活塞的作用逐渐被抽出，其原理与单作用发动机中的情况相同；与此同时，由空气泵活塞打入热井中的热水则会被热水泵L抽走。以上就是双作用发动机能够持续运转的主要条件。此处只需回顾一下之前关于飞轮作用的说明即可。活塞从气缸顶部或底部开始运动的动力，并非来自蒸汽对其施加的上下方向的压力——由于前述原因，这种压力实际上毫无作用——而是来自飞轮的动量，正是飞轮让曲轴摆脱了那些动力无法起作用的状况。

曲柄的运动方式会影响连杆在死点处的状态，而这一现象对发动机的运转具有极为重要的意义。当曲柄销接近其最低点时，活塞则接近气缸顶部，此时曲柄销的运动几乎呈水平状态，因此它拉动连杆及横梁的工作端向下、同时推动活塞向上的作用力就变得极小。其结果是，随着活塞不断接近气缸顶部，其运动速度会迅速减慢；由于曲柄销在最低点时的运动确实为水平状态，活塞最终会在气缸顶部停止运动。同样地，当曲柄销从死点向上移动时，起初它的运动也几乎呈水平状态，因此它推动横梁工作端向上、同时推动活塞向下的作用力也很小，但随后这种作用力会逐渐增大。这样一来，活塞在到达或离开行程顶部时都会以非常缓慢的速度移动，并最终在该位置完全停止。

当活塞到达气缸底部时也会出现同样的现象。活塞在行程结束时运动速度的减慢和暂停，为冷凝过程提供了时间，这样当蒸汽对活塞的推力开始起作用时，冷凝已经基本完成。随着活塞接近气缸顶部且运动速度变慢，工作装置会打开下方的排气阀；位于活塞下方的气缸内的蒸汽——正是这些蒸汽刚刚推动了活塞向上运动——会以每平方英寸17磅的弹性力作用于气缸内部的各个部位，而冷凝器中的未冷凝蒸汽则仅以每平方英寸约2磅的力施加压力。因此，在活塞停留在气缸顶部的过程中，蒸汽会试图通过打开的排气阀从气缸流向冷凝器，其压力差约为每平方英寸15磅。这一过程会持续进行，直到活塞因飞轮的作用而下降到足够远的距离，使得蒸汽的推力能够再次发挥作用，进而实现排气。

此时整个过程将会完成，气缸内未冷凝蒸汽的压力将与冷凝器中的压力相同。不同发动机中，气缸内的蒸汽压力以及冷凝器内未冷凝蒸汽的压力会在一定范围内有所差异，因此此处给出的数值仅作为参考。用于让蒸汽从气缸流向冷凝器的阀门尺寸应足以确保蒸汽能在足够短的时间内被冷凝，即在推动活塞的蒸汽开始作用时冷凝过程就已完成。瓦特在设计其发动机时，将排气阀的直径设定为气缸直径的五分之一，这样一来，蒸汽排出的实际通道面积仅为气缸直径的二十五分之一；不过阀杆的尺寸又进一步缩小了这一数值，使得蒸汽排出的空间不超过气缸直径的二十七分之一。这样的设计能够实现较为快速的冷凝效果。通常情况下，蒸汽阀的尺寸会与排气阀相同，但蒸汽通过前者时会受到节流阀的阻碍，而通过后者时则没有此类障碍。不过，气缸需要通过冷凝器快速排出蒸汽的速度，实际上取决于活塞在其中的运动速度。因此，对于那些以较低速度运转的发动机来说，足够的排气阀尺寸可能就不够了，而对于需要高速运转的发动机而言，则需要更大的排气阀尺寸。在单作用蒸汽机中，由于动力始终向下作用于活塞，因此将活塞的动力传递到工作部件的所有连接点所承受的压力方向始终一致。无论这些连接点是通过何种机械结构相连的，无论连接它们的销轴安装得有多松散，它们都必须始终与各自的插座保持接触。不过，出于同样的原因，曲轴头部和链条也会……

人们放弃了用链条来连接蒸汽活塞与横梁的做法，转而采用平行运动结构。在双作用发动机中，由于所有连接点都需要交替地朝相反方向运动，因此必须将连接销精确地安装到相应的插座中，同时也要摒弃一切依靠链条进行连接的方案。如果连接处存在任何松动现象，那么每当活塞运动方向改变时就会产生剧烈的冲击力。无论是工作横梁、连杆还是曲轴的枢轴或连接点出现松动，都会在每次冲程变化时逐渐累积，从而对机械造成冲击效应，进而带来机械部件断裂的危险。

为确保连接处的精确性，瓦特设计了一种机制：发动机中的每一个连接点都配有尺寸恰好与连接销相配的插座，这样即便因磨损而出现松动，插座也能紧紧包裹住连接销，从而避免松动现象。为此，所有的连接点都配备了由黄铜或枪金属制成的可调节插座。每个插座由两块部件组成，它们精确地嵌入凹槽中，通过楔子或螺丝可以将其中一块黄铜部件向另一块移动。每块黄铜部件上都有一个半圆柱形腔体，这两个相对的腔体共同构成了用于容纳连接销的插座。其中一块黄铜部件可以始终被拧紧，从而将连接销紧紧夹在两个半圆柱形腔体之间，防止出现任何松动。这种连接结构的黄铜部件及其他相关组件如图44所示。至今，这类连接结构仍被用于现代发动机中。

如果整个装置能够以极高的精度制造出来，那么工作杆及其所驱动的泵杆以及连接杆的运动都应发生在同一垂直平面或平行的垂直平面内；但要做到这一点，需要极高的制造精度，而在这类发动机最初的制造阶段是难以实现的，即便后来有了各种改进，也仍难以达到这一标准。在结构细节方面，瓦特发现，由于不同运动方向的平面并非完全垂直且彼此也不完全平行，因此会产生侧向应力；如果不采取措施来应对这种侧向运动，机械装置的关节就会持续承受压力，从而导致快速磨损。为了解决这个问题，他设计出了将大工作杠杆与活塞及连接杆相连的接头结构，使其成为万向接头，从而实现横向和纵向的自由运动。

所谓“大杠杆”或“工作杆”，是因为它最初是由橡木制成的；不过现在则普遍采用铸铁制成。连接杆同样由铸铁制成，通过轴或枢轴与工作杆及曲柄相连。

用于控制四个阀门开闭的机制在不同发动机中存在很大差异。上文提到的是通过一个杠杆同时控制这些阀门的开闭；不过有时也会通过两个独立的杠杆来交替控制成对的阀门，这两个杠杆由连接在气泵杆上的两个销子驱动。其中一个销子会推动杠杆，从而打开和关闭上方的蒸汽阀以及下方的排气阀；另一个销子则负责打开和关闭下方的蒸汽阀以及上方的排气阀。

自从博尔顿和瓦特发明了早期的双作用发动机之后，人们便发明了多种不同的机械装置来控制阀门的开闭，从而让蒸汽能够进入或离开气缸。这里我们将介绍其中几种方法：——

(128.)

在几乎所有的现代双作用机械中，那种通过气泵杆上的销子来驱动与阀门相连的杠杆来控制阀门开闭的方法，已被一种称为“偏心轮”的装置所取代。这种装置利用飞轮轴的转动，在适当的时间开启和关闭阀门。

图45.

偏心轮是一种固定在旋转轴上的金属圆盘，其圆心并不与旋转轴的旋转中心重合。假设图45中的G是一根方形旋转轴。再取一块金属圆板BD，其圆心为C，圆板上有一个与轴G相对应的方形孔，轴G则穿过这个方形孔，这样圆板BD就能固定在轴上，并随着轴的转动而一起旋转。圆板BD的圆心C会围绕旋转轴的圆心G做圆周运动，该圆的半径即为圆板圆心C到轴心的距离。像这样安装在轴上并随轴一起旋转的圆板，就是偏心轮。

设EF为一个金属环，它由两个半圆形金属片在H点处拧合而成。通过调节螺丝，可以使得该环所形成的圆形开口在一定的较小范围内扩大或缩小。假设这个圆形开口的尺寸等于偏心体BD的尺寸。在金属环EF上连接一根臂LM。如果将金属环EF套在偏心体BD周围，并且适当调节螺丝H，使得偏心体BD能够在环内旋转，那么当偏心体旋转时，由于金属环并不随之旋转，因此臂LM会随着偏心体中心C绕轴心G旋转而交替地向右和向左移动。当偏心体中心C与轴心G处于同一水平线上且位于其左侧时，LM的位置如图45所示；而当主轴旋转半圈后，偏心体中心C移到轴心G的另一侧时，点M则会移动到右侧，距离为CG距离的两倍。因此，随着偏心体BD在金属环EF内旋转，该环以及臂LM会交替地向右和向左移动，移动的距离相当于偏心体中心与旋转轴心之间距离的两倍。

如果我们假设在臂LM的末端设有一个凹槽，该凹槽能够容纳一个可在N点处绕支点转动的杠杆NM，那么偏心体的旋转就会使该杠杆交替地从右向左移动，反之亦然。如果我们再假设另一根与NM垂直连接的杠杆NO，形成所谓的曲柄结构，那么M从右向左的交替运动就会使杠杆NO的末端O产生相应的上下运动。如果将末端O连接到一根垂直的臂或轴上，那么这根臂或轴就会产生上下交替的运动，其运动幅度则由各杠杆的长度决定。

通过这样的装置，飞轮轴的旋转就能使靠近气缸的垂直轴产生任意幅度要求的上下运动，而该垂直轴又可以与阀门相连，从而实现相应的控制功能。

打开和关闭它们。由于这个垂直轴的上下运动是由中心点C围绕中心点G向右或向左移动所控制的，因此通过调整飞轮轴上的偏心装置，就可以在飞轮和曲柄的任意所需位置处打开或关闭阀门，进而使活塞在气缸中的位置也处于任意所需状态。正是通过这种机制，无论阀门的形状如何，现在的双作用蒸汽机几乎都能使用这类阀门。

在介绍了瓦特改进后的蒸汽机的一般结构与工作原理之后，我们现在将更详细地说明其某些结构部件——这些部件的构造各不相同，也经历了不同程度的改进。

关于旋塞与阀门：

(129.) 在蒸汽机中，以及所有依靠流体驱动的机器中，都有必要偶尔打开或关闭那些让流体流动的管道或通道。用于实现这一功能的装置就被称为旋塞或阀门。根据开启方式的不同，旋塞或阀门可分为以下几类：第一类是通过类似盒子盖子绕铰链转动的方式来开启的；第二类则是像锅盖一样直接向上抬起而开启的；第三类则是通过滑动方式开启的，就像窗户的窗扇或沿导轨滑动的盒子盖子那样；第四类则是通过旋转方式开启的，就像啤酒桶的旋塞那样。其中，第一类和第二类更适于被称为阀门；第三类通常被称为滑动阀，而第四类则被称为旋塞。

(130.)

单瓣阀是第一类阀门中最简单的例子。它通常是由一块比阀门需要封闭的孔径更大的金属板，再加上一块皮革制成的；在皮革的下表面则固定着另一块尺寸小于该孔径的金属片。皮革从较大的金属板一侧延伸出来，由于其具有弹性，因此便形成了阀门活动的铰链。这种阀门通常在自身重力的作用下处于关闭状态，而当流体流过时则会被打开。此外，当需要阻止流体回流时，流体的压力也会使阀门更加紧地闭合。蒸汽机中冷凝器与空气泵之间的通道里就有这种阀门的实例——那里的孔道呈一定角度倾斜，这样的设计使得阀门的重量就足以使其闭合。在阀门会暴露在高温环境中的情况下，比如刚才提到的那种持续与从冷凝器流向空气泵的热水接触的情况，就不能使用皮革，此时就需要将阀门的金属表面磨得非常光滑，以便能够与孔道表面紧密贴合。这类阀门的开启程度应当使其所形成的开口大小与它需要封闭的孔径相等，若其上升角度约为30°，则可实现这一要求。而用于让积聚在空气泵底部的空气和水通过活塞的阀门则是双瓣阀，它由两块半圆形金属板组成，这两块板的直径处设有铰链，如图46所示。
图46.
(131.)
在那些通过垂直于阀座方向的移动来开启的阀门中，最简单的一种就是一块扁平的金属板，其尺寸要大于它需要封闭的孔径，同时还要经过打磨处理，以便能够与孔道周围的表面实现密封接触。这种阀门在其垂直运动过程中通常会通过一根穿过其中心的轴来引导，而这根轴则可在位于阀座上下方的横杆上开出的孔中滑动。

前述的圆锥形蒸汽阀（116.），通常被称为轴阀，是这类阀门中最常见的一种。实践表明，圆锥形阀座的最佳倾斜角度为45°。如果倾斜角度过小，阀门容易卡在阀座上；而倾斜角度过大则会导致阀门的顶部在阀体中占据不必要的空间。为了确保蒸汽能够顺畅通过，阀体的横截面积应至少是阀门上表面面积的两倍，同时阀门的活动范围也应足以使其从阀座上升至不低于其上表面直径四分之一的位置。属于这一类的阀门有时会被设计成置于圆锥形阀座上的球体或半球体形式，在这种情况下，它们通常会因自身重量而处于关闭状态，而当流体流过时则会被打开。

(132.)

与其它类型的阀门相比，滑阀的一个优点在于：同一个滑阀就可以用来控制多个通道，因此只需一次动作就能实现相当于两个或更多独立阀门所完成的功能。在大多数现代发动机中，蒸汽进出气缸的过程都是通过各种形式的滑阀来控制的，下面我们将对其中一些滑阀进行说明。

(133.)

图47和图48展示的是利兹市的默里先生所设计的滑阀。A B是一个与气缸侧面相连的、能够防止蒸汽泄漏的壳体；E F是一根杆子，它通过偏心装置或发动机中用于驱动滑阀的其他部件的作用而上下移动。这根杆子穿过填料函，从而带动滑阀G上下运动。S是来自锅炉的蒸汽管的接口；T则是通向冷凝器的管道的接口；H是通往气缸顶部的通道，I则是通往气缸底部的通道。在某种状态下……

如图47所示，来自锅炉的蒸汽通过S通道进入空间H，最终到达汽缸顶部；而来自汽缸底部的蒸汽则通过I通道进入管道T，随后被送往冷凝器。当杆[Pg230]EF被抬升至图48所示的位置时，通道H便与管道T相连，而通道I则与管道S相连。这样一来，蒸汽就会从锅炉经I通道从活塞下方进入，而原本在活塞上方的蒸汽则通过H通道进入T管道，进而被送往冷凝器。因此，单个滑阀G就起到了(116)中描述的四个阀门的功能。

(134.) 图47。

滑阀G的后方始终有全压力的蒸汽，而其前方的蒸汽则流向冷凝器，对滑阀的压力很小。因此，滑阀始终会被迫紧贴着与其接触的表面，从而保持密封状态。实际上，若这些接触面不够大或不够坚固，无法承受摩擦力，那么它们很快就会被磨损。在陆用锅炉中，由于使用的是淡水，滑阀可以用硬化钢制成；而在船用锅炉中，则可用炮铜来制造。在所有这类结构中，由于蒸汽进出活塞的通道距离汽缸的顶部和底部有一段距离，因此会存在蒸汽浪费现象——因为每次活塞运动时所消耗的蒸汽，不仅包括足以填满汽缸容积的蒸汽，还包括填充在滑阀G与汽缸顶部或底部之间的通道中的蒸汽。任何能够将通道H和I置于滑阀G另一侧的布置方式，都能避免这种蒸汽浪费。

也就是说，将S和G之间的连接位置从当前位于G与圆柱体上下两端之间的位置改为其他位置，就能消除这一缺陷。这一目的是通过一个滑动部件来实现的，该部件通常被称为D阀，因为它呈半圆柱形且为中空结构，其横截面看起来就像字母D。目前最常用的就是这种滑动部件，如图49和图50所示。E是用于移动该滑动部件的杆，它穿过填料箱F；GG是以垂直剖面形式表示的滑动部件，a则是贯穿该部件从上到下的通道；S是从锅炉出来的大型蒸汽管的接口；P则是通向冷凝器的管道；TH是滑动部件内部形成的中空空间，该空间始终与蒸汽管S相连，因此始终充满来自锅炉的蒸汽。图51展示了滑动部件与圆柱体的横截面，其中a代表图49中标记为a的通道的顶部。在图49所示的滑动部件位置时，填充在TH空间中的蒸汽可以进入圆柱体的顶部，但无法到达底部。而活塞下方的蒸汽则通过通道a向上流动，最终通过管道P排出到冷凝器中。当活塞下降时，杆E会带动滑动部件向下移动，使其处于图50所示的位置。此时，TH空间中的蒸汽可以进入圆柱体的底部，而活塞上方的蒸汽则通过P排出到冷凝器中。如此一来，活塞的运作就可以持续进行，而且每次冲程中消耗的蒸汽量仅比圆柱体的容量多出足以填满滑动部件与圆柱体之间通道所需的量而已。

在这种结构的滑动部件中，填充在TH空间中的蒸汽会有试图将滑动部件推回的倾向，从而导致接触面失去接触，进而使蒸汽从TH空间泄漏到滑动部件的后部。这一问题可以通过滑动部件后部的填料x来加以解决。

在冲程很长的发动机中，这类滑动部件的接触面面积较大，很难保持它们之间的密封性，也难以确保它们均匀磨损。因此，在这种情况下，就需要使用单独的滑动部件。

同样的原理也适用于圆柱体的顶部和底部，只不过此处是通过一根连接杆来驱动活塞运动的。

（135.）正如我们在这里所描述的那样，在这种滑阀结构中，能够让蒸汽进入圆柱体两端的机制，同时也能让蒸汽从另一端排出。如图49、50所示，这种结构仅适用于那些不会发生膨胀的圆柱体；因为在这样的圆柱体中，蒸汽流向活塞的流动仅在滑阀位置发生变化时短暂中断而已。但如果蒸汽具有膨胀性，那么就需要移动滑阀，以阻止蒸汽流入圆柱体的一端，同时又不妨碍蒸汽从另一端流向冷凝器。因此，滑阀必须能够封闭通向圆柱体一端的通道，但同时又不阻碍从圆柱体另一端通往冷凝器的通道。然而，当活塞到达圆柱体底部时，就必须立即让通向圆柱体下部的通道与蒸汽管相连，而让通向上部的通道与冷凝器相连。这就需要滑阀进行两次运动，同时其长度也需要做一些调整。滑阀的长度应如此设置：当通向圆柱体上部的通道被关闭时，滑阀的下部不会碰到通向圆柱体下部的通道。此外，控制滑阀运动的杆E的驱动机构也应做相应设计，使其在活塞下降过程中能完成两次运动：第一次运动发生在蒸汽供应被切断的时刻，第二次运动则发生在冲程即将结束之前。假设冲程开始时滑阀的位置如图52所示，且要求在冲程的一半时刻切断蒸汽供应。

当活塞运动到行程的一半时，控制滑块的杆会向下移动，从而使滑块进入图53所示的位置。此时，蒸汽管与气缸之间的通道在两端都被封闭；而从气缸底部通往冷凝器的通道则仍然保持畅通。因此在剩余的行程中，气缸内的蒸汽会继续做膨胀功。当活塞接近气缸底部时，控制滑块的杆会再次被驱动，使滑块进入图54所示的位置。此时，蒸汽会在活塞下方流动，而活塞上方的蒸汽则会流向冷凝器。同样地，通过在活塞上升过程中依次对滑块施加两次驱动力，也可以在行程过半时切断蒸汽供应；显然，通过调节这些驱动力施加的时间，就可以让蒸汽在所需的程度上做膨胀功。

图52、53、54。

不难想象，可以通过各种机械装置来调节同一台发动机中蒸汽切断的位置。在活塞运动速度非常快的情况下，比如在机车引擎中，就需要让通往和离开气缸的通道能够迅速打开。不过，用任何现有的方式都很难实现这一点。

这种滑阀仅包含一个开口；但如果不通过单个开口让蒸汽进入气缸，而是将相同大小的开口分散到多个开口上，那么滑阀的移动距离就会相应减少，从而为蒸汽让出通道，进而实现更迅速的开启效果。[第234页]
近年来，由于应用膨胀原理所带来的燃料节省优势，工程师们开始重视这一技术，其在实际应用中也取得了显著改进，尤其是在用于长途航行的船舶发动机上，因为在那里燃料节省显得尤为重要。用于驱动滑阀的机制是可以调节的，因此可以随时改变切断蒸汽的行程点。这样一来，发动机的动力就不是由节流阀来控制的，而是由膨胀原理的应用程度来决定的。在所有情况下，相同压力的蒸汽都会进入气缸，但根据发动机所需输出的功率不同，蒸汽会在不同的行程点被切断。
目前，这一原理已经达到了最完善的程度——调速器与驱动滑阀的机制相连，因此调速器不再作用于节流阀，而是直接作用于滑阀。这样一来，当由于阻力减小而使发动机转速加快时，调速器中的球体会移动，进而改变控制滑阀的凸轮或杠杆的位置，使得蒸汽在更短的行程后就被切断，从而让膨胀原理发挥更大的作用，同时减少每次冲程中进入气缸的蒸汽量。相反，如果机器所受的阻力增大，导致发动机转速下降，那么调速器中的球体会压下杠杆，进而改变控制滑阀的凸轮位置，使活塞在蒸汽被切断之前能移动更长的距离，从而增加每次冲程中在气缸内产生的机械功率。迄今为止，尤其是在船舶发动机中，膨胀原理的应用范围一直受到必须使用高压蒸汽这一限制。

当活塞仅完成了一小部分行程后蒸汽就被切断时，就会产生高压。不过，现在（1840年3月），莫兹利和菲尔德两位先生正在对一种新方法进行试验，通过这种方法，可以在不使锅炉内的蒸汽压力超过每平方英寸3到5磅的正常值的情况下，将膨胀原理应用于任意需要的程度。该方法的关键在于使用尺寸较大的活塞——推动活塞的力量并非来自有限表面上的过高压力，而是来自分布在较大表面上的适度压力。在蒸汽被切断之前，作用在活塞上的总推力远大于阻力；而在活塞继续运动的剩余过程中，这一力量会逐渐减弱，直至活塞到达其移动范围的极限。

图55。（136页）

工程师塞沃兹公司的塞缪尔·塞沃兹先生设计出了一种改进型的滑动装置，并为此获得了专利。图55展示了塞沃兹滑动装置的截面结构。从锅炉通往气缸的蒸汽管道用AA表示，它与通向气缸顶部和底部的通道S和S′相连。

在气缸的侧面，铸有铁制或其他硬质金属制成的喷嘴，这些喷嘴的外表面十分光滑。滑块BB′也具有光滑的表面，它们可以在这些光滑表面上滑动。滑块BB′通过关节式连接件与杆EE′相连，而这些杆则穿过填料箱移动。由于这种连接方式，滑块能够保持一定的间隙，因此当不与喷嘴的光滑表面接触时，其表面可以轻易地与喷嘴表面分离。蒸汽管AA中的蒸汽会作用于滑块BB′的背面，使它们的表面始终与喷嘴的光滑表面保持密封接触。通过适当的机构，可以在行程的任意位置打开或关闭这些滑块。当需要将蒸汽引入气缸顶部时，上方的滑块会上升，从而打开通道S；而当需要将蒸汽引入气缸底部时，则是下方的滑块上升，从而打开通道S′。当不需要再让蒸汽进入气缸的顶部或底部时，只需降低相应的滑块即可。在气缸的另一侧，还有两条通道CC′，它们通向一根连接到冷凝器的管道G。在这根管道上，也铸有铁制或其他金属制成的喷嘴，这些喷嘴的外表面同样光滑，它们分别连接着气缸顶部和底部与管道G之间的通道DD′。还有两个滑块bb′，它们的表面朝向远离气缸的方向，且与喷嘴DD′的表面相接触，这些滑块也是通过穿过填料箱的杆来控制的，其工作原理与前述相同。由于这些滑块的表面远离气缸，因此气缸内的蒸汽可以自由地与其接触，从而利用压力使这些滑块始终与通往冷凝器的开口所在的表面保持密封接触。根据需要，随时可以打开或关闭这两个滑块。当活塞开始下降时，上方的蒸汽滑块会上升，从而打开通道S，让蒸汽进入活塞上方；同时，下方的排气滑块b′也会上升，以便让活塞下方的蒸汽通过G排出到冷凝器中，而另外两个通道S′和C则会被各自的滑块封闭。在需要切断蒸汽流动的那一时刻，控制通道S的滑块会下降，而另一个滑块则……

滑阀保持不变；当活塞到达气缸底部时，下方的蒸汽滑阀会打开通道S′，而上方的排气滑阀则会打开通道C；同时，下方的排气滑阀会关闭通道C′。蒸汽通过S′进入活塞下方，而活塞上方的蒸汽则通过打开的通道C和管道G被排入冷凝器，从而使活塞上升。当活塞上升到需要切断蒸汽的位置时，控制S′的滑阀会下降，其他滑阀则保持不变，活塞的上升过程便与下降过程类似。

这四个滑阀可以由一个杠杆来控制，也可以通过独立的装置来驱动。从各个滑阀与气缸本体之间的微小间隙可以看出，这种装置带来的蒸汽泄漏量非常少。

在常用的滑阀中，滑阀背面有麻质填料，依靠它来维持滑阀与蒸汽之间的密封性，因此，在发动机运转期间，操作人员必须持续关注这一点。一旦忽视这一点，就会导致发动机功率下降；事实上，许多情况下发动机效率低下，都是因为操作人员没有妥善处理滑阀的密封问题。

在Seaward的滑阀中，不需要使用麻质填料，而且在滑阀调整完成后也无需操作人员再做任何处理。滑阀所需的压力是由背后的蒸汽直接提供的，从而确保其能够与喷嘴表面保持密封接触。由于排气滑阀与蒸汽滑阀是相互独立的，因此可以通过单独的机制或单个偏心装置来调节它们，从而使发动机以所需的程度进行膨胀式工作。

专利权人声称这些滑阀的优点之一是，能够避免因蒸汽缸内积水而引发的各种故障。如果出现这种情况，活塞的动作会将水压向缸壁。

蒸汽从滑阀中流出，而与驱动这些滑阀的杆子相连的结构使得滑阀的阀面能够从喷嘴表面抬起，这样，积聚在缸体中的水就会被推入蒸汽管，然后再从那里返回锅炉。

(137.)
那些通过穿过其中心的轴的转动来开启或关闭的阀门，例如由手动或调速装置控制的节流阀，就是这样的例子。不过，最常见的阀门形式则是图56所示的那种圆柱形或略带锥形的塞子，它被插入管道或通道中相应大小的开口处，用于控制该管道或通道的通断。阀门上会开有一个或多个横向孔洞，当阀门转动到这些孔洞与管道方向一致时，管道的通路就被打开；而当阀门的位置与管道垂直时，管道的两侧就会挡住阀门内的通道，从而阻断管道的通路。这种简单的阀门仅用于控制单个管道的通断。如图57所示，当阀门转动到其通道与管道长度方向垂直时，管道的通路就会被阻断；但如图58所示，当阀门再转动四分之一圈后，其通道就会与管道的通路方向一致，此时阀门就处于开启状态，管道的通路也就不再被阻挡。通过调整阀门的位置，可以不同程度地限制管道的流量，从而使阀门开口的一部分被管道侧壁遮挡。

图57、58。

(138.)

有时需要让一根管道或通道与另外两根管道交替连通。这可以通过双向阀来实现。这种阀的通道是弯曲的，通常在阀体表面上相互垂直的位置开口。此类阀门早已被描述过，其用途也在关于沃里克侯爵发动机的相关描述中有所说明（17）；图4中所示的K和R处的双向阀，正是用于使蒸汽和水交替进入两个压力容器中的装置。

(139.)

当需要将四根管道两两交替连通时，则会使用四通阀。这种阀有两个弯曲的通道（见图59），每个通道都与双向阀中的弯曲通道结构相似。假设SCBT是那四根需要两两交替连通的管道。当阀门处于图59所示的位置时，管道S与T相连，而管道C与B相连。如果将阀门旋转四分之一圈，如图60所示，那么管道S就会与B相连，管道C则与T相连；如果继续以四分之一圈为间隔不断旋转阀门，这种连通方式的切换就会持续交替进行。显然

通过持续将旋塞向同一方向转动，即可实现这一目的。四通旋塞有时被用作双作用蒸汽机中用于引导蒸汽进出气缸的阀门或滑阀的替代品。若用S表示从锅炉引出蒸汽的管道，C表示通往冷凝器的管道，T表示通往气缸顶部的管道，B表示通往气缸底部的管道，那么当旋塞处于图59所示位置时，蒸汽会从锅炉流向活塞顶部，而活塞下方的蒸汽则会被引向冷凝器；当旋塞处于图60所示位置时，蒸汽会从锅炉流向活塞底部，而活塞上方的蒸汽则会被引向冷凝器。这样，通过在每次冲程结束时将旋塞转动四分之一圈，机器就能持续运转下去。使用四通旋塞的缺点之一就是每次冲程都会有一些蒸汽损失，这些蒸汽会积聚在旋塞与气缸两端之间的管道中。要避免这一缺点，只能用两个两通旋塞来代替四通旋塞。位于气缸顶部的两通旋塞可以实现气缸与蒸汽管道之间的交替连通，而位于另一端的两通旋塞则可实现气缸与冷凝器之间的交替连通。这类旋塞的摩擦力比其他阀门更大，但因其结构极为简单，这一缺点在某种程度上得到了弥补。由于旋塞的形状略呈锥形，当其真正安装到位后，蒸汽的压力会使表面保持接触状态；不过这种压力也会增加摩擦力，并可能导致旋塞的座部变成椭圆形。因此，这类旋塞需要定期进行研磨和重新安装。

如上所述，四通旋塞能够在阻止蒸汽进入活塞另一端的同时，让蒸汽进入活塞的一端。它能够……

因此，这种装置不适用于蒸汽膨胀作功的情况。不过，通过稍加修改——即采用与幻灯片中已描述的类似方法——就可以使其适用于膨胀作功过程。具体做法是：在通向汽缸的通道中，让其中一个通道的开口比另一个大，然后控制阀门使得蒸汽始终通过这个较大的通道进入汽缸；同时将另一个通道的两个开口也扩大，使其始终用于将蒸汽从汽缸中排出。这样的安排所带来的效果是显而易见的。

[第241页] 在活塞开始向下运动时，阀门的 위치如图61所示。此时，蒸汽从S点经T点流入汽缸顶部，而从B点经C点从汽缸底部排出。当活塞移动到需要切断蒸汽供应的位置时，将阀门转到图62所示的位置。这样一来，来自锅炉的蒸汽就无法再进入汽缸，但蒸汽仍会从汽缸底部通过C点排出。阀门保持在这个位置，直到活塞接近汽缸底部，然后再将其转到图63所示的位置。此时，蒸汽从S点经B点流入汽缸底部，而汽缸顶部的蒸汽则通过C点流入冷凝器。当活塞再次移动到需要切断蒸汽供应的位置时，阀门会被转到图64所示的位置。这样，蒸汽就无法再与活塞底部相连，而汽缸顶部与冷凝器之间的通道仍然保持畅通。在活塞接下来的两次往复运动中，阀门的 위치也会以相反的方向发生类似的变化，以此方式持续推动整个过程。在这种情况下，阀门无需像普通四通阀那样一直沿同一方向移动，而是需要交替地朝相反方向移动。

图63、64。活塞。

(141.) 活塞的功能是通过可移动的隔板将气缸分为两个腔室，从而阻止任何流体从一个腔室流向另一个腔室。显然，这种部件必须满足两个条件：首先，其侧面与气缸表面的接触必须始终紧密无间隙，这样才能防止蒸汽或其他流体渗漏；其次，尽管需要保持这种紧密接触，但部件本身不应存在摩擦，以免消耗过多的动力。然而，无论活塞和气缸的表面加工得多么精确，实际中总会出现一定的形状缺陷，因此，只有为活塞的周缘提供足够的弹性，使其能够适应这些形状上的不完美，才能确保活塞在整个行程中都与气缸表面保持紧密接触。用于填充这一空间的材料，无论是什么材质，都被称为填料。对于蒸汽活塞而言，所用的填料必须能够抵抗热量和湿气的共同作用，因此皮革及其他动物性材料是不适用的。所以，蒸汽活塞所使用的填料有两种：植物性填料，通常是麻类材料；以及金属填料。

常见的麻质填料活塞已在前面有所描述（79节）。活塞的底部是一块圆形板，其直径略小于气缸的直径，这一尺寸差足以让活塞能够自由地上下移动。在最低点稍上方，该圆形板的厚度逐渐减小，直到其直径比气缸的直径小1到2英寸，从而在活塞周围形成如图65所示的空心空间。活塞的盖子也是类似结构的板材，其厚度同样会从上往下逐渐减小，以便与底部的板材相匹配。在活塞周围的这个空心空间中，人们会放入未纺过的麻绳或软绳作为填料，这些填料被缠绕在活塞上，从而使活塞成为一个均匀且紧密的整体。当这个空间被填满后，就会用螺丝将活塞的顶部与底部固定在一起。由于用于容纳填料的空间的形状是弯曲的，因此当螺丝被拧紧时，靠近活塞顶部和底部的那些填料会被压在气缸壁上，从而在两个平行环面上产生足够的压力，确保密封性。如果由于使用导致填料磨损而出现泄漏，就必须拆下气缸的盖子，然后拧紧连接活塞顶部和底部的螺丝，这样就能把填料挤出，重新实现活塞的密封效果。这种填料通过从气缸顶部插入的漏斗倒入活塞上的熔化动物脂肪来获得润滑，漏斗上还装有止阀，以防止蒸汽泄漏。活塞杆的下端呈轻微的圆锥形，最厚的部分位于下方。活塞杆穿过活塞后，会在活塞的顶部和底部之间放置螺母或楔子，以将活塞固定在杆上。为了拧紧活塞上的螺丝而需要拆下气缸顶部的过程极为繁琐，因此负责管理这些机器的人往往宁愿让发动机在存在泄漏的情况下继续运转，也不愿频繁地花费精力去拧紧螺丝。

为避免这种不便，伍尔夫设计出了如下方法：无需拆下气缸盖即可拧紧活塞的密封件。每个螺丝的头部都被加工成带齿的小齿轮，这些螺丝以相等距离分布在活塞周围，如图65所示。它们由一个以活塞杆为轴心旋转的大齿轮驱动。通过这样的结构，只要转动其中一个螺丝，通过中央大齿轮的作用，其他所有螺丝也会随之转动。因此，伍尔夫在其中一个螺丝的头部加工成了方形端面。当活塞上升到气缸顶部时，这个方形端面会插入气缸盖底部的凹槽中。该凹槽由一个旋接在气缸顶部的圆形小块覆盖，而这个圆形小块是可以取下的，这样就能接触到螺丝的方形头部。取出后，用合适的钥匙拧动螺丝的方形头部，其他螺丝也会随之转动。这样一来，就无需拆下气缸盖——在大型气缸中，拆下气缸盖需要耗费大量人力和时间——只需拧下气缸顶部、大小与螺丝头部相当的那个部件，就能拧紧密封件。这一方法还得到了进一步简化：上述的大圆形齿轮不再以活塞杆为轴心旋转，而是像螺丝一样旋转，其螺纹则加工在活塞杆上，与中央板上的对应内螺纹相配合。这样一来，插入气缸盖并转动的螺丝，会通过活塞杆上的螺丝产生的力，迫使中央板向下压。这个被压向下的中央板又会作用于各种销钉或塞子，从而像之前描述的那样，将气缸的上下部分压紧在一起。

金属活塞。

（142.）

关于如何制造一种无需使用植物性填料即可在气缸内实现密封运动的活塞的构想，最初是由以其他机械发明而闻名的卡特莱特先生提出的。1797年，他为一种新型蒸汽机获得了专利；在这种蒸汽机中，他提议用酒精蒸汽来驱动活塞，而非水蒸气。由于这种蒸汽机的设计本身就不需要使用油或动物脂肪作为润滑剂，因此他采用了由金属环构成的活塞，这些金属环通过弹簧压在气缸表面，从而无需任何填料或润滑剂即可保持与气缸的密封接触。尽管采用这种活塞结构的蒸汽机从未被实际应用过，但其结构极为简洁巧妙，且在蒸汽机的发展史上具有重要的意义，因此在本书中有必要对其进行简要说明。

图66中，从锅炉出来的蒸汽管道在B处被切断；T是用于让蒸汽进入活塞上方的旋阀，R则是位于活塞内的旋阀；D则是一根弯曲的管道，它连接着气缸与冷凝器，其结构十分独特。卡特莱特提出，可以通过让蒸汽与大量冷表面接触来实现冷凝作用，而无需使用喷射装置。为此，他设计出了这样的冷凝器：将两个大小几乎相同的圆柱体套在一起，让放置它们所在的冷水箱中的水流经内层圆柱体，并包围住外层圆柱体。这样，两个圆柱体之间的狭窄空间便构成了冷凝器。

图66。

气泵位于气缸的正下方，活塞杆的移动驱动着活塞作功，该活塞为实心结构且没有阀门。F是连接冷凝器与气泵的管道，当活塞上升时，冷凝蒸汽会通过阀门G被排出；而当活塞下降时，这些蒸汽则会被强制通过管道送入热井H，进而通过进水管I进入锅炉。热井H的顶部有一个向内开启的阀门，该阀门由一个球体保持关闭状态。

悬浮在液体表面。液体表面上方压缩空气的压力会迫使空气通过管道I进入锅炉。当H处的空气积聚过多时[Pg246]，液面会被压得过低，导致球体下落并打开阀门，使空气得以排出。H处的空气其实是随液体从冷凝器中被抽出的，之后又与液体分离。

假设圆柱体顶部的活塞：它会撞击阀门T的尾部，使其上升；而活塞阀R的阀杆则会撞击圆柱体顶部，并被压入其座中。与此同时，通过管道D，活塞下方的圆柱体与冷凝器之间也建立了连通通道。如此一来，进入活塞上方的蒸汽压力[Pg247]就会对抗下方的真空状态，促使活塞下降。当活塞到达圆柱体底部时，活塞阀R的尾部会撞击底部，使其从座中抬起，从而与冷凝器建立连通通道。同一时刻，连接在活塞杆上的弹簧K会撞击蒸汽阀T的阀杆，将其压入座中。这样一来，虽然蒸汽的进一步进入被阻断，但活塞上方的蒸汽仍会流入冷凝器，而活塞因不再承受任何压力，便会在飞轮的动量作用下上升，继续维持由下降力带来的运动。当活塞再次回到圆柱体顶部时，阀门T会打开，阀门R则关闭，活塞又会像之前一样下降，如此循环往复。

将活塞的运动传递给飞轮的机制极为精巧。飞轮的轴上装有一个带齿的小轮，这些齿可以与另一个较大的轮子L的齿相啮合。这个大轮子由曲柄驱动，而曲柄则由连接在活塞杆末端的横杆驱动。另一个同样带有齿的轮子M则由另一根曲柄驱动，而这根曲柄则由连接在活塞杆另一端的那根横杆驱动。

这种发动机的一个特点在于，用于在锅炉中产生蒸汽的液体会在机器内部循环，既不会减少也不会与其他流体混合，因此锅炉所需的补充量永远不会超过来自热井H的供应量。

这一设计构成了该机器的重要特点，因为它允许在锅炉中使用易燃物质而非水。由于这些物质在较低温度下即可沸腾，因此有望节省燃料。发明者提议将这种发动机既用作动力源，也用作蒸馏器，如此一来就能完全节省燃料。

（143.）

在普通活塞中由垫圈填充的那部分空间，在卡特莱特的活塞中则被多个环所取代，这些环一个套在另一个里面，整体被分为三到四个部分[第248页]。有两个黄铜环，其尺寸与气缸完全匹配，经过加工后能够实现几乎完全密封的效果。这两个环也被分割成多个部分，如图67所示，它们被上下叠放在一起，从而填满活塞顶板与底板之间的空间。其中一个环上的各部分则恰好可以插入另一个环的相应间隙中。在这些环的内部，还有另一组环，其结构与前者类似，同样以能够嵌入第一组环的方式被放置其中，如图68所示。每组环的上层连接处在平面图中有所显示（图67）；下层连接处的位置则用虚线标出；各组环上下叠放的位置则在剖面图中显示（图68）。内层环的连接处位于外层环的连接处之间，这样就能防止蒸汽从上到下贯穿整个密封结构而泄漏出去。

环状结构被分割成的各个部分会在外部受到V形钢弹簧的挤压作用。这些弹簧一方面作用于与内部环状结构相接的外部环段，另一方面则作用于与活塞固体中心相接的内部环段；这些弹簧在图67中有所展示。

(144.) 巴顿对金属活塞进行了改进设计。他的活塞由铸铁制成的实心圆柱体构成，其截面如图69中的A所示，平面图则见第249页的图70。在该圆柱体中心有一个锥形孔，其尺寸从上到下逐渐增大，用于容纳活塞杆，活塞杆则通过销钉B固定在该孔中。在活塞周围有一个截面为方形的深槽，因此活塞的顶部和底部形成的圆圈直径与圆柱体的截面直径相同，而活塞中间部分的圆圈直径则因槽的深度而小于前者。可以用黄铜、铸铁或铸钢制成与这个槽尺寸及形状相匹配的环状部件，如图70所示，将该环状部件分割成四个部分C C C C，以及四个相应的楔形部件D D D D。让这四个环状部件及其内部的楔形部件填满围绕活塞的凹槽，再利用八个螺旋弹簧将楔形部件压向环状部件，如图69和图70所示。这些弹簧会压迫活塞的固体中心，同时将环状部件C推向圆柱体表面。那些用于挤压楔形部件的螺旋弹簧则被穿过其中心的钢针所限制，同时也被嵌入楔形部件以及活塞固体中心相应部位中的圆柱形腔体中。随着环状部件C的磨损，这些弹簧会将楔形部件向外推，从而使楔形部件的尖端逐渐磨损，进而填满环状部件之间的间隙，最终形成活塞的外表面。

图70。

还有其他多种形式的金属活塞被提出过，但由于它们在原理上与我们刚才描述的那些并无本质区别，因此此处无需再加以描述。

城市锯木厂中的发动机。

城市锯木厂的炉子。

第九章
[第251页]

目录索引

煤的成分——燃烧过程——燃烧过程中产生的热量——
锅炉的形状与结构——车厢式锅炉——炉子——给料方式——烟气中的气体燃烧——炉栅与灰坑的构造——锅炉的受热面积——锅炉内的蒸汽空间与水空间——烟道的布置——锅炉的给料方式——液位计——自动调节给料装置——蒸汽压力表——气压表——指示器——计数器——安全阀——熔断塞——自动调节风门——自动调节炉子——发动机的功率与负荷——蒸汽发动机的马力——与马力相对应的蒸发量——功率损失的来源——缺乏合理的功率管理规则——发动机制造商所遵循的通用规则——负荷与功率的区别——锅炉的负荷——气缸的冲程与直径之比——发动机的负荷——康沃尔式检测系统——其优点——康沃尔式发动机的相关历史细节。

(145.)

前几章中已经介绍过的那些机械装置，包括带有各种通道和阀门的汽缸、活塞杆、连杆、曲轴，以及冷凝器、空气泵等其他附属设备，它们本身并不具备动力源，因此只能被视为将炉子和锅炉所产生的机械能传递到工作点的工具，进而对这些能量进行调节，使其适应机器的用途。[第252页] 锅炉既是一个能够储存足够动力的容器，以满足发动机的需求，也是一种用于生成这种动力的装置。通过热能将水转化为蒸汽这一过程，就是蒸汽机产生动力的方式；锅炉内需要有足够的空间来容纳发动机所需的蒸汽量，同时还要有足够的清水，以便在持续有气流进入的情况下仍能保持稳定的蒸汽供应。

圆柱体：即便是用于产生机械能的蒸发作用所涉及的水，也应被视为一种将可燃物释放的热量转化为机械能的媒介，因为同样的热量若作用于其他液体甚至固体，同样能够产生机械效应。因此，锅炉及其炉子都是蒸汽机的重要组成部分，其结构与运作方式值得特别关注。

（146.）

煤炭是几乎在所有蒸汽机中都会被使用的可燃物质，其主要成分是碳和氢，偶尔还会含有少量硫以及无法燃烧的矿物质。不同种类的煤炭中这些成分的比例各不相同，但优质煤炭中约四分之三的重量为碳。当碳在纯氧环境中被加热到约700°时，它会与氧气发生化学反应，生成一种名为碳酸的气体。通过这种反应产生的碳酸体积恰好等于与碳结合的氧气的体积，因此，相同体积的碳酸其重量会比原来更大，这是因为有碳参与了反应。实验表明，两份重量的氧气与三份重量的碳结合就能生成碳酸。所以在燃烧过程中生成的碳酸的重量，会大于同等体积的氧气的重量，比例为5比2——前提是气体的体积相同，且处于相同的温度和压力条件下。在这种反应中会释放出大量的热量。这一现象是由于原本隐藏在碳和氧气中的潜热在燃烧过程中转化为显热所致。由燃烧产生的碳酸温度会升高到非常高的程度，而碳在反应过程中也会获得如此强烈的热量以至于会发光；不过并不会产生火焰。氢气在被加热到约1000°时，与氧气接触后也会与其发生反应，并释放出大量热量。

参与这一反应后，气体将会发出光亮，并产生火焰。该反应的产物是水，而水在高温燃烧作用下会立即转化为蒸汽。氢气能与相当于其自身重量八倍的氧气结合，生成相当于其自身重量九倍的水。

不过，氢气通常不会以纯形式从煤炭中分离出来，而是与一定量的碳发生化学结合，这种结合物被称为碳化氢。纯氢气燃烧时会产生微弱的蓝色火焰，而碳化氢则会产生明亮的火焰，偶尔还会带有橙色或红色色调，这种火焰正是从燃烧的煤炭中散发出来的。这种气体被用于照明，它通过炼焦过程从煤炭中提取出来，再通过合适的管道输送到各种燃烧器中。

煤炭中含有的少量硫也是可燃的，在燃烧过程中它会与氧气结合形成硫酸；有时它也会与氢气结合形成硫化氢。

大气空气由氮气和氧气两种气体组成，二者的比例约为四比一；五立方英尺的大气空气中包含四立方英尺的氮气和一立方英尺的氧气。任何可燃物，只要其温度略高于在纯氧环境中燃烧所需的温度，就能与大气空气中的氧气发生反应。

因此，如果将煤炭或其他燃料置于大气空气中并使其温度升高到足够高的程度，其可燃成分就会与大气空气中的氧气结合，从而引发燃烧现象。不过，为了使燃烧持续进行且更加迅速，就必须不断将燃烧过程中产生的二氧化碳及其他产物从可燃物中清除，同时让新鲜的大气空气与其接触；否则，可燃物很快就会被主要由二氧化碳构成的气体所包围，这样一来就不再有未结合的氧气存在，燃烧也就随之停止了。

燃烧会逐渐熄灭。因此，为维持燃烧，必须不断有空气流过燃料；这种空气流的数量和强度取决于所需燃烧的燃料的数量与质量。空气流必须能够为燃料提供足够的氧气以维持燃烧，但也不能过多，因为过多的氧气会吸收燃烧产生的热量，而无法帮助维持燃烧过程。

热量可以通过两种方式在物体之间传递：辐射和接触。

受热物体会发出热射线，这些射线会按照与光辐射相似的规律在周围空间中扩散。这些被辐射出的热量会传递给其他物体，并根据这些物体的物理特性以不同的程度渗透进它们内部。

当一个受热的物体与另一个温度较低的物体接触时，它会将热量传递给那个物体，这一过程会持续进行，直到两个物体的温度相等为止。

处于燃烧状态的燃料也会通过这两种方式释放热量：受热的燃料会向四周辐射热量，而这些热量会传递到炉子中所有与燃料接触的部分。

燃烧产生的气体以极高的温度从燃料中逸出，因此在达到这种温度的过程中，它们会吸收大量燃烧产生的热量。除了在燃烧过程中实际生成的气体外，构成通过燃料进入炉子的空气的五分之四的氮气也会从可燃物中吸收热量，然后以高温状态上升至炉子上部。如果让这些气体直接排入烟囱，它们就会带走大量热量。因此，必须设法让这些气体与锅炉保持一定时间的接触，以便它们能够将从燃料中吸收的热量传递出来，同时仍保持足够的高温，从而在烟囱中形成必要的抽力。

(147.)
为实现所有这些要求而设计的锅炉形态多种多样。如果仅从强度角度考虑，球形应是最佳选择；早期的锅炉几乎就是半球形，置于略微凹陷的底座上。瓦特所采用的锅炉被称为“马车式锅炉”，其结构包括半圆柱形的顶部、垂直的平面侧面、平直的端面以及略微凹陷的底部。这类锅炉中产生的蒸汽压力不会超过外部大气压3到5磅/平方英寸。虽然平直的侧面和端面会降低强度，但仍然可以建造得足够坚固以满足使用需求。在这种锅炉中，通过环绕其周围的烟道流动的空气与锅炉仅在一侧接触。因此，构成烟道的砖块或其他材料必须是不导热的材料，这样才能避免吸收与它们接触的空气中的大量热量。图71展示的就是这种结构的锅炉。

图71
通过拆除锅炉所在位置的周围砌体，可以看到炉栅以及部分烟道。通过切去半圆柱形顶盖的一半，也可以看到锅炉的内部结构。图72为纵向剖面图，图73为横向剖面图。图74则显示了在炉栅上方、锅炉内水位下方的水平剖面图，其中展示了烟道的走向。[Pg256] 所有图中的对应部件均用相同的字母标记。

图72。
A处为用于将燃料送入炉栅的入口，B处则为通往灰坑的入口。C处的炉排条以约25°的角度从前方向下倾斜，这使得燃料倾向于从炉栅的前部向后方移动。灰坑D的尺寸、形状和深度都经过精心设计，以便让足够量的空气流入炉排条之间，从而维持燃烧。灰坑的形状通常是底部较宽，向上逐渐变窄。当燃料从A处的炉门被送入后，应将其放置在距离炉门最近的炉栅区域，该区域被称为“死板”；在那里，燃料会经历结焦过程，其中所含的气体和挥发性物质会被排出，然后随空气流通过炉门上的小孔，进入炉栅后部的燃烧区并被点燃。当炉栅前部的燃料完成结焦过程后，它会被推到后面，此时新的燃料则会被送入炉栅前部。煤炭

如此一来，被压制的火焰很快又会重新燃烧起来。通过不断重复这一过程，分布在炉排上的燃料始终处于最活跃的燃烧状态。通过这样的设计，燃料燃烧产生的烟雾能够在进入烟道之前就被烧尽。从炉排上燃烧的燃料中产生的火焰和热空气会向炉子后部流动，经过火桥E，然后通过位于锅炉下方的烟道F。这条烟道的截面如图73所示，其中锅炉部分用深色阴影标出；其宽度几乎与锅炉底部的宽度相等，而锅炉底部靠近角落处的空间仅够让锅炉的重量支撑在构成烟道两侧的砌体上。由于锅炉底部是凹形的，因此火焰和热空气在沿烟道流动时会因高温而上升，从而从火桥E处一直蔓延到锅炉的另一端G处。

图73

在G点，烟道上升至H点，然后在I I处转向锅炉的侧面，使火焰从后向前穿过该侧面；之后，火焰通过K处的烟道从前部穿过，再经由L处的烟道返回后方。[Pg259] 图71中展示了去除了砌体后的侧向烟道，它也出现在图74的平面图中以及图73的截面图中。空气的流动路径在图74中用箭头表示。空气从L处的烟道进入M处的烟囱。

图74。

通过这样的设计，从炉排出来的火焰和热空气能够在锅炉周围循环流动。而用于引导这些空气流动的烟道的长度和尺寸应当如此设置：当空气到达烟囱时，其温度应尽可能降低到与所接触的水的温度一致，同时还要保证烟囱内能保持适当的通风。上述的加料方法，如果能够熟练且谨慎地加以运用，就能实现比传统方法更理想的燃料燃烧效果——传统方法是在每次给炉子加料时都从后往前往炉排上添加新燃料。不过，这种加料方式在炉子管理中很少被采用。它需要炉工们持续不断地关注（炉工就是负责给炉子加料的人）。燃料的供应必须……

大量且间隔较远地添加燃料，不如少量但更频繁地添加。另一方面，更常见的做法是让炉排上的燃料先被充分燃烧，然后再投入大量新燃料，将这些新燃料从炉排的后部覆盖到前部。这样一来，已点燃的煤所产生的热量会作用于新加入的燃料，将与其结合的气体以及处于微小状态下的碳排出，从而形成不透明的黑色烟雾。这些烟雾会通过烟道被吸入烟囱。其结果是，不仅有大量固体燃料未被消耗就随烟雾排出烟囱，氢气和其他气体也会未经燃烧就逸散出去，导致可燃物浪费；此外，还会出现充满烟雾的恶劣环境。凡是观察蒸汽机运行时烟囱状况的人，都能看到这些现象。当炉膛中加入大量新燃料时，就会看到大量浓密的黑色烟雾从烟囱中冒出。随着炉排上燃料的逐渐点燃，这种烟雾会逐渐减少，直到再次加入新燃料才会再次出现。虽然这种让炉膛自行消耗自身产生的烟雾、从而实现燃料完全燃烧的加料方法看似有效，但实际上也存在一些弊端。在普通炉膛中，只能通过打开炉门来添加燃料，而在炉门打开期间，会有大量冷空气涌入，这些冷空气会穿过炉膛并进入烟道最终到达烟囱。这样一来，烟道的温度就会下降，很多情况下，由此造成的热量损失反而超过了因燃料完全燃烧而带来的节省量。不过，也有各种方法可以在不打开炉门、不影响炉内空气供应的情况下向炉排添加燃料。在炉膛前端设置一个带有可移动底部或阀门的漏斗，就可以让煤炭不时落入炉排上，从而达到这一目的。

(148.)

为确保炉栅前方煤炭燃烧产生的气体能够充分燃烧，有必要让大气中的空气与这些气体一同进入燃烧区。这一目的可以通过设置在炉门上的小孔或调节装置来实现，通过滑动板可以控制这些孔的开启与关闭程度。

都柏林蒸汽航运公司的一位董事威廉姆斯先生，最近获得了一项专利，该专利涉及一种处理从炉栅中逸出并经过烟道的气体的方法。该方法是将垂直放置的管道插入烟道中，这些管道的下端伸入烟道底部并与灰坑相连，而上端则被封闭。在这些管道的侧面和顶部设有小孔，来自灰坑的大气空气会通过这些孔以喷射的形式排出。这些空气中的氧气会立即与从炉子中未完全燃烧而以足够高温状态通过烟道排出的氢气结合。于是，就会从这些孔中喷出多股火焰，其外观类似于煤气灯的火焰。

显然，如果这类管道没有放置在离炉子足够近的位置，使得未燃烧气体的温度足够高以使其燃烧，那么它们的效率就会很低。

(149.)

炉栅和灰坑的尺寸必须根据锅炉中所需的蒸发速率以及燃料的质量来决定。令人遗憾的是，关于蒸汽机各部件及其锅炉、炉子的比例关系，目前还没有任何精确或令人满意的实验数据；而那些负责设计及制造蒸汽机的人，在这些方面也同样缺乏了解。对于普通品质的煤炭而言，炉栅表面的大小与一定时间内需要蒸发的水量之间必然存在一定的比例关系。

锅炉。不过，对于任何特定品质的燃料而言，这一比例究竟是多少，目前还无法确定。不同的发动机制造商都有自己的一套标准，而这些标准在大多数情况下都只是基于猜测，并没有实验数据作为支撑。有些制造商规定，每小时需要在炉排上提供与预计蒸发水量相等的面积——即每立方英尺的水对应一平方英尺的炉排面积；而另一些制造商则只允许半平方英尺的面积：实际操作中的标准则介于这两者之间。那些会熔化并结块、燃烧时会产生大量火焰和烟尘的烟煤，必须比其他类型的燃料更均匀地铺在炉排上，否则大量未燃尽的可燃气体就会进入烟道中。因此，在其他条件相同的情况下，这类煤炭需要更大的炉排面积；那些在燃烧过程中会产生结块物、并在炉排上形成玻璃状物质、从而迅速堵塞炉排间隙的煤炭也是如此。使用这类燃料时，必须经常清理炉排上的灰烬，否则炉排间隙会被堵塞，导致通风不足，进而影响燃料的充分燃烧。为了便于清理炉排，炉排条的末端通常朝向火门方向布置；它们一般由铸铁制成，上表面宽度为2到2.5英寸，相邻炉排条之间的间距约为半英寸。炉排条向下逐渐变细，其下表面的宽度远小于上表面，这样一来，炉排条之间的间隙就会变大，便于灰烬掉落。炉排条从前端向后端呈倾斜状。锅炉底部中心点距离炉排前端的高度通常约为2英尺，而距离炉排后端则约为3英尺。不过，由于锅炉底部是凹形的，其滑动面会更靠近炉排。

(150.)

锅炉的蒸发能力与其暴露在炉膛作用下的表面积之间存在着某种关系，就像炉排面积的情况一样，这种关系至今仍未通过任何确切或令人满意的实验研究得到确定；至于锅炉不同部位的效率差异，更是无从知晓。

锅炉中位于炉栅正上方及周围的那一部分表面，会直接受到燃烧燃料辐射的热量影响，因此很可能是产生蒸汽效率最高的区域。由于火焰和热空气有上升的趋势，它们在烟道中会更靠近那些处于水平状态的锅炉表面——这些水平表面构成了烟道的顶部——而非那些处于侧面或垂直状态的表面——它们则构成了烟道的侧壁。在如前所述的那种结构的锅炉中，效率最高的区域当属从火桥延伸至锅炉另一端的凹形底部。在某些锅炉中，尤其是那些用于产生高压蒸汽的锅炉里，其结构为圆柱形，中间的烟道呈椭圆形，其长轴在锅炉的整个长度上都是水平的。不过，[第263页]这样的锅炉中，热量是否真的能对烟道下方的冷水产生作用仍值得怀疑，因为上方的冷水温度始终更高，密度更小，因此上下层水之间不会形成水流。瓦特先生认为，8到10平方英尺的加热表面积就足以实现每小时蒸发1立方英尺水的速率，但我们并不知道他这一结论的实验依据是什么。从那以后，发动机制造商们通常会为达到相同的蒸发速率而增加加热表面积。不同制造商的做法差异很大，有的为达到相同蒸发速率会使用12、15甚至18平方英尺的加热表面积。不过必须记住的是，据我们所知，目前还从未有人能够准确判断这种增加的表面积是否真的能带来相应的蒸发效果。通过更大的表面积来让适度的热量扩散以实现一定的蒸发速率，相比依靠更高的温度在较小的表面积上实现蒸发，具有许多实际优势。受到火焰作用的锅炉部件受氧化的影响较小，因此锅炉的耐用性也会相应提高。

(151.)

除了要为火焰提供足够的表面积，以便以所需速率产生蒸汽外，锅炉的容量还必须与需要蒸发的水量相称。锅炉内的空间具有双重作用：其一，用于容纳待蒸发的水；其二，用于储存可供气缸使用的蒸汽。如果用于储存蒸汽的空间与气缸的容量不成适当比例，那么每次蒸汽从锅炉进入气缸时所产生的瞬间膨胀就会大幅降低蒸汽压力。除非锅炉内的压力远高于蒸汽在气缸中应有的压力，否则气缸内的压力就会低于适宜水平。关于锅炉中用于储存蒸汽的空间与气缸容量之间的比例，目前尚无统一的定论，也不存在任何普遍适用的规则。有些人认为，只要该空间能容纳每次冲程所需蒸汽量的五倍，就足够了；而另一些人则认为至少需要十倍，不同人的观点介于这两者之间。

(152.) 锅炉中用于储存水的空间与其蒸发能力之间也需保持适当的比例，这样才能避免因以较低温度注入水而使锅炉内的水温过度下降。假设在低压锅炉中，水的注入温度为100°，而锅炉内所需的温度为225°，那么锅炉内水的量应约为蒸发量的五倍，也就是每小时通过进水口注入的水量的五倍。因此，对于每小时需要被蒸发的1立方英尺的水，就需要有5立方英尺的储水空间。不过需要再次强调的是，这一规则（与几乎所有其他所谓规则一样）并非基于精确的数学计算，而是源于蒸汽机制造商们长期形成的惯例。

(153.)

锅炉内的水面必须始终高于烟道的高度。当烟道中的热空气作用于锅炉内含有水的区域时，这些水因温度升高而变得比上方的冷水更轻，从而上升。上升的水被下方的冷水取代，而这些冷水在受到加热后也会上升至水面；或者，如果热量将水转化为蒸汽，蒸汽气泡就会上升至水面，同时有新的水不断与被热空气或火焰加热的锅炉板接触。通过这一过程，锅炉板会不断冷却——要么是被较低温度的水持续冲洗，要么是热量以潜热的形式储存在与锅炉板接触形成的蒸汽泡中。但是，如果热量作用于锅炉内含有蒸汽的区域，而蒸汽吸热速度较慢，且不会形成任何气流或使热量以潜热形式释放的现象，那么传递到锅炉板上的热量就会在板上积累，使其温度升高到有害的程度。这样一来，锅炉板可能会变软，导致锅炉爆炸；或者，处于高温且与蒸汽接触的锅炉板与通过水冷却的锅炉板之间的膨胀差异，可能会导致锅炉板的接缝开裂，进而造成锅炉泄漏。因此，无论采用何种方式向锅炉供水，都必须确保蒸发不会使水位降至最高烟道高度以下。

(154.)

由于用于向锅炉供水的温度必然远低于锅炉内的水温，因此供水过程会持续降低水的温度，而这种降低程度取决于供水量与锅炉内水量之间的比例。鉴于锅炉内的水位不能出现显著变化，显然供水量必须等于蒸发的水量。如果供水量不足，由于蒸发量大于供水量，水位就会持续下降。

进料量；如果进料量更大，锅炉内的水位就会因水分的积聚而上升。因此，如果锅炉内允许存在的水量是每小时蒸发水量的一半，那么无论进料是连续进行还是间歇进行，其每小时加入的水量都必须保持相同。由于蒸发过程是连续的，锅炉内水位的变动完全取决于每次进料的间隔时间。如果进料是连续的，并且始终与蒸发量相等，那么锅炉内的水位就不会发生变化；但如果在蒸发持续进行的同时还间歇性地进行进料，那么锅炉内水位的变动以及温度的变动都会与两次进料之间的间隔时间成正比。显然，为了使锅炉内水位的变动和温度的变动不会过于显著，进料要么要连续不断，要么就要以较短的间隔进行。

(155.)

人们不时提出各种方法来检测锅炉内水的水平。我们之前已经提到过早期蒸汽机中使用的两种测压管（31.），这类装置至今仍被广泛使用。不过，还有一些其他方法也值得我们关注。
图75所示，一个重量为F的物体浸在锅炉中的水中，它由一根金属丝支撑着。这根金属丝穿过顶部的一个小孔，再通过一根柔软的绳索或链条与一个配重A相连，该配重A的重量恰好足以在物体半浸于水中时使其保持平衡。如果将F抬高到水面之上，由于A的重量较轻，就无法再平衡F，此时F会下降，同时带动A上升并转动轮子W。相反，如果将F进一步浸入水中，A的重量就会超过F的重量，从而将F向上拉。因此，只有当F处于半浸状态时，F和A才能保持平衡。

轮子W经过这样的调整：当置于其边缘的两个销处于水平位置时，水位就处于恰当的高度。因此，如果水位上升超过这一高度，重量F就会上升，A则下降，从而使两个销处于另一位置；反之，如果水位下降，F就会下降，A则上升，进而使两个销处于不同的位置。这样一来，这两个销的位置便可以用来指示锅炉中的水量。

(156.) 另一种方法是使用一根玻璃管（见图76）：其一端T伸入锅炉中且位于适当水位之上，另一端T′则伸入锅炉中且位于适当水位之下。显然，管中的水位始终会与锅炉中的水位保持一致，因为管子的下部与锅炉中的水直接相连，而管子表面所承受的压力则与锅炉中的水相同。这种仪表以及前文提到的那种仪表的优点在于无需任何调整即可让工程师立即了解水位情况；而要测定水位，则必须打开相应的阀门。不过，这些仪表需要操作员经常关注，因此最好能找到更有效的办法来提醒操作员注意，或者让锅炉的供水系统无需人工干预即可正常工作。为了促使操作员在锅炉因蒸发而水位下降到一定程度时及时补充水，人们有时会在允许水位下降到的最低点处插入一根管子。这根管子从锅炉延伸到机房，末端装有吹口或哨子，一旦水位降至该管子插入锅炉时的位置以下，蒸汽就会从管子中急速流出，通过吹口以极大的速度喷出，从而唤醒正在睡觉的操作员。

(157.)

在这些方法中，最有效的那种仍然需要由工程师来负责为锅炉补充水；而锅炉本身的作用仅仅是及时发出需要补水的信号。这样一来，水位就会不断发生变化，从而带来诸多不便。为了解决这个问题，人们发明了一种新方法，让发动机自行为其锅炉供水。图77中的管道G从热水泵处延伸出来，最终通向一个小储水罐C，水就储存在这个罐子里。在储水罐的底部有一个阀门V，它向上打开，与一条通向锅炉的管道相连，这条管道的位置低于锅炉内的水位。阀门V的阀杆与一个杠杆相连，该杠杆绕着中心点D转动；杠杆上还装有一个重物F，它浸在锅炉中的水中，其结构与图75中所描述的类似，同时还有一个配重A起到平衡作用。当锅炉内的水位下降时，重物F也会随之下降，进而拉动杠杆臂，使阀门V打开，让水从储水罐C流入锅炉。一旦锅炉的水位恢复到原来的水平，重物F又会上升，阀门V则会在配重A的作用下关闭。实际上，阀门V会通过水对重物F的作用自动调节，从而使水从储水罐C持续流入，其流量刚好足以弥补因蒸发而造成的水量损失，从而保持锅炉内水位的稳定。通过这种设计，锅炉可以实现自我补水，或者更准确地说，它总能获得足够的供水，因此无需人工不断补充水——这是操作人员无论如何努力也无法实现的。不过，这一装置带来的好处还不止于此。原本从锅炉中排出的蒸汽中，有一部分……

在推动活塞的过程中，热量被释放出来，随后凝结并重新转化为水，这些水会被空气泵送入热井中（见图77）。在这里，它们又回到了最初的来源处，所有未被消耗的热量也被带了回来，为再次在机器中循环使用做好准备。
打入储水罐C中的全部热水并非总是锅炉所必需的。可以设置一根废水管来排放多余的热水，这些热水可以被用于其他需要的地方；或者也可以将其倒入另一个储水罐中冷却，以便在那个储水罐的供水不足时再将其送回其中。

图78。

（158.）

图78展示了一种另一种用于实现自动调节的供水装置。该装置由一个金属制成的空心球体A构成，该球体固定在杠杆的一端，而杠杆的支点则位于B处。杠杆的另一端C则与旋塞阀的阀杆相连，该旋塞阀与一根管道相接，而这根管道则负责从储水槽中引入水。因此，当锅炉内的水位下降时，由于球体A的重量大于另一端的重量，杠杆会向下弯曲，进而使C端上升并打开阀门，让水进入锅炉。显然，这种装置的运作方式及原理与之前所描述的装置相同。[第270页]
用于引入水的管道的入口应设置在锅炉中距离通向烟囱的烟道末端最近的位置。这样一来，与这些烟道接触的水的温度就会在那些加热空气温度最低的地方达到最低值。因此，这种温差会比让锅炉中温度较高的水与烟道的这一部分接触时的温差更大。

（159.）

有必要有一种能够随时检测驱动发动机所需的蒸汽压力的方法。为此，可以在与蒸汽直接连通的装置中插入一根装有水银的弯曲管子。如图79所示，ABCD就是这样的一个管子。蒸汽的压力会使水银在AB段下沉，而在BC段上升。如果两段中的水银液面高度完全相同，那么蒸汽压力必然等于大气压力；因为AB段中的蒸汽压力与BC段中的大气压力相互平衡。不过，如果BC段中的水银液面高于BA段中的水银液面，那么蒸汽压力就会……

其压力会超过大气压。要确定超出大气压的数值，只需观察BC管与BA管中水银面的高度差——每两英寸的高度差对应每平方英寸1磅的压力。相反，如果BC管中的水银面低于AB管中的水平，则大气压将[Pg271]高于蒸汽压，其超出的数值也可以用同样的方法精确测定。如果该管为玻璃制，水银面的高度差便一目了然；但实际上它多由铁制成。为了确定水银面位置，人们会在BC管的开口端插入一根带有浮子的细木棒，这样木棒在管内的部分就能指示出水银面距离管口的距离。也可以像普通气压计那样，用一个水银球或水银容器来替代AB段。这种仪器被称为蒸汽压力表。如果将蒸汽压力表用于测量作用于活塞上的蒸汽压力，那么它应位于节流阀（由调速装置控制）与气缸同一侧；因为如果它与锅炉处于节流阀的同一侧，那么当蒸汽通过节流阀时因调速装置的作用而发生变化，它就不会受到这些变化的影响。对于那些使用极高压力蒸汽的锅炉，比如机车引擎中的锅炉，按照上述原理设计的蒸汽压力表会显得过长且不实用。这类锅炉中的蒸汽压力是大气压的4到5倍，因此蒸汽压力表中的水银柱高度也会达到4到5英尺。在这种情况下，使用温度计式压力表会更为合适。这种压力表的原理基于这样一个事实：

蒸汽在与水接触时产生的压力与温度之间存在固定的关系，相同的温度总是对应着相同的压力。因此，如果将温度计浸入锅炉中以测量蒸汽的温度，就可以在温度计上标出相应的压力值。这类仪表如今被广泛用于机车引擎上。

(160.) 活塞所受的推力取决于两个因素：第一，作用于活塞上的蒸汽的实际压力；第二，阻碍活塞运动的蒸汽的实际压力。尽管通过分离冷凝法产生的真空度比传统大气压引擎所产生的真空度要高得多，但在蒸汽被抽气泵抽出之前，仍会有少量具有弹性的蒸汽从冷凝器底部的热水中逸出。上述蒸汽压力已可通过前述的蒸汽压力表来测得；不过，在估算活塞下降时的作用力之前，还需要确定那些尚未冷凝、从而阻碍活塞运动的蒸汽的压力。为此，人们设计了另一种称为气压计式压力表的仪器。如图80所示，这种仪器由一根长度超过30英寸、两端开口的玻璃管AB组成，它被竖立放置，其下端B浸没在汞池C中。玻璃管的上端连接着一根金属管，该金属管与冷凝器相连，而冷凝器内则保持着恒定的真空状态，或者说极高的稀薄程度。因此，玻璃管AB中的压力也必须与汞池C中的大气压力相等，而汞池中汞表面的大气压力会迫使汞在玻璃管AB中上升，直到管中汞柱的高度等于大气压力与未冷凝蒸汽压力之间的差值。该仪器中汞柱的高度与普通气压计中汞柱高度的差值，即可用来判断未冷凝蒸汽的压力——每两英寸的汞柱高度差就对应着1磅/平方英寸的力。

在结构良好、运行正常的发动机中，气压表所显示的高度与普通气压计的读数几乎没有任何差异。因此，计算活塞下降时所受的力就变成了一个非常简单的算术问题。首先，需要确定蒸汽压力表中水银面的高度差，这一数值代表了蒸汽压力超过大气压的值。接着，再测出气压表中水银面的高度，这一数值则代表了大气压超过未冷凝蒸汽压力的值。将这两个数值相加，就可以得到锅炉产生的蒸汽推力减去另一侧未冷凝蒸汽所产生的阻力后的净推力，这就是有效的推力。如果规定每两英寸水银柱对应1磅的压力，那么就可以得出活塞每平方英寸所承受的推力大小。再找出活塞横截面的面积，将其乘以每平方英寸的推力值，就能得到活塞移动时所受的力。

从以上分析可以看出，要想估算活塞所受的推力，就必须同时参考气压表和蒸汽压力表。不过，通过让一个仪表同时承担这两种功能，就可以避免这种双重计算。如果将蒸汽压力表中的C端（见图79）不与大气相连，而是直接连接到冷凝器上，那么蒸汽的压力就会作用在BA管中的水银上，而阻碍活塞运动的未冷凝蒸汽的压力则会作用在BC管中的水银上。这样，两根管子中水银面的高度差就能直接反映出蒸汽力与未冷凝蒸汽力之间的差异，而这正是推动活塞的实际力量。

(161.)

不过，这些用来确定活塞所受推力的方法只能被视为近似值，而且精度并不高。如果活塞一侧的蒸汽能够瞬间冷凝的话……

在整个冲程过程中，蒸汽产生的压力或未冷凝蒸汽的压力应保持恒定；此外，如果从冲程开始到结束，蒸汽对活塞施加的压力也始终不变，那么蒸汽压力表与气压计一起就能准确反映蒸汽对活塞的实际作用力。但实际上并非如此。当蒸汽首次通过蒸汽阀进入时，它会对活塞施加一定的压力，这一压力起初会略有下降，之后又略有上升，直到到达蒸汽阀关闭的那一时刻，此后压力才会开始下降。因此，推动活塞的压力是不断变化的；而活塞另一侧未冷凝蒸汽的压力变化则更为剧烈。当排气阀打开时，由于凝结作用的开始，活塞所受的压力会减轻；不过这一过程在活塞下降过程中是逐渐进行的，真空度也会越来越高，直到活塞几乎达到其移动极限。无论是推动活塞的力量还是抵抗它的力量，这些变化都难以通过水银柱来精确测量，因为这类变化会导致水银柱出现波动，从而使得无法准确测定其平均高度。

考虑到这些情况，瓦特先生发明了一种仪器，用来测量活塞的平均有效作用力。与他的所有机械发明一样，这种仪器也完美地实现了其功能，至今仍被广泛使用。该仪器被称为指示器，由一个直径约为13/4英寸、长度为8英寸的圆筒组成。圆筒的内壁经过精密加工，内部装有一个可以顺畅移动且几乎无摩擦的实心活塞。活塞杆通过顶部的轴环沿着圆筒轴线方向移动，这样其整个移动过程中都不会受到摩擦力影响。圆筒底部有一根管道，通过旋塞和螺丝进行控制，借此可将该仪器固定在发动机蒸汽缸的顶部。处于这种位置时，如果打开指示器的旋塞，指示器圆筒与发动机圆筒之间就会形成连通。指示器的活塞杆连接着一个可伸缩的螺旋弹簧，凭借其弹性，该弹簧能够测量出相应的力值。

一种能够像弹簧钢一样使其伸长或压缩的力——就像弹簧秤或天平一样。如果在活塞杆上的任何位置安装一个指针，那么该指针在刻度盘上的位置就会由指示活塞在其缸体中的位置决定。如果有什么力量将指示活塞向上推，从而使弹簧被压缩，[第275页] 则指针会在刻度盘上上升；而如果有什么力量将指示活塞向下压，那么螺旋弹簧就会被拉伸，此时活塞杆上的指针就会在刻度盘上下降。在各种情况下，无论弹簧是处于压缩状态还是拉伸状态，其产生的力都会等于推动指示活塞的力，而刻度盘也可以相应地标出这一力的大小。

现在，假设将这种仪器安装在蒸汽机缸体的顶部，然后打开止回阀，让位于活塞下方的指示器缸体与位于蒸汽活塞上方的蒸汽机缸体之间形成连通。当上方的蒸汽阀打开时，涌入蒸汽活塞的蒸汽也会进入指示器，从而将指示活塞向上推：此时活塞杆上的指针会指向刻度盘上对应的压力值。随着蒸汽活塞下降，指示活塞会随着缸体内蒸汽压力的变化而改变位置，活塞杆上的指针也会在刻度盘上移动，从而显示出活塞下降过程中各点的蒸汽压力。

如果能够观察并记录下指示器活塞杆上指针的位置变化，并将这些位置变化与活塞下降过程中的相应点对应起来，那么我们就能确定活塞下降过程中各点的实际蒸汽压力。不过显然，这样的观测方式并不现实。不过，博尔顿和瓦特公司的助手萨瑟兰先生设计出了一种方法，可以完美实现这一目标。他使用一块方形纸片或卡片，将其固定在一块板上，这块板则可在框架内的凹槽中来回滑动。该框架被放置在靠近指示器的垂直位置，这样纸片就可以在14到15英寸的范围内水平移动。在活塞杆的指示器上，不是安装指针，而是装了一支铅笔：这支铅笔会被轻轻按压……

当上述纸张被弹簧顶住时，若在铅笔的带动下让纸张沿水平方向移动，便会在纸上留下一条直线。如果铅笔保持不动，这条线就会是笔直且水平的；但若铅笔有垂直运动，那么在铅笔下方水平移动的纸张上所留下的线条就会是曲线，其形状取决于铅笔的垂直运动情况。用于支撑纸张的板子通过一根轻绳与滑轮相连，从而实现部分的平行运动，使板子能够交替向右和向左移动。随着活塞的上升或下降，板子在水平方向上的移动距离就代表了冲程的长度，而这一距离的每一小部分都对应着蒸汽活塞冲程的一定比例。

图81。

在装置如此设置的情况下，假设位于气缸顶部的蒸汽活塞开始下降。随着它的下降，连接在指示活塞杆上的铅笔会根据气缸内蒸汽压力的变化而改变高度。与此同时，纸张在铅笔的带动下均匀移动，从而在纸上从右向左画出一条曲线。当活塞到达气缸底部时，上方的排气阀打开，蒸汽被引入冷凝器。此时，指示活塞所承受的压力减小，于是它也会下降，铅笔也随之下降；但与此同时，蒸汽活塞已经开始上升，纸张则又在铅笔的带动下从左向右移动。随着蒸汽活塞继续上升，冷凝作用会越来越彻底，气缸内的真空度也会逐渐增加，进而影响指示器中的压力。

随着动力增加，指示活塞上方的大气压力会将其向下压，同时使弹簧拉伸。与此同时，由于纸张从右向左移动，铅笔会画出第二条曲线。前者曲线反映了推动活塞下降的蒸汽的实际压力，而后者则反映了使活塞上升的未冷凝蒸汽的压力；通过比较这两条曲线，就可以得出作用在活塞上的有效力。图81展示了该仪器所生成的此类图表。[Pg277] A、B、C分别是活塞下降过程中铅笔所画的曲线，C、D、E则是其上升过程中的曲线。A点为活塞开始下降时的铅笔位置，B点为行程中点处的位置，C点则为行程结束时的位置。当关闭上方的蒸汽阀并关闭排气阀后，指示活塞逐渐不再受到蒸汽压力的作用，铅笔随之下降；同时，由于纸张从左向右移动，铅笔又会画出C、D、E这条曲线，这条曲线的逐渐下降过程反映了真空度的逐步增加。由于大气压力始终作用于指示活塞的上方，因此活塞的位置由大气压力与下方蒸汽压力之间的差值决定；所以，在上升和下降行程中对应点处铅笔高度的差值，就代表了在这些点上推动活塞上升的蒸汽压力与阻碍其下降的蒸汽压力之间的差值。因此在行程中点处，BD线就代表了在下降行程中点处推动活塞的蒸汽力与上升行程中点处阻碍活塞的蒸汽力之间的差值所导致的指示活塞弹簧的拉伸程度。因此，BD线所测得的数值就是该点上作用在活塞上的有效力；对于指示仪生成的图表中的其他各点，情况也是如此。活塞行程所产生的全部机械效应，实际上是由其在整个行程中的各种变化效应共同构成的，因此只需通过测量指示仪生成的图表，就可以轻松计算出这一效应的大小。[Pg278] 将铅笔从A点到C点的水平移动距离分成任意多个相等的部分即可。

将冲程分为10个等份：在冲程的中间位置，B D表示作用在活塞上的有效力。如果假设该力在从f到g的这一段冲程中是均匀的，那么B D所表示的数值乘以以英尺为单位的冲程长度的十分之一，就相当于该段冲程中所产生的机械效应，即相当于将重物提升一英尺所做的功。同样地，m n表示冲程进行四分之三时的活塞所受的有效力，将其乘以与之前相同的冲程长度的十分之一，即可得到相应的机械效应。通过将这一方法应用于冲程的每一个十分之一段，并将所得数值相加，就可以得到整个冲程的机械效应，其单位也是“将重物提升一英尺所做的功”。

(162.)

借助指示器，可以得知发动机每次冲程所产生的实际机械效应。如果知道在特定时间内发动机的冲程次数，就可以算出其总机械效应。瓦特还设计了一种名为计数器的仪器，可安装在工作杆或发动机的其他往复运动部件上。该仪器由一系列齿轮装置组成，带有可在刻度盘上移动的指针，类似于钟表的指针。冲程次数的记录方式与钟表或计时器通过指针来显示和记录摆锤或平衡轮振动次数的方式类似。

(163.)

为防止锅炉内的蒸汽因压力过高而引发事故，人们使用了安全阀，其原理与早期发动机中使用的安全阀类似。该阀门如图71中的N处所示。它是一个锥形阀门，由一个重物压在阀杆上使其保持关闭状态。当蒸汽的压力超过该重物的重量时，阀门就会被顶开，蒸汽便可通过管道排出。[Pg279]

为了节省热量，这种废蒸汽管有时会被引入给水槽中，其中的蒸汽会在那里凝结，从而为给水加热。安全阀的尺寸必须确保：当阀门打开时，蒸汽能够以与锅炉产生蒸汽相同的速度流过。因此，这类阀门的通径必须与锅炉的蒸发能力成正比。在低压锅炉中，蒸汽的压力通常为每平方英寸5到6磅，因此，可通过将阀门最小部件的通径乘以该数值来计算作用在安全阀上的压力。而在那些蒸汽压力较高的锅炉中，直接在安全阀上施加足够重的重量会很不方便。在这种情况下，人们会使用杠杆，其较短的一臂用于压下阀门，而较长的一臂则由可调节重物压住，这样就可以根据需要调节作用在阀门上的压力。所有锅炉都应配备两个安全阀，其中一个需被锁定，这样负责维护设备的人就无法增加其负荷。不过，在这种情况下，与阀门相连的手柄必须伸出容器外部，以便工程师随时确认阀门并未被锁住——因为这种情况是有可能发生的。有时也会配备两个安全阀，其中一个的负载略大于另一个。此时，从压力较小的阀门中逸出的蒸汽可以提醒操作人员压力正在上升，进而促使他控制蒸汽的产生量。用于压住安全阀的杠杆有时会由螺旋弹簧驱动，该弹簧可以通过调整产生所需的阀门压力。这种结构被用于那些使用极高压力蒸汽的机车发动机中；在这些情况下，同样会配备两个这样的阀门，其中一个的压力是无法再增加的。向锅炉供水的管道也必然具有安全阀的功能，因为当蒸汽压力过高时，它会将锅炉中的水通过进水管推向上方，使其流入给水槽中，这一现象会立即……

用于显示锅炉内部状态。前述的蒸汽压力表（见图79）也可充当安全阀；因为如果锅炉内的蒸汽压力过高，导致汞从压力表中喷出，那么蒸汽就会通过压力表排出，从而降低锅炉的压力，前提是构成压力表的管道足够粗大，能够实现这一功能。

(164.)

在那些承受极高温度和压力的高压锅炉中，由于存在爆炸风险，人们有时会安装一种金属塞子，这种金属塞子在超过一定温度时就会熔化，而这个温度正是锅炉不允许达到的临界值。一旦蒸汽压力超出正常范围，水和蒸汽的温度也会随之上升；如果金属塞子能在该温度下熔化，它就会从锅炉中脱落，此时蒸汽和水就会从锅炉中泄漏出来。有多种金属合金在较低的温度下就能熔化。例如，由一份铅、三份锡和五份铋组成的合金，在普通水的沸点下就会熔化；而相同金属以不同比例组成的合金，则会在200°至400°不等的温度下熔化。虽然可以使用这种可熔化塞子作为保障安全的措施，但在锅炉的正常工作压力下，不应仅依赖它。这种塞子不仅要能够承受压力，但其熔化温度还应当高于锅炉工作压力加上至少2个大气压时的温度。因此，只有当蒸汽压力比正常工作压力高出30磅/平方英寸时，这种塞子才会熔化。当锅炉停止运行且炉膛内的火焰熄灭后，原本充满蒸汽的空间会因蒸汽冷凝而变成真空状态。在这种情况下，外界的大气压力会试图将锅炉向内挤压。为防止这种情况发生……

为此，该装置配备了向内开启的安全阀，该安全阀通过重物来保持关闭状态，直到蒸汽压力降低后才会打开。在图71中用O标记的位置，有一个由法兰及螺丝固定的大开口，称为检修孔，人们可以通过它进入锅炉内部进行清洁或维修工作。

(165.)

调速器如何调节从锅炉到汽缸的蒸汽供应量，使蒸汽量与所需做的功相匹配，从而维持稳定的运动状态，这一点已在前面解释过（第125页）。由于发动机需要完成的功的多少不同，其蒸汽消耗量也会发生变化，因此显然，锅炉产生的蒸汽量也应随之相应变化。否则，就会出现两种情况：要么锅炉无法为发动机提供足够的蒸汽，要么由于蒸汽产生过多而积聚在锅炉中，最终从安全阀处泄漏出去，造成浪费。为了使蒸汽的产生量与发动机的需求相匹配，就需要调节炉子的燃烧强度，也就是增加或减少蒸发量。炉子的燃烧强度取决于空气流经炉栅的速率，而这一速率又取决于空气在烟道中流动的空间大小。因此，人们会使用一种称为风门 的装置，将其平面与烟道呈垂直状态，通过像调节窗户百叶窗那样上下移动风门，就可以控制空气在烟道中的流动空间。这种风门也可以通过手动方式来调节，从而增加或减少空气流量，进而影响锅炉中的蒸发过程。不过，通过以下设计，无需工程师的干预，就能使火焰的强度与蒸发速率保持均匀的比例关系。在进水管中还有一列水柱（见图71）。

72.) 其重量代表了锅炉内蒸汽压力与大气压力之间的差值。如果发动机消耗蒸汽的速度快于锅炉产生蒸汽的速度，那么锅炉内的蒸汽压力就会下降，进而导致进气管中的水柱高度降低。相反，如果锅炉产生蒸汽的速度快于发动机消耗的速度，锅炉内蒸汽的积聚会增大其中水的压力，从而使进气管中的水柱高度上升。因此，随着锅炉内蒸发速率的任何变化，该水柱的高度必然会上下波动。在这个水柱的表面上放置有一个中空的浮子P；与浮子相连的链条向上延伸，经过两个滑轮后，再向下穿过一个通向锅炉旁烟道的开口；风门就连接在这条链条上。通过这样的设计，当浮子P下降时，风门会上升；而当浮子P上升时，风门则会下降，因为风门的重量经过精确调整，只有当浮子P位于水面上时，风门才能与其保持平衡。
正如前文所述，一旦锅炉的蒸发量不足，浮子P就会下降，风门则会上升，从而为空气通过烟道提供更大的通道。这会促进炉子的燃烧，增强其加热能力，进而提高锅炉的蒸发速率。相反，如果锅炉产生的蒸汽量超过发动机所需，浮子就会上升，风门则下降，这样就能缩小烟道尺寸，减少通风量，减弱火焰强度，从而抑制蒸发。通过这种方式，锅炉中蒸发量的过剩或不足能够影响燃烧过程，使燃烧产生的热量尽可能与发动机的需求相匹配。[第283页]

(166.)
通过炉门手动向炉子供气的方法存在两个问题：其一，它会让比燃烧所需的更多的冷空气进入燃料中；其二，很难确保……

司炉们能够按时上班，这促使工程师们开始研究自调节式炉子的设计。其中最有效、也最被广泛使用的那种炉子，是由伯明翰的威廉·布伦顿先生发明的。他提出的优点在专利中有所说明：
“首先，我以少量煤炭为间隔将煤炭放入炉排上，间隔时间很短，比如每两三秒一次。其次，我会合理布置炉排上的煤炭，使得产生的烟雾必须经过那些煤炭正在燃烧的部分，从而被烧尽。第三，由于煤炭是以固定的间隔加入的，空气的供应也会保持均匀，因此无需火工人员操心。
就节省资源而言：第一，煤炭是通过由发动机驱动的装置送入炉中的，该装置的设置使得煤炭的用量与发动机的工作量成比例；用于燃烧烟雾的空气量也是以相同方式控制的。第二，除了清洁炉火外，炉门从不打开；这样一来，锅炉就不会像普通炉子那样面临持续的不稳定温度，而这种不稳定性对锅炉极为有害。第三，唯一需要做的就是每隔两三小时补充一次煤炭，并在必要时清理炉火。第四，与普通炉子相比，这里的煤炭能更完全地燃烧，因为所谓的‘搅动炉火’的作用——即大量煤炭进入灰烬中——可以在不移动炉排上煤炭的情况下实现。”
圆形炉排安装在一个垂直的旋转轴上；在该轴的下部、灰烬箱下方，有一个由小齿轮驱动的齿轮。这个小齿轮位于另一根垂直轴上，而这根轴则延伸到锅炉上方；在这根轴的另一端，还有一个由小齿轮驱动的斜齿轮。这个小齿轮连接在一根轴上，而这根轴的动力则来自飞轮的轴或与发动机相连的任何其他旋转轴。因此，圆形炉排能够保持恒定的旋转速度，其转速与发动机的转速成正比。

燃料的用量必然也与应消耗的燃料量成正比。在锅炉中位于火格板上方的部分，会设置一个垂直的管道或开口，该开口正对着炉子中距离烟道最远的那部分。在这个开口上方有一个料斗，里面装着用于供给锅炉的燃料；料斗底部有一个可开合的滑动阀，通过它可以调节供给火格板的燃料量。燃料通过这个阀门以少量形式落入火格板上，随后被火格板带动四处移动，从而使火格板上的某些区域保持空闲状态，以便接收后续的燃料。通过料斗送入的煤块事先已被破碎到合适的尺寸；在某些型号的装置中，还有两个间距固定的滚筒，其表面呈钝角状，由发动机驱动缓慢旋转。煤块必须先经过这两个滚筒，才能到达通往炉子的阀门，从而被进一步破碎并变成统一尺寸。控制燃料进入量的阀门通过链条和滑轮与前述的自调式风门相连，因此当风门上升时，控制燃料进入量的阀门也会随之打开。这样一来，随着风门根据发动机需求增加进风量，料斗底部的阀门也会以相同的比例打开，从而增加燃料的供应量。在火格板前方还设有若干开口，这些开口也由调节装置控制，用以引入足以使燃料燃烧产生的气体充分燃烧所需的空气量，这些开口同样与自调式风门相连。锅炉中的水所吸收的热量中有相当一部分会通过锅炉表面、蒸汽管道以及与蒸汽和热水接触的其他机械部件以辐射的形式散失掉。在船用发动机中，这种热量损失尤为明显，因为从锅炉通往气缸的蒸汽管道中会有大量水凝结。而在陆用的固定式锅炉中，通常可以通过在锅炉周围包裹隔热材料来减少这种热量损失，有时甚至可以完全避免。在某些情况下，锅炉还会用砖块砌成圆形结构。在康沃尔郡，人们或许特别注重经济性……

与其他地方相比，锅炉及蒸汽管道周围有更多的锯末作为隔热材料。由于锯末几乎不导热，因此能够有效阻挡来自其接触表面的热量，从而将所有热量限制在锅炉内部。在船舶用锅炉中，人们最近习惯在锅炉及蒸汽管道上涂覆毛毡，其效果也与此类似。只要正确使用这些措施，因锅炉辐射而造成的热量损失就会降至极低水平。不过，在那些采用康沃尔式发动机、且锅炉产生的蒸汽温度极高的情况下，机舱内的温度仍常常低于外界空气温度，进入机舱后会给人一种身处洞穴中的感觉。

(167.)
所有机械作用都可以通过所施加的力或所克服的阻力，以及该力作用的范围或阻力移动的距离来衡量。发动机动力所产生的总机械功，一部分用于驱动发动机本身，另一部分则用于克服发动机需要作用的阻力。其中，用于克服发动机所作用的阻力或负载的机械能，以及用于驱动发动机本身的能量，被称为机器的有效功。因此，总功会大于有效功，其差值即为用于驱动发动机本身的能量，或是可能被发动机以各种方式浪费或消耗的能量。通常，人们会根据所克服的阻力的性质，用将一定重量提升到一定高度来表示和估算所有的机械作用。例如，如果一台发动机在驱动磨坊、拉动道路上的马车或推动水中的船只时能够产生一定的功率，那么它所必须克服的阻力就相当于一定重量的重力。当拉动马车时，牵引力会使车轴受到与附加一定重量时相同的拉力；当船上的桨轮旋转时，水会对桨轮产生与桨轮试图提升某一定重量时所受到的阻力相等的阻力。无论如何，重量都体现了发动机所作用的阻力所对应的能量大小。不过，机械作用的强度还取决于阻力的大小以及该阻力移动的距离。因此，无论是阻力大小还是其移动距离增加，机械作用的强度都会按相同的比例上升。也就是说，100磅的阻力在2英尺的距离内移动所产生的机械效应，等同于200磅的阻力在相同距离内移动所产生的机械效应。

每英尺移动的重量，或者说是每六英寸移动的400磅重量。为简化机械效应的表达方式，人们通常将其简化为一定重量被提升一英尺所产生的效果。如果所考虑的阻力相当于一定重量被提升十英尺所产生的效果，那么它总是以该重量被提升一英尺所产生的效果的十倍来表示。

在表达机械效应时，人们还习惯以磅作为重量单位，以英尺作为长度单位，这样所有的机械效应都可以用一定重量被提升一英尺所产生的次数来表示。

(168.)

蒸汽机中动力产生的总效应，就是锅炉中水蒸发所释放出的全部机械力。其中一部分能量会在蒸汽作用于活塞之前因部分冷凝而损失，之后也会因为蒸汽未能完全冷凝而进一步损失；另一部分能量则用于克服各运动部件之间的摩擦，以及空气对机器施加的阻力。如果机器的运动受到突然的冲击，那么部分能量就会因这些冲击导致的动量损失而丧失。但如果那些做往复运动的部件能够在每次改变方向时逐渐停止，那么就不会有能量因此而损失。

(169.)

根据不同的考量角度，发动机的有用效应有不同的名称。如果从能量产生的时间角度来考虑，它就被称为“功率”。

(170.)

如果从产生蒸发的燃料角度来考虑，它则被称为“负荷”。

(171.)
当蒸汽机首次被投入使用时，它们通常被用来驱动那些此前由马匹驱动的磨坊水泵。在签订合同时，最初的蒸汽机制造商们需要提供能够完成与一定数量马匹所完成的工作量相当的蒸汽机。因此，将这类机器的性能与制造商、矿工等长期以来习惯使用的马力概念相对照来表示，既方便又必要。如果一台蒸汽机能够在规定时间内完成与一定数量普通强度的马匹相同的工作量，那么它就被认为具有相应的马力。在这一术语形成固定且统一的含义之前，蒸汽机已经使用了相当长的时间，因此蒸汽机的额定功率其实是非常随意的。不过，随着蒸汽机应用范围的不断扩大，由于各种与机器性能相关的问题所带来的混乱与不便，人们便有必要为表示蒸汽机功率的术语赋予某种固定且明确的含义。显然，放弃长期沿用的“马力”这一术语会带来不便；而只要所有蒸汽机制造商以及使用蒸汽机的人都能就定义马力的标准达成一致，继续使用这一术语也是没有问题的。于是，人们选择了一匹普通强度的马每天工作八小时所能完成的工作量作为蒸汽机功率的标准或单位。斯米顿估计，这样一匹马在八小时内能完成相当于每分钟提升22,916磅重物的机械功，而德萨古利埃则认为同样的功率应为每分钟提升27,500磅重物。这两种估算值之间的差异，很可能是因为它们是基于不同类别的马的性能得出的。博尔顿和瓦特先生们利用伦敦酿酒厂里使用的强壮马匹进行了实验，根据实验结果，他们将每分钟提升1英尺重物33,000磅的数值定为1马力的标准值。

马力是目前被普遍采用的发动机功率单位；当说某台发动机的功率为若干马力时，意思是指在正常运转且得到妥善维护的情况下，该发动机能够以每分钟一英尺的速度推动相当于33,000磅重量的物体。因此，10马力的发动机意味着它能够以每分钟一英尺的速度提升330,000磅的重量。

至于“一匹马的功率”这一数值是否准确，以及它与马实际所能做的功之间的关系，在蒸汽动力应用中已不再重要。因为蒸汽机早已不再用于替代马的力量，所以也不存在基于此类比较的合同。因此，当将“马力”这一术语用于蒸汽机时，应理解为它与真正的动物力量毫无关联，而只是用来表示该机器以每分钟一英尺的速度推动上述重量物体的能力而已。

（172.）

如前文所述（67页），将一定体积的水转化为蒸汽会产生一定的机械力，这一力值取决于水蒸发时的压力以及利用蒸汽做功时所涉及的膨胀原理的程度。显然，这一机械力值是发动机功率无法超越的上限。如果不对蒸汽进行膨胀利用，那么当已知蒸汽作功时的压力时，从锅炉传递到动力机械中的全部水能就很容易计算出来。本书附录中列有表格，显示了在不同压力下，一立方英尺的水转化为蒸汽后所产生的机械力，该力值以每分钟提升多少磅重量的形式表示。在需要高精度计算的情况下，必须考虑蒸汽作功时的压力；但从表格中可以看出，当蒸汽不经过膨胀就直接作功时，其机械力值几乎不会随压力变化而改变。因此……

如前所述，人们假定：每有一立方英寸的水以蒸汽的形式被输送到气缸中，就会产生一定的力，这一力可表现为将一吨重的物体提升一英尺高所产生的力。由于33,000磅几乎相当于15吨，因此，每分钟有15立方英寸的水转化为蒸汽，或每小时有900立方英寸的水转化为蒸汽时，所产生的机械力就相当于一匹马的力量。如果再加上为驱动发动机本身而需要的水量（与负载无关），那么就可以得出每匹马力所需的每小时供水量，而这个数值无论气缸的尺寸或结构如何都是相同的。

(173.)

发动机在运转过程中自身所消耗的功率，即那些与驱动负载无关的功率，会随着发动机制造精度的提高以及其在运行过程中的维护状况的好坏而减少。不同发动机在这些方面的差异非常大，因此很难制定出关于在满足驱动负载需求之外还应该预留多少功率的一般性规则。发动机运转过程中机械能的损耗方式可以列举如下：

首先，蒸汽从锅炉输送到气缸的过程中，会因为蒸汽管道及其他输送通道的辐射作用而失去热量。由于锅炉中产生的蒸汽与水接触，属于湿蒸汽，因此即使热量损失很小，也会导致部分蒸汽凝结。这种凝结的程度越高，发动机从燃料中获取的热量就会相应减少，从而导致功率下降。有人认为，在估算功率时应当考虑将蒸汽通过不同直径的管道输送时所受到的摩擦力，並据此进行相应的扣除。但实际上并非如此：蒸汽在经过这些管道后……

进入气缸的仍然是普通蒸汽，由于将其从锅炉输送到气缸的过程中需要消耗能量，其压力会降低。但在较低压力下，它的机械效能与在锅炉中的效能几乎没有差别。如果在该压力下其体积保持不变，那么就会因压力差而导致效能下降；但由于其体积会以与压力降低几乎相同的比例增大，因此相同重量的蒸汽在气缸中的机械效能仍会与在锅炉中大致相同。

其次，气缸及其附属部件会散发热量，从而导致蒸汽部分凝结，进而降低机械效能。

第三，在活塞每次往复运动时，蒸汽会充满蒸汽阀与活塞之间的通道，但在活塞开始运动的那一刻，这些蒸汽的利用效率会降低。如果活塞能够与气缸的两端实现完全密封，且蒸汽阀能够与活塞的侧面或顶部直接接触，那么所有通过蒸汽阀的蒸汽都能被有效利用；但由于活塞与气缸两端之间、以及气缸侧面与蒸汽阀之间必然存在一定的间隙，无论多小，总会有与气缸容积成正比的蒸汽在每次活塞运动时无法被有效利用。这部分蒸汽被称为“间隙蒸汽”。

第四，由于活塞必须与气缸保持完全密封的状态，无论采用何种密封方式，它都会与气缸壁产生一定的摩擦。这种摩擦会为活塞的运动带来阻力。

第五，机器中那些容纳蒸汽的连接部位都可能存在泄漏现象，所有由此逸出的蒸汽都会被视为能量损失。

第六，当排放阀打开、让蒸汽流入冷凝器时，需要一定的力来将蒸汽从……中排出。

气缸。这种力会作用在活塞上，从而在某种程度上抵消蒸汽从另一侧施加的推力。此外，冷凝器中的水很难被冷却到100°以下，而在这一温度下，蒸汽的压力约为每平方英寸1磅。这些蒸汽会持续充满气缸，进而阻碍推动活塞运动的力。第七，还需要提供动力来开启和关闭阀门或滑阀，驱动空气泵、热水泵和冷水泵，同时还要克服各运动部件的摩擦力，包括横梁的主轴、连杆、曲柄以及飞轮轴的摩擦力。

显然，不同发动机中这些阻力因素的数值差异很大，因此任何关于它们总量的大致估算都只能是一种粗略的估计而已。

(174.)

有许多因素阻碍了某种标准发动机功率指标的实际应用：要使锅炉达到所需的蒸发速率，需要多大的炉子以及多大的加热表面积，这些都无法确定；每位发动机制造商都有自己的一套标准，而这些标准也都缺乏可靠的实验依据。因此，决定锅炉蒸发速率的各种因素几乎完全未知。即便假设蒸发速率已经确定，蒸汽在进入气缸过程中因冷凝而消耗的功率、蒸汽推动活塞之后未能完全冷凝所导致的能量损失、机器各运动部件之间的摩擦力，尤其是不同规模发动机中这些能量损失所带来的影响差异，也都完全不清楚。因此，我们只能大致了解发动机制造商在制造具有特定功率的发动机时的常规做法而已。

在目前我们所讨论的那些大型低压发动机中，通常情况下，在相同的燃料和相同的工作条件下，每单位额定马力对应的锅炉加热表面积应在10到18平方英尺之间。不过，不同制造商的实践方式并不完全一致。需要指出的是，每马力拥有18平方英尺加热表面积的锅炉，并不意味着其蒸发能力就一定高于那些只有10平方英尺表面积的锅炉。实际上，不同制造商生产的蒸汽机虽然额定马力相同，但其锅炉的蒸发能力却存在差异。气缸的尺寸是由发动机的额定马力决定的，而锅炉的蒸发能力则通常被设定为使活塞以每分钟200英尺的速度运动。基于这一标准，通常每单位额定马力对应的活塞表面积约为22平方英寸。如果这种额定马力符合既定的标准，那么在每分钟200英尺的运动速度下，活塞所受的压力应为7.5磅/平方英寸。这类发动机锅炉的安全阀承受的压力通常为4到5磅/平方英寸，因此锅炉内的蒸汽压力则在19到20磅/平方英寸之间。这样一来，如果作用在活塞上的实际压力仅为7.5磅/平方英寸，那么用于克服发动机摩擦力以及因蒸汽在某一侧部分冷凝而在另一侧未能完全冷凝而产生的能量损失，将会达到12到13磅/平方英寸，这一数值几乎是发动机预期有效作用的两倍。

莫兹利与菲尔德公司通常认为，每单位额定马力对应的锅炉每小时应能蒸发10加仑，即1.6立方英尺的水。他们同样认为，每单位额定马力对应的活塞表面积约为22平方英寸，同时假设活塞的移动速度为每秒200英尺。[24]

至于与发动机功率相对应的炉排表面积，目前也尚未有明确的定论，不同制造商的实践标准也有所不同，每单位额定马力的炉排表面积在0.5平方英尺到1平方英尺之间不等。

锅炉的受热面面积与炉排的燃烧面面积与锅炉蒸发能力之间的比例，目前尚未通过实验确定，据我们所知，也没有任何可靠的实测数据可以说明这一比例。发动机制造商们对于产生一马力动力所需的蒸发量所做的估算或推测，范围在每小时一到两立方英尺的水量之间。此前已经证明，每小时900立方英寸的蒸发量，即略多于半立方英尺的水量，就能产生相当于一马力的机械功率；由此可知，如果蒸汽机锅炉的蒸发量真如工程师们所设想的那样，那么每名义马力所能产生的机械功率实际上会在2马力到4马力的范围内变化。上述估算仅适用于30马力以上的双作用蒸汽机。而用于矿井排水的单作用蒸汽机的性能，则已被更精确地测定出来。这主要得益于康沃尔郡实施的严格监督制度，我们日后会进一步详细阐述这一点。

(175.)

在表示发动机的性能指标时，最好能将锅炉的性能与发动机本身的性能分开来考虑。锅炉的性能是通过一定量的燃料所能蒸发的水体积来衡量的，而不考虑蒸发所需的时间。因此，其性能指标可以用蒸发的水体积除以实现该蒸发量所需的煤炭量来表示，这里以一蒲式耳作为燃料的单位。需要注意的是，发动机或锅炉的性能与其功率是完全不同的，且彼此独立。两台锅炉的功率可能相差很大，但它们的性能指标却可能相等或更低。同样数量的煤炭在两台锅炉中可能使相同体积的水蒸发，但前者完成这一过程所需的时间可能是后者的两倍。

一个锅炉的功率会比另一个高出一倍，而两者的负荷则相同。同样地，用于驱动两台发动机的同一桶煤可以产生相同的效用，但在其中一台发动机上实现这一效用的时间可能只有另一台的一半。在这种情况下，两台发动机的负荷相同，但其中一台的功率将是另一台的两倍。[第295页] 总之，功率与时间有关，而负荷则与燃料有关。发动机产生机械效应的速度越快，其功率就越大，无论其运行时消耗多少燃料。另一方面，给定重量的燃料所产生的效用越大，其负荷也就越大，无论该燃料产生效用需要多长的时间。

(176.) 气缸的冲程与直径之比必须根据希望赋予活塞的速度来确定。在气缸容积相同、锅炉中的蒸汽产生量也相同的情况下，活塞的速率会随着其直径的减小而增加。气缸的直径与冲程之比差异很大。用于轮船的发动机中，气缸的长度几乎不会超过其直径；而在陆地用发动机中，长度与直径的比值则更大。有些人认为，气缸的直径与长度之比应尽可能小，以便让尽可能小的表面积暴露在外部空气中进行冷却。特雷德戈尔德则认为，由于在冲程过程中，蒸汽是从顶部到底部逐渐与气缸表面接触的，因此与蒸汽接触的平均表面积仅为整个气缸表面积的一半，所以直径与冲程之比应使得相当于气缸一半长度的表面积，再加上顶部和底部的表面积，总体积达到最小。如果接受这一原则，那么最佳的直径与冲程之比应为1:2，即冲程长度是直径的两倍。

气缸；但由于气缸的整个表面始终处于空气的冷却作用下，且在活塞往复运动的间隙中，其表面温度并无明显变化，因此通过冷却方式散失的热量实际上是与气缸内始终充满蒸汽时的情况相同的。既然如此，那么就应该让气缸的尺寸设计得当，使其包括顶部和底部在内的整个表面积尽可能小。[第296页] 根据这一要求得出的尺寸比例，与船舶发动机中的实际尺寸非常接近，即气缸的长度应等于其直径。

如果在低压发动机中，气缸内的蒸汽压力为每平方英寸17磅，那么蒸汽的体积大约是产生它的水的体积的1500倍。因此，在锅炉中每蒸发一立方英尺的水，就有1500立方英尺的蒸汽流经气缸。如果希望活塞的运转速度为每分钟25次，即每小时1500次，那么在活塞到达行程末端时，位于蒸汽阀与活塞之间的那部分气缸的容积，应当相当于锅炉每小时蒸发的水的体积的一半。

如果在中途切断蒸汽供应，那么气缸内的空间容积就会等于锅炉实际蒸发的水的体积；而如果将每蒸发一立方英尺水所对应的功率视为1马力，那么气缸的容积就等于该发动机的额定功率数值。

(177.)

发动机的性能会因其结构、大小、工作环境以及应用目的的不同而有所差异。在无需膨胀作功的双作用发动机中，每额定马力每小时所需的燃煤量在7到12磅之间。几年前，我对几艘政府所属蒸汽船的蒸汽使用记录进行了分析，结果显示当时最先进的船舶发动机每额定马力的平均燃料消耗量约为8磅/马力。

每小时。然而，由于无法准确掌握锅炉中水的实际蒸发量，也无法精确测定流经汽缸的蒸汽的数量与压力，因此这一估算只能被视为一种近似值，其中存在多种误差因素。关于锅炉和发动机在制造业及航海领域中的性能问题，目前还尚未得到令人满意的研究结果；希望这些发动机的所有者能够共同努力，对其燃料消耗、水蒸发量以及实际工作效率进行严格分析。如果能够妥善开展此类研究，其成果或许比当前阶段科学上的任何发现或机械设计上的任何创新更能推动蒸汽机的技术进步。

(178.)

多年来，人们一直对康沃尔郡用于矿井排水的蒸汽机性能进行着严格的调查研究，而这些研究为相关方的利益带来了极大的好处。用于抽水的这类蒸汽机通常为单作用式发动机，蒸汽在其中发挥着重要的膨胀作用。蒸汽在锅炉中以极高的压力产生，进入汽缸后，在整个冲程的一小部分时间内就会停止供应，剩余的冲程则由蒸汽的膨胀来完成。大约在1811年，康沃尔郡一些主要矿井的所有者同意在乔尔·利恩船长的管理和指导下建立这种检测体系，并定期发布月度报告。这些报告中会列出以下数据：1. 活塞上每平方英寸所承受的负荷；2. 煤的消耗量（以蒲式耳计）；3. 发动机的冲程次数；4. 泵的冲程长度；5. 负荷的重量（以磅计）；6. 发动机的效率，即每消耗一蒲式耳煤所能提升的重量；7.

每分钟的冲程次数；8. 气缸的直径与冲程长度，以及发动机的总体描述。在开始进行这些检测时，接受检测的发动机数量为21台。1813年这一数字上升至29台；1814年为32台；1820年则上升至40台[第298页]；1828年为57台；1836年为61台。之所以会有如此逐步增加的趋势，是因为这种检测制度带来了诸多积极效果。这些好处不仅体现在现有发动机的性能提升上，也体现在后来制造的发动机效率的逐步提高上。

以下表格摘自托马斯·利恩兄弟公司最近由英国协会出版的关于康沃尔式发动机性能的报告，它清晰地展示了从该检测制度实施至今，康沃尔式发动机性能的改善情况。该指标是以一蒲式耳煤炭所能提升的重量来表示的。

年份　发动机数量　整体平均功率　最佳发动机平均功率
1812年　21台　19,300,000　26,400,000
1813年　29台　19,500,000　26,400,000
1814年　32台　20,600,000　32,000,000
1815年　35台　20,500,000　28,700,000
1816年　35台　23,000,000　32,400,000
1817年　35台　26,500,000　41,600,000
1818年　36台　25,400,000　39,300,000
1819年　40台　26,300,000　40,000,000
1820年　46台　28,700,000　41,300,000
1821年　45台　28,200,000　42,800,000
1822年　52台　28,900,000　42,500,000
1823年　52台　28,200,000　42,100,000
1824年　49台　28,300,000　43,500,000
1825年　56台　32,000,000　45,400,000
1826年　51台　30,500,000　45,200,000
1827年　51台　32,100,000　59,700,000
1828年　57台　37,100,000　76,800,000
1829年　53台　41,700,000　77,000,000
1830年　56台　43,300,000　78,000,000

1831年：58，43,400,000，71,100,000
1832年：59，45,000,000，85,000,000
1833年：56，46,600,000，84,300,000
1834年：52，47,800,000，90,900,000
1835年：51，47,800,000，91,700,000
1836年：61，46,600,000，85,400,000
1837年：58，47,000,000，87,200,000
1838年：61，48,700,000，84,200,000

作为该检测系统首次应用后对单台发动机效率提升效果的一个例证，可以提及斯特雷帕克发动机的情况。这台由博尔顿和瓦特共同设计的发动机拥有60英寸的汽缸，1811年首次被记录时，其输出功率为16,000,000磅。经过三年的监测后，其输出功率上升到了32,000,000磅，这一数值是根据12个月的平均运行数据得出的。在不到三年的时间里，其输出功率就翻了一番。从上表中的数据可以看出，发动机效率的提升并非源于某种重大或突然的改进，而是由于在这些机器的运行细节上进行了大量微小的改进所共同作用的结果。这些改进更多得益于实际经验的成功应用，而非科学研究带来的新原理。约翰·泰勒先生在其《矿业记录》一书中详细记载了导致发动机输出功率提升的各种改进措施，并按时间顺序说明了这些改进及其背后的原因。以下是从他的估算中摘录的一些有趣数据：
1769年，即瓦特最早取得发明成果之后不久，但那些发明尚未得到实际应用，斯米顿计算出在泰恩河畔纽卡斯尔运行的15台大气压力发动机，其平均输出功率为5,590,000磅。其中性能最好的发动机的输出功率为7,440,000磅，而最差的则为3,220,000磅。
1772年，斯米顿开始对这类发动机进行改进，使其输出功率提升到了9,450,000磅。

1776年，瓦特所设计的发动机能产生的功率为21,600,000。当时，斯米顿承认瓦特设计的发动机所产生的功率是他自己设计引擎的两倍。1778年至1779年间，瓦特报告称该发动机的功率已提升至23,400,000。从1779年到1788年，瓦特进一步改进了这种发动机，使其功率上升到了26,600,000。[第300页]1798年，由博尔顿和瓦特共同设计的、安装在赫兰德的发动机，其产生的功率被记录为27,000,000。这台发动机很可能是当时最出色的发动机，因此引起了瓦特的极大兴趣；他专程前往康沃尔郡查看这台发动机，并对其进行了大量实验。该发动机由博尔顿和瓦特公司在康沃尔郡的代理人默多克负责管理。当瓦特检查这台发动机时，他认为它已经完美无缺，再也无法进行进一步的改进了。这真是奇妙的例子——即便是最聪明的人也难以预见到机械改进所带来的结果！20年后，最优秀的发动机所产生的平均功率接近40,000,000，而40年后则超过了84,000,000。

锅炉制造厂。

脚注：
[24] 如果将22平方英寸的活塞表面积视为1马力，那么发动机的功率就可以通过用活塞直径的平方（以英寸为单位）除以28来计算。反之，若要确定对应于某一特定功率的活塞直径，则需将该马力数乘以28，然后取其平方根。不过，如果活塞的运动速度不同，这些规则就不再适用；因为在这种情况下，同样的活塞表面积就无法再代表1马力了，除非同时改变作用在活塞上的有效压力。

汉斯沃思教堂中的瓦特小堂。

第十章
[第301页]

目录索引
瓦特先生的生平简介——他在伯明翰的朋友与合作伙伴——复印机的发明——蒸汽加热技术——用蒸汽烘干亚麻布——水的成分理论——瓦特的第一次婚姻——第一任妻子的去世——他的第二次婚姻——幼子的离世——从他的信件中摘录的内容——布罗厄姆勋爵对瓦特性格的评价——沃尔特·斯科特爵士的观点——杰弗里勋爵的看法——他晚年的生活——用于复制雕塑的机器的发明——他的最后岁月——纪念碑。

（179.）

既然我们已经将关于蒸汽机发明与应用的历史分析一直延续到这位杰出人物的逝世之时，而人类之所以能享受到蒸汽机带来的种种益处，正是得益于他的智慧与创造力，那么，在这部作品中花些篇幅来介绍他在艺术与科学其他领域的杰出成就，以及与他个人经历和生命终结相关的种种情况，或许也不算离题。在瓦特与博尔顿合伙后搬到伯明翰附近的索霍地区时，那里居住着许多致力于艺术与科学研究的人士，其中一些人后来因他们的发现和著作而声名显赫。其中包括因物理科学领域的发现而名垂千古的普里斯特利、哲学家兼诗人达尔文、著名的医生兼植物学家威瑟林、出版了麦克克尔著作译本并附有注释的化学家基尔、鸟类学家高尔顿，以及因对轮式车辆等课题的研究而广为人知的埃奇沃思。这些人共同组建了一个协会。

还有其他一些人，其中布尔顿和瓦特是其中的核心成员。他们每月在满月之夜举行聚会，因此该团体被称为“月球协会”。在这些聚会上，人们会探讨与艺术和科学相关的话题，而这些讨论偶尔会带来一些具有重大意义且有益的结果。在某次聚会上，达尔文称自己发现了一种由两支笔尖构成的工具，利用它只需一次操作就能同时写出信件的原件和副本。瓦特几乎立刻就表示自己能找到更好的方法，并决定当晚就开始思考。次日早晨，他便发明了复写机，后来还为此获得了专利。

这种如今在各种办公场所广泛使用的机器，其实是由一个压纸装置构成的——先将浸过水的薄纸压在需要复写的信件上，那些墨水尚未完全干透的文字就会在压在上面的薄纸上留下印记，这样就能通过半透明的纸张看到复写出来的内容。如果使用适合此用途的墨水书写，那么在信件写成后的几小时内随时都可以进行复写。

通过蒸汽为住宅和建筑物供暖的方法也是由瓦特提出的，后来这一技术得到了改进并得到了广泛应用。虽然早在17世纪中叶，休·普拉特爵士以及1745年的库克上校都曾提出过类似的想法，但这些提议都未能实现。瓦特则提出了详细的蒸汽供暖方案，同时还发明了一种用蒸汽烘干亚麻布的机器，他将该机器的描述交给了布鲁斯特博士，该描述于1824年12月在苏格兰实用艺术促进协会上被宣读。

不过，除了与蒸汽机发明相关的事迹之外，瓦特职业生涯中最值得铭记的，还是他在揭示水的成分方面的贡献。这一发现最近引起了极大的兴趣，也因此带来了一些……

关于这一争议，我们将在此处尽可能清晰地阐述与之相关的主要事实。
长期以来，水一直被认为是一种简单的元素，但现代科学已证明，水实际上是由两种气态物质通过化学作用结合而成的物质。这两种气体在化学中被称为氧气和氢气。如果将8格令重的氧气与1格令重的氢气混合，再让它们发生化学反应，那么就会生成9格令重的纯水。
反之，如果将9格令重的纯水置于能够使其成分分离的条件下，那么就会得到8格令重的氧气和1格令重的氢气。物理学中有多种方法可以实现这些变化，此处只需介绍一种实现上述变化的方法即可。
如果将8格令重的氧气与1格令重的氢气一起放入一个密封的容器中，排除其他所有物质，然后点燃该混合物，就会发生爆炸，气体消失，容器中仅会剩下少量水。如果称量这些水的重量，会发现其恰好为9格令。
众所周知，金属具有很强的吸氧性，而提高金属的温度会进一步增强这种吸氧能力。如果用玻璃管装入烧红的铁丝，而在管子的一端连接一个盛有沸水的容器，那么从水中产生的蒸汽会试图从管子中烧红的铁丝间隙中逸出，人们原本以为这些蒸汽会从管子的另一端出来；但实际上，从管子另一端出来的并非蒸汽，而是氢气。如果通过称重来确定这种气体的量，以及管子另一端的水因蒸发而减少的重量，就会发现水因蒸发而减少的重量是從管子另一端逸出的氢气重量的九倍。如果再称量装有铁丝的管子的重量，会发现它的重量增加了8格令。

从另一端逸出的氢气的重量。由此可知，从管子中逸出的氢气的重量，加上管内金属丝重量的增加量，就构成了所有蒸发水的总重量。如果进一步观察管内的金属丝，就会发现它已经发生了氧化反应，换言之，其中形成了另一种物质——氧化铁；这种物质是由氧气和铁构成的化学化合物。因此，在这一过程中，水蒸气在穿过管子时被分解了，它将其中的氧气交给铁，而氢气则从另一端逸出；每有9格令重的蒸汽通过管子，就有8格令的氧与铁结合，1格令的氢从管子另一端逸出。现代关于水成分的发现正是基于这类现象。这一发现的功绩归功于著名的英国化学家卡文迪许以及同样著名的法国化学家拉瓦锡，不过主要功绩仍归于前者。现在我们将简要介绍促成这一发现的相关事实及其时间，这些信息自然也能显示出瓦特在这项发现中所起的作用。当纯氢气在普通空气环境中燃烧时，其反应过程实际上只是氢气与从空气中获取的、重量为其自身8倍的氧气发生化学结合，而燃烧的产物则是重量为所消耗氢气9倍的水。1776年，当时著名的化学家麦克尔将一个白色瓷碟放在瓶口正在燃烧的氢气火焰上方，他观察到没有烟雾产生，瓷碟上也没有积灰。不过，过了一段时间后，他在瓷碟上发现了透明液滴；他对这种液体进行了分析，发现它是纯净水。麦克尔仅陈述了这一事实，没有做任何评论或推断。他并没有意识到，瓷碟上产生的这种水其实是一种物质……

瓶子里含有氢气，而这种氢气在燃烧后会从瓶中消失。1781年4月18日，沃尔特艾尔给普里斯特利博士写了一封来自伯明翰的信，这封信被收录在1781年在伯明翰出版的《普里斯特利关于空气的实验》一书中。在信中，沃尔特艾尔告知普里斯特利：他曾在密封的玻璃容器中点燃了氢气与普通空气的混合物；虽然点燃前这些容器是干净且干燥的，但之后却在容器壁上观察到了水珠状的沉积物。实际上，那里存在着之前并不存在的水分。这次实验是通过在容器中通入电火花来引发反应的；现在人们知道，这一反应的结果就是构成容器内气体混合物的氢气与同样属于该混合物的氧气发生了结合。从沃尔特艾尔的信件内容来看，普里斯特利似乎之前也进行过同样的实验，并得到了相同的结论。沃尔特艾尔由此推断——普里斯特利也似乎认同这一观点——每当氢气在空气中燃烧时，空气中始终存在的湿气就会沉积下来；不过这两位化学家都没有意识到产生水的真正原因。1783年初，最迟在4月21日，卡文迪许重复了沃尔特艾尔和普里斯特利的这项实验，不同之处在于：他没有让氢气与普通空气的混合物爆炸，而是让氢气与氧气的混合物爆炸。他观察到爆炸后有水存在，但并未从中得出任何结论。在1783年4月发表的一篇论文中，普里斯特利宣布了他实验中的另一个极为重要的结果：在测定氢气与氧气混合物爆炸后产生的水的重量时，发现该重量恰好等于这两种在反应过程中消失的气体的重量之和。

看到这一现象后，正如前文所述，当时身为瓦特近邻的普里斯特利立即将自己的观察结果告知了瓦特。瓦特随即在同月26日写信表示，根据普里斯特利的观察结果可以得出这样的结论：水是一种由氧和氢组成的物质，只不过其中原本以潜热形式存在的能量已被释放掉了。[27] 普里斯特利立刻将这封包含这一推论的信件交给了当时担任皇家学会会长的约瑟夫·班克斯爵士，以便提交给该学会审议；这封信件连同日期一起被刊登在《哲学汇刊》第74卷中。

在瓦特寄出那封信大约两个月后，拉瓦锡对氧和氢的燃烧现象进行了实验，并在巴黎的科学院发表了报告，阐述了他关于这两种气体结合生成水的观点。这篇报告后来于1784年发表在《科学院院刊》上。报告中称这些实验是在1783年6月进行的；同时还有记载指出，当时在场的查尔斯·布兰登爵士告诉拉瓦锡，卡文迪许早已在密闭容器中让这些气体发生反应，从而得到了相当数量的水。

1784年1月15日，卡文迪许那篇题为《关于空气的实验》的著名论文在皇家学会上宣读，文中解释了水是由氧和氢结合而成的。在后来的争论中，关于卡文迪许与拉瓦锡谁应该获得发现水成分的荣誉的问题，查尔斯·布兰登爵士声称，他在1783年6月告诉拉瓦锡的内容比拉瓦锡所承认的还要多——他不仅告诉拉瓦锡水是由气体燃烧产生的，还向他阐述了关于水成分的完整理论。布兰登的这一声明时间在1784年1月之后，而且没有证据表明在1783年4月之前，卡文迪许或其他任何人曾以口头或其他方式解释过这一理论。

从这些关于事实与日期的简短描述中可以看出，发现“氧与氢燃烧后产生的水的重量等于参与燃烧的氧与氢的重量之和”这一事实的功绩属于普里斯特利；而从这一事实推断出“水是一种由氧和氢构成的化合物”这一结论的功绩则属于瓦特。[28]至于那些后来得出了相同结论并传播了同一理论的人，他们是否知晓瓦特对这一现象的解答，或者，在瓦特给普里斯特利写信之后的任何时候，那些声称自己早在那之前就已经得出相同结论但并未发表或以合理可信的方式证明自己观点的人应获得怎样的赞誉，这些都是我们在此不予讨论的问题。我们只需确认瓦特有权享有对普里斯特利所发现的这一事实进行解释的理论的发现者荣誉即可。

即便在晚年，当他不再从事商业活动之后，最微小的刺激也足以激发他那沉睡中的发明天赋。任何出现在他视野中的物品，都会被他加以改造，使其形式与结构适合于实际用途。以下这个轶事便可作为他这种不断思考的活力的例证：——格拉斯哥的一家公司在克莱德河右岸建造了庞大的建筑以及强大的引擎，用于为城市供水。在投入了大量资金之后，他们发现河左岸有一处水质更为优良的水源。由于已经付出了如此大的建设成本，他们无法再考虑更换供水地点，于是打算在河底铺设一根柔软的吸水管，将其末端连接到那个纯净水源处。这根管道需要由铺设在河床上的支撑结构来固定，但很快人们就意识到，在充满不平整状况、水深达数英尺的泥泞河床上建造这样的支撑结构，所需的资金将会远远超过……

应当给予应有的尊重。面对这一难题，那位经验丰富的机械师被请来帮忙——对于他而言，格拉斯哥正是他开始从事专业工作的地方——而他立刻就解决了这个问题。据说，是餐桌上的一只龙虾引起了他的注意：他开始思考如何用机械方式制造出一种带有关节的铁制装置，使其具备与龙虾尾巴相同的灵活性。于是他提出，应该使用一种可弯曲的吸管，这种吸管能够适应河流底部的各种不平整状况以及可能发生的变化；该吸管的直径应为两英尺，长度则为1000英尺。公司根据瓦特的设计图稿成功实现了这个计划。[29]

在瓦特为祖国做出的那些虽不那么引人注目但却同样有用的贡献中，还可以提到他在漂白工艺中引入氯元素这一成就。这一由贝尔托莱特发明的技术，是在1786年底瓦特访问巴黎之后被引入英格兰的。他亲自设计了所有必要的设备，负责设备的安装，并监督其首次应用过程。之后，他将这项工作的继续进行交给了自己妻子的父亲麦克格雷戈先生。

当化学家们开始关注气体的特性时，人们便尝试将它们用作治疗肺部疾病的方法。贝多斯博士积极从事这方面的研究，并通过私人募款在克利夫顿建立了一所机构，专门用于深入研究这种治疗方法。这家机构后来因为拥有当时刚刚开始其科学生涯的汉弗莱·戴维而声名鹊起。詹姆斯·瓦特也是该机构的创始人之一。不过，他并不满足于仅以自己的名字为该机构背书，还亲自设计并在索霍制造出了用于生产气体并将其输送给病人的设备。

由于瓦特在众多机械和哲学方面的发明与发现展现出了非凡的智慧，赢得了世人的钦佩与尊敬；而他的善良与仁慈品质，也同样赢得了人们的喜爱与尊敬。

在私人关系中所展现出的高尚品德，与他那些卓越的发明成果一样广为人知。1764年，当时29岁的瓦特与他的表妹米勒小姐结婚。由于种种挫折，他陷入了沮丧之中，甚至患上了严重的神经疾病。然而，妻子出色的才能、敏锐的智慧、温和的脾气以及善良的品格，很快让他恢复了健康。这段婚姻为他们生了四个孩子，两个儿子和两个女儿。其中两个孩子在幼年时夭折；另一个女儿嫁给了格拉斯哥的米勒先生；而第四个孩子就是现在的詹姆斯·瓦特先生。1773年9月，当瓦特的丈夫正在苏格兰北部设计喀里多尼亚运河时，瓦特夫人因生第五个孩子而去世，那个孩子也是死产的。“但愿我能将他每天记录下自己内心想法、恐惧与希望的那些文字完整地抄录下来，”阿拉戈先生说，“但愿你们能看到，在经历如此沉重的打击之后，他站在那间不再有‘亲切的迎接者’等待他的屋门前，无法鼓起勇气走进那些再也无法见到‘生命中慰藉’的房间！或许，这样一幅描绘极度悲伤的景象，终能让那些固执的理论家们闭嘴——他们尽管看到无数反例，却仍然拒绝承认那些因严谨科学的深刻而崇高且永恒的真理而得到启迪的人也拥有高尚的品德！”几年后，瓦特又娶了麦克格雷戈小姐为妻。据说她具备出色的心智品质，能够成为适合丈夫的伴侣。这位女士比瓦特活得更久，于1832年高龄去世。他们的第二次婚姻也有了两个孩子。1800年，布顿和瓦特因改进发动机而获得的长期专利权到期，瓦特便彻底退出了商业领域。接替他的是他的两个儿子，也就是现在的詹姆斯·瓦特先生，以及他第二次婚姻所生的儿子格雷戈里。苏荷的工厂则继续由瓦特先生的合伙人之子——现在的布顿先生，以及两位瓦特先生共同管理。

1804年，格雷戈里·瓦特因胸部疾病在27岁时去世。这一悲剧让瓦特先生深感痛苦，但他并没有像阿拉戈所描述的那样陷入绝望之中。相反，他依然保持着贯穿其整个一生的那种积极向上的心态，也没有失去对文学创作以及社交活动的兴趣。从穆尔黑德先生发表的他在那段时期写的信件中，可以了解到他当时的心境：

“希斯菲尔德，1805年1月26日。
* * ‘或许我之前已经向您和坎贝尔夫人透露了太多关于自己心境的信息。因此，我觉得有必要说明：我并没有消沉下去；如果您在这里，就会发现我在朋友们的陪伴下依然像往常一样快乐。对于失去可怜的格雷戈里，我的感受并非激烈的情绪，而只是对他和我都遭遇如此命运的深深惋惜。’
‘我知道所有人终有一死，我也愿意接受自然的安排，希望以应有的敬畏之心面对命运的安排者。不过，失去了一个激励我前进的动力，不知为何，我也失去了对以往爱好之事的兴趣。也许时间能在一定程度上弥补这一点；在此期间，我仍会尽力寻找能让自己愉悦的方式。’”

“希斯菲尔德，1805年4月8日。
* * ‘看到在这个世界上，即便是最优秀的人也会如此轻易地被抛弃，实在令人难过；但事实本就如此。不过，我们还是无法避免感受到家庭中的巨大空虚。每当看到儿子的书籍、他的作品和画作时，我总会问自己：创造这些作品的头脑和完成它们的人现在在哪里？按照自然规律，他本也应该这样问我；但事情并非如此，我们的悲伤也毫无用处。正如卡图卢斯所说：——
----‘现在，沿着黑暗的道路前行吧，
前往那个绝无人能返回的地方。’”

愿邪恶的黑暗降临于你们身上，那些吞噬一切战争的恶魔们啊！
“但卡图卢斯是个异教徒；希望他现在能在另一个更美好的世界中欢欣生活，远离我们的忧虑、悲伤与病痛。有人说过：‘我并不会彻底死去’；格雷戈里的名字以及他的功绩与美德，至少会像那些认识他的人一样长久地流传下去。由此你们不必以为我们陷入了悲痛之中；相反，你们会发现我们依然保持着应有的快乐心情，也依然愿意享受身边剩下的朋友带来的欢乐。但如果我们毫无遗憾的话，那才真是像野兽一般。”
在写下这些信件的时候，瓦特已经七十岁了，到了这个年纪，人们通常不会再进行过于繁重的脑力劳动。[第313页]
1819年夏天，瓦特开始出现健康状况不佳的症状，不久他就意识到自己生命即将走到尽头。他对那些忧心忡忡的朋友们说：“我非常感激你们对我的关爱，现在我已病入膏肓，特此向你们表示感谢。”他于1819年8月25日去世。他的遗体被安葬在希斯菲尔德庄园附近的汉兹沃思教堂里。他的儿子在他的坟墓上建造了一座哥特式小教堂，教堂中央摆放着钱特里创作的雕像。
瓦特的个人品格无疑赢得了那些有幸能与他交友的杰出人士的钦佩与喜爱。这些人当中有一些人将会以他们的才华为当代留下最深刻、最持久的印象，他们也将把瓦特带给他们的感动传递给后人。在此，我们只能通过重复三位最杰出的朋友——也是当时最著名的人物——对瓦特品格的描述，来尽可能公正地展现他的个性。
1824年，人们召开会议打算为瓦特建立纪念碑，布罗厄姆勋爵在会上发表了演讲，其中有一些值得注意的观点：——

我有幸在私人交往中与瓦特先生相识多年；我愿意为他说几句见证之词，相信所有有过这份荣幸的人都会赞同我的看法——那些只知道他那些令人惊叹的公开成就的人，其实只是了解了他价值的一半而已。那些有机会与他交往的人都会承认，像他那样纯洁、坦诚、纯朴且极其重视正义的人，在社会中实属罕见。这位真正伟大的人物最令人惊叹的特点之一，就是他多才多艺的才能。他的成就极为多样，心智能力也极为强大，而且这些能力可以应用于各种领域，以至于我们很难判断：是应该更钦佩他非凡的理解力，还是他能够将这种理解力精确地运用到最微小的研究对象上的能力。有人说过，他的心智就像大象的躯干，既能拾起细小的稻草，也能连根拔起树木。从某种程度上说，瓦特先生也像他自己发明的最伟大、最著名的发明品一样——我们不知道该更惊叹于他处理庞大物体的能力，还是处理细微物品的技巧；因为对于他来说，没有什么是太大而无法处理的，也没有什么是太小而无法精准操作的。他能够切开岩石，让泉水从地底喷出，同时也能以极高的精确度制造出针头或刻出复杂的图案。那些认识瓦特先生的人，都会看到这样一个人：他的天赋足以创造出这样的机器，也能进行最深奥的哲学思考；他能从地质学和天体物理学中最宏大的研究，比如地球的形成和宇宙的结构，立刻转向制造针或钉子这类工作；他能够在同一次谈话中，以同样的精确度，甚至同样的高超技巧，讨论艺术中最复杂的细节、古典文学中的优美之处、科学中最深奥的领域，以及语言批评中的细微之处。

“瓦特先生身上有一种品质，使他远远区别于众多发明家，这一品质实在值得所有人敬仰。”

他完全没有嫉妒心，反而始终保持着严谨克己的态度，生怕自己哪怕无意中也会显得在占为己有本属于他人的东西。我曾听他拒绝人们普遍认为他应得的“蒸汽机发明者”这一荣誉，自称自己只是蒸汽机的改进者而已。在我看来，质疑他获得这一荣誉的资格，就如同质疑艾萨克·牛顿在其重大发现上的权利一样荒谬——因为在数学领域有笛卡尔，在天文学与力学领域有伽利略，他们都比他更早取得成就；同样，否认他那位杰出继承人的功绩也是不对的，因为电学并非他的发明，尽管在瓦特出现之前，电学对科学来说就跟蒸汽机在瓦特之前对工业而言一样毫无用处。我所知道的、他唯一会表现出的嫉妒，就是对于其他发明家的权利要求，他总是喜欢仔细地加以权衡。他将科学发现视为比任何其他财富都更为重要的事物，认为发明者的称号极为神圣，因此常常能听到他花费数小时来解决那些存在争议的权利问题。而一旦看到他情绪失控，那通常是因为有人的发明被他人据为己有，或是有人用拙劣的奉承手段试图将本不属于他的荣誉强加于他身上。

在《修道院》一书的序言中，沃尔特·斯科特是这样评价瓦特的：

“当时约有六十位来自北方的杰出人物聚集在一起。在这群人当中，站着瓦特先生——正是他的天才发现了让我们的国家资源得到极大扩充的方法，其程度或许甚至超出了他自身的计算与组合能力所能达到的极限；他将深渊中的宝藏带到了大地之上，赋予人类孱弱的双臂如同阿弗里特神一般的强大动力，让制造业像先知手中的魔杖在沙漠中创造出水一般蓬勃发展，让人们能够摆脱时间的束缚，无需等待那些不会为任何人停留的时刻，也无需依靠那种连薛西斯都无法控制的狂风来航行。这位掌控自然力量的强大领袖，这位缩短时间与空间的能手，这位拥有神奇机械的魔法师……”

他给世界带来了变革，其影响虽然极为深远，但或许直到现在才刚刚开始显现。他不仅是最伟大的科学家，更是最善于整合各种力量、最擅长为实际目的进行数值计算的人；他不仅学识渊博，更是最善良、最仁慈的人之一。

“他就站在那里，被我所提到的那群北方文人围着——一般来说，这些人对自己名声和观点的执着程度，不亚于那些因功绩而获得荣誉的人对自身地位的捍卫。我仿佛仍能看到、听到那些再也无法见到或听到的场景。在82岁高龄时，这位机敏、善良且富有同情心的老人，依然对每个人的提问都给予认真回应，随时准备提供帮助。”

“他的才华与见识涵盖各个领域。有一位先生是著名的语言学家，他与这位老人谈论字母的起源，就好像两人是同时代人一样；还有一位是著名的评论家，你会以为这位老人一生都在研究政治经济学与文学作品。至于科学领域，就更不用说了——那正是他的强项。然而，当克拉特巴克上尉与你国的杰迪戴亚·克莱什博瑟姆交谈时，你会以为他与克拉弗斯、伯利以及那些迫害者和被迫害者是同时代人，甚至能准确说出龙骑兵向那些逃亡的圣约信徒射击的次数。事实上，我们发现，没有哪本有名的小说是他没读过的；这位天才的科学家对你们的国家作品同样痴迷，简直就像一个18岁的学徒一样贪读小说，毫无羞耻之心且固执己见。”

1819年9月4日，《苏格兰人报》在瓦特去世后不久，刊登了杰弗里勋爵所写的如下文章：

“幸运的是，这个名字无需我们再加以纪念；因为拥有这个名字的人活到了亲眼看到它获得无可争议的荣耀之时。”

荣誉；或许要经过许多代人的时间，它才能获得“全部的声誉”。我们说过瓦特先生是蒸汽机的伟大改进者；但实际上，就其结构中的种种精妙设计以及巨大的实用价值而言，他更应被视作蒸汽机的发明者。正是通过他的发明，蒸汽机的工作方式得到了精确控制，从而能够用于最精细、最复杂的制造工艺中；同时，它的动力也得到了极大提升，足以克服重量与坚固度的限制。凭借他那令人惊叹的发明，蒸汽机在力量与灵活性方面都堪称非凡——它既能发挥出惊人的动力，又能轻松、精准地调节动力并加以运用。大象的躯干虽能拾起针状物或折断橡树，但在蒸汽机面前却不堪一击。它能雕刻印章，也能碾压坚硬的金属；它能毫无困难地拉出细如丝线的纤维，还能像举起小玩物一样将战舰抛向空中。它能用来刺绣薄纱，也能锻造锚具；能把钢铁切割成带状，还能推动满载的船只穿越狂风巨浪。[第316页]
“这些发明为这个国家带来的好处实在难以估量。没有任何一个产业不是受益于它们的；在所有最重要的领域里，它们不仅极大地拓展了人类活动的范围，还将产品的产量提高了数千倍。正是我们改进后的蒸汽机，在欧洲的战争中发挥了重要作用，帮助我们的国家在那些激烈的斗争中保持并提升了政治地位。正是这股强大的力量，使得我们现在能够偿还债务，并以那些税收负担较轻的国家的技巧与资本，继续进行着艰难的斗争（1819年）。不过，这些还只是对其重要性的片面认识而已。实际上，它极大地增加了人类的舒适与享受，让财富与繁荣的要素在全世界范围内变得廉价且易于获取。简而言之，它为人类弱小的双手赋予了无穷的力量；实现了人类对物质中最难控制的特性的掌控；并为未来那些有助于人类发展的机械奇迹奠定了坚实的基础。”

这将为后代带来回报。这一切也主要归功于一个人的天才；确实，从未有任何人将如此宝贵的天赋赐予自己的族人。这份恩惠不仅是普遍的，而且是无边无际的；那些被当时粗陋的世人误以为神明的犁与织布机的发明者，所带给人类的益处，也远不及我们现今蒸汽机的发明者。
“这将是瓦特在后人眼中的名声；对于他的家族和祖国而言，这已经足够了。但对于那些与他生活在一起、能与他交流的人而言，这或许并非人们最常想起他、最深切怀念他，或是最钦佩他的特质。除了在机械领域的卓越成就之外，瓦特还是一个非凡的人，在许多方面都堪称杰出。在他那个时代，或许没有哪个人拥有如此丰富、多样且精确的知识——没有哪个人读过这么多书，也没有哪个人能如此准确而清晰地记住所读的内容。他具有极快的理解力、惊人的记忆力，以及一种能够从各种信息中提炼出宝贵内容的分析能力。他的知识储备极为庞大，但更令人惊叹的是他对这些知识的掌控能力。似乎无论在谈话中提到哪个话题，他都是刚刚研究完或彻底了解过的——他能够毫不费力、毫不犹豫地提供大量、精确且清晰的信息。这种敏捷的思维和广博的知识并不仅限于他与日常工作相关的内容。他精通化学、艺术以及大多数物理科学领域，这一点或许可以推测出来；但从他的日常工作中是难以推断出他在古代史、形而上学、医学和词源学等众多领域也有深厚的造诣，同时他对建筑、音乐和法律的所有细节也极为熟悉。此外，他对大多数……也相当了解。”

他精通各种现代语言，熟悉这些语言中的最新文学作品。听到这位伟大的机械师与工程师花费数小时来详细阐述德国逻辑学家的形而上学理论，或批评德国诗歌的创作手法与内容，也并非什么奇怪的事。

“他惊人的记忆力无疑在很大程度上得益于另一种更为高级且罕见的能力——那就是他将所接收到的所有信息加以整理、归类到适当位置的能力；同时，他还能本能地摒弃那些无价值或无关紧要的信息。任何进入他脑海中的概念似乎都会立刻找到自己的位置，被浓缩成最简洁明了的形式。因此，他似乎从不为所阅读的那些枯燥书籍中的冗长文字或所听到的无聊谈话所困扰，而是能通过一种‘智力炼金术’立即提取出所有值得关注的内容，并将其转化为最实用、最简单的形式。因此，人们常常能从他对那些乏味作家理论与论点的简短而精辟的阐述中学到比普通学生通过苦读原文所能获得的更多知识；而那些错误与荒谬之处，也会因为他的清晰明了的表述而暴露出来——若没有这种宝贵的帮助，这些错误很可能会迷惑大多数听众。”

“不用说，凭借如此丰富的知识储备，他的谈吐始终充满智慧且极具启发性；而且，如果可能的话，他的谈吐甚至比单纯的智慧更令人愉悦，因为他拥有接触所有知识宝藏的便利条件。他在待人接物方面极为友善，从不傲慢或挑剔，对所有接近他的人都非常宽容体贴。至少在晚年时，他很喜欢交谈；虽然他会积极参与对话，但很少主动提出话题，而是乐于接受周围人提出的话题，让那些无聊无趣的人惊叹不已。”

他总能从那些人们无意间开启的“知识矿藏”中汲取财富，从而提出各种主题。实际上，他似乎对讨论哪个话题并无特别偏好或选择；而是让自己的思维如同一部庞大的百科全书，随时准备回应同伴们选择的任何话题。他会从自己那取之不尽的知识库中挑选出最能符合听众口味的内容来讲述。至于听众的理解能力，他根本不在意；而他那种将一切事物解释得清晰易懂的独特天赋，使得几乎没人能在他面前察觉到这种不足。他的讲话虽然信息量庞大，但却毫无说教或正式演讲的意味，反而充满口语化的亲切感与趣味性。在他的谈话中始终流露着一种沉稳而严肃的幽默感，再加上适度的玩笑成分，使得那些精炼且丰富的信息更具吸引力。他有时会以一种假装严厉或责备的语气对待年轻的朋友们，但朋友们总觉得这是他友善与亲昵的表现，因此比任何权威人士的恭维话都更受重视。他的声音低沉有力，尽管通常说话时语调较低且略显单调，但这与他简洁有力的表达方式十分相配，也让他讲述那些有趣轶事时更加出色——他总是面带严肃的表情，嘴角挂着平静的微笑。他的举止中既没有刻意为之的痕迹，也没有急躁情绪，更没有骄傲或轻浮的表现；相反，他的态度中流露出一种从容的力量与温和的自持，这是我们从未在其他人身上见过的。他性格中极度厌恶一切冒失、炫耀和虚伪的行为，总是用真诚坦率的语言和态度来揭露这类伪装行为。

在性格与性情方面，他不仅善良且充满爱心，还十分慷慨，总是体谅周围人的感受；对于那些展现出天赋或向他寻求帮助与建议的年轻人，他总会给予最慷慨的支持与鼓励。他的健康状况从年轻时起就较为虚弱，但随着年龄的增长似乎逐渐好转；直到生命的最后一刻，他依然保持着卓越的智力，以及那些曾让他度过幸福时光的活力与开朗性格。他在苏格兰的朋友们从未见过他像1817年秋天那次访问时那样充满智慧与谈吐的活力，也从未见过他如此令人愉悦且富有启发性。事实上，正是在那之后，他以年轻时的热情投入到一种能够机械复制各种雕塑和雕像的机器的发明工作中，并将这种机器的初步成果作为一位即将迎来八十三岁生日的年轻艺术家的作品分享给朋友们。

这样一段幸福而有益的人生最终平静地结束了。整个夏天他都有一些不适，但在去世前几周才真正生病。那时，他完全意识到了即将到来的结局；以他一贯的冷静与善良，他似乎只是急于向身边的朋友们指出，在这样的时刻中仍存在着许多可以带来慰藉的因素。他衷心感谢上帝赐予他漫长的生命，让他免于遭受大多数与年龄相关的疾病，同时也感谢上帝让他在一天辛勤的工作结束后还能享受宁静而快乐的晚年生活。就这样，他在满载岁月与荣誉、处于极度平静的状态下，毫无痛苦与挣扎地交出了灵魂，从家人的怀抱走向了上帝的怀抱。

英国人向来对天才与卓越的智力才能缺乏认同感，除非这些才能直接体现在政治或战争领域之中。这种无能……

瓦特展现了最高水平的智慧与才华，堪称典范。那些比英国政府更有能力认识到这位伟人天赋的人向英国政府建议：鉴于该国在资源拓展与国力增强方面深受瓦特的恩惠，应当由国家出钱为他建造一座宏伟的纪念碑。然而政府的回应却是不能采纳这样的提议，因为这可能会为将来类似的情况树立先例！类似情况的先例？世上何时才会出现类似的情况呢？实际上，威斯敏斯特教堂里的那座纪念碑是由私人捐款建立的；而英国政府拒绝给予这一荣誉的行为，让整个国家蒙受了永恒的耻辱。为这位伟人建造的其他雕像和纪念碑，大多也是出于詹姆斯·瓦特本人的孝心以及对他无尽的敬仰之情而建立的。他向格拉斯哥大学赠送了一尊雕像，该雕像被安放在该校的某个大厅里。格林诺克的居民也为瓦特打造了一尊大理石雕像，为此还花费了约3,500英镑来建造一座图书馆，这些费用均由詹姆斯·瓦特承担。在格拉斯哥的乔治广场一角，还有一座矗立在漂亮花岗岩基座上的巨大青铜雕像。威斯敏斯特教堂里的那座纪念碑，是通过前述公众募捐活动筹集资金而建成的，它是由钱特里创作的、用卡拉拉大理石制成的巨大雕像。

1784年，瓦特当选为爱丁堡皇家学会的会员；1785年成为伦敦皇家学会的会员；1787年成为巴达维亚学会的成员；1808年则成为法国科学院的通讯会员。1806年，格拉斯哥大学授予他法学博士学位；1814年，法国科学院授予他哲学家所能获得的最高科学荣誉，并将他列为该院的八位外籍院士之一。

威斯敏斯特教堂里那座纪念碑的基座上刻有布罗厄姆勋爵所写的铭文：[Pg320]

并非为了让某个名字永垂不朽——只要和平的艺术继续繁荣，这样的名字本就无需流传——而是为了表明人类已经学会尊重那些最值得他们感激的人：国王、他的臣子们，以及王国中的众多贵族与平民。人们为詹姆斯·瓦特建立了这座纪念碑，因为他凭借非凡的才华，早在从事哲学研究时就开始努力改进蒸汽机，从而为他的国家带来了巨大的财富，提升了人类的能力。他堪称科学领域中最杰出的代表人物之一，也是世界上最伟大的贡献者之一。他于1736年出生于格林诺克，1819年在斯塔福德郡的希斯菲尔德去世。

汉兹沃思教堂中的瓦特小堂。

脚注：
[25] 可参阅布坎南所著的《燃料经济性与热量管理》一书，尤其是其中关于利用蒸汽进行加热和干燥的内容。
[26] 可参阅布鲁斯特所编的《爱丁堡百科全书》中“蒸汽干燥机”一文。
[27] 沃特向普里斯特利宣布这一重要发现时所用的原文如下：
“现在让我们来思考一下可燃物（氢气）与去燃素空气（氧气）在燃烧过程中究竟发生了什么。这两种气体激烈地结合在一起，变得通红，冷却后则完全消失。当容器冷却后，其中会含有与所用空气重量相等的水分。因此，水就是该反应的唯一产物；而水、光和热都是该反应的产物。
那么，我们是否可以得出这样的结论：水是由去燃素空气（氧气）和燃素（氢气）构成的，只不过它们失去了部分潜在的热量；而去燃素空气或纯空气（氧气）则是由失去了燃素（氢气）的水构成的，同时还包含了原始的热量和光；而这些热量和光以潜藏状态存在于水中，因此无法被温度计或肉眼察觉。如果光只是热的一种表现形式，或是伴随热出现的现象，又或是可燃物（氢气）的组成部分，那么纯空气或去燃素空气（氧气）就仍然是由失去了燃素（氢气）的水构成的，同时还包含了原始的热量。”
[28] 若想更详细地了解这一争议，可参阅J. P.穆尔黑德先生所编的《阿拉戈颂词译本》，该书附有注释与附录，由伦敦的默里出版社于1839年出版。
[29] 约翰·罗比森爵士在1820年将关于这一非凡装置的描述以及根据沃特提供的图纸绘制的插图发表在《爱丁堡哲学杂志》上，详见该杂志第三卷第60页。

第十一章　铁路上的机车
[第321页]

目录索引
非冷凝式发动机——勒普尔德的发动机——特雷维西克与维维安的发明——
铁路运输的影响——机车的发展历史——布伦金索普的发明——查普曼兄弟的发明——可移动式发动机——斯蒂芬森在基林沃思设计的发动机——利物浦与曼彻斯特铁路线——实验性尝试——“火箭”号机车、“桑斯佩雷尔”号机车以及各种新型机车——后来对机车的改进——拉德纳在1832年的实验——黄铜管道的应用——布斯先生的报告——最先进的机车的详细描述——机车的动力来源——锅炉中的蒸汽蒸发现象——拉德纳在1838年的实验——铁路列车行驶时所面临的阻力——坡度限制问题——坡度带来的补偿效应——使用“赫克拉”号机车进行的实验——克服陡坡的方法。

(180.)
在我们迄今为止所探讨的各种蒸汽机改良方案中，作用在活塞一侧的压力，其作用效果要么完全来自另一侧因冷凝而产生的真空状态，要么部分来自这种真空状态。这就意味着必须要有冷凝装置，以及持续且充足的冷水供应。因此，这类发动机必然具有较大的尺寸和重量，不适合那些需要小型轻量级机器的场景。如果不需要冷凝装置，那么活塞所受的阻力将始终等于大气压力[第322页]，而能够作为驱动力的只有超过大气压的那部分蒸汽压力。因此，在那些不依靠冷凝原理工作的发动机中，必须使用比大气压力高得多的蒸汽，这类发动机便被称为高压发动机。

不过，我们不应将所有使用高于大气压的蒸汽的发动机都视为高压发动机；因为在那些基于瓦特原理设计的普通发动机中，安全阀所承受的压力为每平方英寸3到5磅，而伍尔夫设计的发动机中，蒸汽的压力则为每平方英寸40磅。因此，这类发动机更应被称为冷凝式发动机，而非低压发动机——这一术语根本不适用于伍尔夫的发动机。实际上，所谓高压发动机，指的是那些不会产生真空状态的发动机，其活塞在运作时所面对的压力与大气压相等。在这种发动机中，所有的冷凝装置，如冷水箱、冷凝器、空气泵、冷水泵等都被省去了，仅保留锅炉、气缸、活塞和阀门。因此，这种发动机体积小、重量轻且成本低廉。它还具有便携性，必要时可以连同负载一起移动，因而非常适合用于机车领域。

（181.）

高压发动机是最早的蒸汽发动机形式之一。在《发明世纪》一书中已引用的那篇文章（7.）中对这种发动机的描述较为模糊，但它实际上就是一种高压发动机；因为文中提到的动力，其实就是蒸汽对抗大气压所产生的弹力。1705年，纽科门将工作杆、气缸和活塞应用于大气压驱动的发动机上；而约在1720年，洛普德将工作杆和气缸与高压原理相结合，从而制造出了最早由气缸和活塞驱动的高压发动机。以下是对洛普德所设计发动机的描述：—[第323页]

图82。

A（图82）为锅炉，其下方为炉膛；CC为两个带有实心活塞PP′的圆柱体，这些活塞与工作杆BB′相连，而泵杆RR′则连接在两个增压泵FF′上，这两个增压泵与一根大型压力管S相连接；G为前文已描述过的四通阀（66）。在图中所示的位置，蒸汽从活塞P的下方排出到大气中，活塞因自身重量而下降；同时，来自锅炉的蒸汽以等于蒸汽压力与大气压力之差的力向上推压活塞P′。这样，增压泵的活塞R就被向上拉动，而活塞P′则将活塞R′向下压，从而将水打入压力管S中。当活塞P到达圆柱体C的底部、活塞P′到达圆柱体C′的顶部时，其位置便发生改变。

如图83所示，活塞的位置发生了变化。刚刚推动活塞P′上升的蒸汽会逸散到大气中，而来自活塞P下方锅炉的蒸汽则继续推动活塞P上升，因此P在蒸汽压力作用下上升，而P′则因自身重量而下落。通过这种方式，活塞R被压下，从而将泵缸中的水推向压力管S；同时活塞R′上升，以便让另一个泵缸重新充满水，如此循环往复。在压力管的底部设有阀门，以防止已被推入其中的水流回。该阀门是向上开启的，因此作用在其上的水压只会使其更牢固地闭合。每当活塞下降时，作用于阀门的向上压力会大于其上水的重量，从而使阀门打开，进而有更多水进入。

（182.）

从瓦特改进发动机之后直到本世纪初，这些国家完全忽视了非冷凝式发动机。1802年，特雷维西克和维维安两位工程师制造出了第一台此类非冷凝式发动机，它也在这个国家得到了广泛的实际应用。图84展示的是该机器的垂直剖面图。锅炉AB是一个两端为平圆的圆柱体。其燃烧室的结构如下：一根管道从圆柱形锅炉的一端进入，随后在接近另一端的位置转向并弯曲，最终又回到与进入方向平行的状态，从而从同一端的另一处离开锅炉。这根管道的一端与烟囱E相连，烟囱则如图中所示向上延伸。管道的另一端装有门，门内设有格栅，格栅由水平杆构成，可将管道分为两部分：上部为燃烧室，下部为灰烬槽。燃料则储存在……

在CD所示的管道部分，燃烧状态体现在那些横杆上；火焰则借助烟囱的抽力沿着弯曲的烟道流动，最终在E处进入烟囱。这样，火焰就会穿过水，从而使水受到尽可能多的热量作用。

图84。

F处显示的是圆柱体的截面，它完全浸没在锅炉中，只有上端几英寸的区域除外，那里装有四通阀G，用于调节蒸汽的进入量。H处则是一条管道，它从该四通阀延伸至烟囱；这样，推动活塞工作后的废气便通过这条管道被排出，进入烟囱。活塞杆的上端装有一根横杆，其方向与锅炉的长度以及活塞杆的方向都垂直。这根横杆在运动时依靠固定在锅炉两侧、彼此平行的两根铁制垂直杆来引导。在这根横杆的两端还连接着两根连杆。

其下端连接着两个曲柄，这些曲柄固定在一条贯穿锅炉下方并位于气缸中心正下方的轴上。该轴由支撑锅炉的支架上的轴承来支撑，而在轴的末端则固定有飞轮，如B处所示。在这条轴上还装有一个大齿轮；当曲柄轴转动时，这个齿轮就会带动其他齿轮转动，进而驱动发动机所连接的任何机械装置。如图所示，蒸汽从锅炉中通过活塞上方的弯曲通道G流出，而活塞下方的蒸汽则通过图中未显示的管道被引出，最终进入管道H，再从那里排入烟囱。因此，流经活塞上方的蒸汽会将其向下推，而向上的压力则不会超过大气压。活塞下降的力量取决于锅炉内蒸汽压力高于大气压的程度。当活塞到达气缸底部时，四通阀会被调整到图85所示的位置。这一动作是由活塞杆的移动产生的。此时，蒸汽从活塞上方通过管道H进入烟囱，而来自锅炉的蒸汽则通过活塞下方的另一根管道排出。在这种情况下，活塞上方的压力不会超过大气压，而其下方的压力则等于锅炉内蒸汽的压力。因此，活塞会因这些压力差而上升。当活塞到达气缸顶部时，四通阀又会再次被调整到图85所示的位置，活塞随之再次下降，如此循环往复。在锅炉上，于V位置还安装了一个安全阀，该阀门上装有重量为W的砝码，其重量与所需处理的蒸汽压力成正比[Pg327]。在所描述的这类发动机中，该安全阀的负荷通常为每平方英寸60至80磅。由于高压发动机的锅炉更容易因爆炸而发生事故，相比使用低压蒸汽的锅炉，人们需要采取更严格的预防措施。

有措施可以防止此类情况发生。此外还设置了一个第二安全阀，该阀门不由轮机师控制。这样一来，轮机师虽然能够降低蒸汽压力，但却无法将其提升到超过该安全阀所设定的限度，因为该安全阀不在他的控制范围内。然而，最危险的状况其实是锅炉中的水因蒸发而消耗得过快，导致水位低于炉管所在的位置。为避免由此引发事故，在锅炉上某个特定深度处钻了一个孔，确保水位不会降至该位置以下；在这个孔中，人们用铅或其他金属焊接了一个塞子，当温度升高到可能危及锅炉安全的程度时，这个塞子就会熔化，从而为蒸汽提供排放通道，避免锅炉爆炸。前述的那种水银蒸汽压力表也被用作额外的安全装置。当蒸汽压力超过管道所能容纳的水银柱高度时，水银就会被冲出，管道便会让蒸汽排出。用于补充锅炉水的液体则由发动机驱动的泵送入锅炉。为了节省热量，这些水被储存在环绕着管道H的管子T中。当活塞工作后的废气通过管道H排出时，它会将部分热量传递给管子T中的水，这样这些水在被泵送入锅炉之前就已经被加热到了特定温度。这样一来，原本以蒸汽形式从锅炉中散失的部分热量，又会随着补充进锅炉的水一起返回锅炉中。显然，以这种方式制造的发动机可以用于所有需要冷凝式发动机才能实现的功能。

（183.）在这台发动机的专利获批两年后，其发明者又制造出了同类型的机器，用于推动铁路上的车厢；1804年，这种机器在某条铁路上得到了成功应用。

位于南威尔士的梅瑟尔泰德维尔。其原理与前述装置相同，只不过这里的圆柱体处于水平状态，活塞杆则沿着道路的方向运动；活塞杆的末端通过连杆带动安装在轴上的曲柄，而这些曲柄又驱动着两个带齿的轮子，这些轮子再带动其他轮子运转，最终将动力传递到马车后轮的轴上，从而使该轴持续旋转。由于后轮固定在轴上并随其一起转动，因此也会随之旋转；只要马车的重量不超过道路摩擦力所能承受的范围，马车就能向前移动。在该轴上还装有一个飞轮，用于在每次冲程结束后保持旋转状态。前轮则可以像普通马车的前轮一样转动，从而为车辆提供导向作用。设计者最初考虑将这种马车用于普通道路上，但这一想法后来被放弃，它仅在上述铁路线上被使用。在首次试验中，它拖动了多达十吨重的车厢，行驶了九英里，全程无需补充水源，行驶速度可达每小时五英里。

（184页）

近年来，资本与技术力量被大力投入到内陆交通的改善之中，这一对国家财富与文明发展至关重要的工具也因此得到了相应的推动。如今所取得的成果，若是在几年前描述的话，恐怕只能出现在小说或传奇故事中。谁能相信，一台装有数百名乘客、以及大量水和煤炭的庞大铁制机器，能够从曼彻斯特出发，不到一小时就抵达三十多英里外的利物浦呢？然而，这已成为日常甚至几乎每小时都会发生的事情。如此高的运输速度，与其所承载的重量相比，同样令人惊叹。在这方面，它的能力甚至远远超过英国两大商业中心的运输需求。

在英国，货物重量从50吨到150吨不等，运输速度平均为每小时15英里。曾有一次，我们看到有一批货物——或者更准确地说是一车车货物——总重量达230吨，从利物浦运往曼彻斯特，运输速度则为每小时12英里。如果铁路蒸汽运输技术已经成熟，达到了通过长期实践、先进的科学知识以及大量资金投入所能实现的完美状态，那么人们对于这种运输速度的惊叹或许会减轻一些。但现实并非如此。机车制造技术远未成熟，甚至还处于起步阶段。在利物浦铁路开通之前，就连工程师们也对这种技术的能力一无所知，因此他们认为运输重货才是这项事业的主要目标，也是其主要收入来源。1830年进行的初步试验中就展现出了惊人的运输速度，这一现象让公众和科学界大为震惊，仿佛出现了一种前所未见的新现象。在赫斯基森先生不幸遇难的那次事件中，他的遗体在25分钟内就被运送了约15英里的距离，运输速度高达每小时36英里。自铁路开通以来，与其预期相反，其来自乘客运输的收入几乎是来自货物运输收入的两倍。由于在机车制造方面缺乏经验，该公司起初并不知道是应该在各车站配备大型蒸汽机来牵引列车，还是使用移动式机车来全程拖运货物。最终他们选择了后者，但至今仍受制于那种只有经验才能带来的知识匮乏。随着时间的推移，根据每个月的实际运行情况，机车的重量、尺寸、形态都不断发生变化。一旦发现缺陷，就会加以修正；各种改进建议也会被采纳，如此逐年进步着。

这些发动机拥有更高的功率与效率，以至于其前代产品便被淘汰了——并非因为它们已磨损不堪，而是因为在不断进步的进程中已被超越。此外，目前只有某一种类型的机车经过实际测试；其他类型机车的性能仍有待开发；即便那种经过大规模实验而逐渐趋于完善的机车，也远未达到完美状态，仍存在诸多缺陷，显然，时间与经验将会逐步消除这些缺陷。既然机车存在着所有与新型发明相伴的不完善之处——再加上由于铁路公司所享有的垄断地位而导致的在技术应用与资金投入方面的限制——以及经验极为不足的劣势，而它作为推动实际改进的重要工具，至今仅能在有限范围内进行试验，且几乎只能采用一种机型；那么，在如此多的不利条件下还能取得如今公众所看到的成果，那么当国家的各项事业不再受到束缚、有更多机会进行试验、时间、智慧与资本能够消除或减少现有缺陷并带来更强大的新技术时，这种非凡的机能还将创造出怎样的奇迹呢？这并非对抽象可能性的空想，而是基于当前的实际进展而言的。全国范围内那些经济最繁荣、人口最多的地区，以及资本最集中、工业最活跃的中心地带，很快就会通过铁路线相连；同时，也有各种将蒸汽机应用于那些交通条件不足以让铁路建设具有经济效益的石质道路上的方案被提出，这些方案的成败前景各异。这种在人员和货物运输方面带来的便利与速度提升所带来的重要商业与政治影响显而易见，无需在此赘述。每件生活必需品或奢侈品的成本中，都有一部分（在许多情况下是相当大的一部分）用于将其从生产者处运送到消费者手中；因此，只要能降低这一运输成本，就能相应地降低各类商品的价格。

也就是说，无论是穷人维持生计所需的一切，还是富人享受生活所需的一切——所有的舒适与奢侈品，都涵盖在内。这一措施的好处不仅惠及消费者，也惠及生产者：由于降低了农产品（无论是来自土地的农产品还是工厂生产的商品）的运输成本，用于将这些产品运往市场的费用就会减少，从而让生产者获得更多的利润。对于农民来说，这一好处甚至比制造商更为明显；因为农产品运输的成本通常高于工业产品的运输成本。如果需要200夸脱的玉米才能生产出400夸脱的玉米，而再将这400夸脱的玉米运往市场还需要100夸脱的花费，那么净收益就是100夸脱。但如果能通过蒸汽动力车辆以50夸脱的成本将相同数量的玉米运往市场，那么净收益就会从100夸脱增加到150夸脱；这样一来，农民的利润或地主的地租也必须相应增加。

不过，农民不仅能从现有耕地的更高产量中受益。只要农产品运往市场的成本能够降低，那些目前因成本过高而无法被开发的低肥力土地也能被利用起来。这样，原本闲置的土地就能变得具有生产力，其效果就相当于在现有土地基础上增加了更多肥沃的土地。众所周知，当资本和劳动投入增加时，同等肥力的土地所能产出的作物也会增多。通过降低运输成本，农民就可以节省出资金，将这些资金用于已有的耕地，进而提高实际产量。因此，这种措施不仅能增加可耕种的土地面积，还能提升现有耕地的生产力。

据称，在英国，有超过一百万匹马被用于各种货物和人员的运输工作，而每匹马所需的土地面积，大致相当于可以养活8个人的土地。如果用蒸汽动力来替代这些马匹的话……

那些从地下开采出来的发动机以及运输工具，不必建在地面之上。既然上述计算是正确的，那么就有足够的土地来养活额外800万人口；或者说，这相当于让现有人口的生存资源增加约三分之一。目前用于饲养马匹以作为运输工具的土地，可以用来养人或种植粮食。

有人认为，国内存在一些仅能用来饲养马匹的土地，而这些土地将会停止用于耕种，但这种观点其实无需考虑。实际上，是否存在大量这样的土地是非常可疑的。究竟有什么样的土壤能够养活马匹，却无法养活牛羊或为人类提供食物呢？即便承认国内确实存在少量这样的土地，其面积也不可能超过、甚至等于那些仍需用于娱乐用途以及各种蒸汽动力无法使用的场合所需的马匹数量。此外，还需要记住：当某种用途中的马匹数量因价格下降而减少时，其他用途中对马的需求必然会增加。

由于运输成本降低，制造产品的市场价格也会下降，从而促进这些产品的消费。这一规律当然不仅适用于国内市场，也适用于国外市场。在国外市场，我们已经在许多制造业领域拥有垄断地位。通过低成本和便捷的运输方式带来的价格优势，将进一步扩大我们的优势。其必然的结果就是对制造业劳动力的需求增加；而这一新增的人口又会反过来影响农业发展，从而为农产品创造更大的市场。我们所生活的这个高度文明且复杂的人工社会，其各个组成部分之间联系极为紧密，任何一处产生的变化都会立刻影响到系统中最遥远、看似毫无关联的部分。

成本降低与运输速度提升这两大优势，除了能增加现有的贸易量之外，还会催生出新的商业机会。正如我们所说，运输成本的下降会促使人们开垦新的土地，同样也会为各类制成品和农产品创造新的市场。已经证明可行的高速运输方式，必然会促进不同地区之间的商品交易——那些无法长时间保存而保持适用性的商品。例如，许多种类的动植物食品目前只能在离生产者或饲养者很近的市场上出售。蒸汽船在爱尔兰海峡上的应用就证明了这一观点的真实性：英格兰的西部城镇如今成了大量爱尔兰农产品的销售地，而这些产品此前是无法出口的。如果动植物食品需要活体从生产者运送到消费者手中，那么市场的距离就受到动物行走能力的限制，以及运输过程中所需成本的制约。只有某些特定品种的牲畜才适合通过普通道路和马车运往市场。但铁路的特殊性、其能够承载的货物重量与体积，以及极高的运输速度，使得各种牲畜都能以低成本、高效率地被运送到几乎任何距离的地方。随着时间的推移，随着铁路网络的扩展，大都市和人口密集的城镇将不再只面向周边有限区域，而是成为整个国家的市场。

如此巨大的变化所带来的道德与政治影响并非容易估算。大都市向来具备的智力与精力集中效应，将会在很大程度上扩展到整个国家。其效果就如同运输速度和成本降低所导致的所有距离都被缩短了一样。目前距离大都市还有一定距离的城镇将会变成其郊区；那些现在只需一天路程的城镇则会更靠近大都市；这些城镇与大都市之间的商业往来将会像现在远距离地区之间的往来一样便捷。

就大都市本身而言，那些认为这类设想荒谬不可行的人，不妨回顾一下不久前关于蒸汽航行问题的公众舆论。在那些尚未步入人生暮年的人的记忆中，利用蒸汽机穿越环绕这些岛屿的航道与海洋，还只是狂热者们的幻想而已。航海专家与科学界人士同样对这类设想持怀疑态度，甚至对那些会暂时考虑它们的人抱有轻蔑之情。然而如今，我们已看到蒸汽机不仅能够穿越这些航道与海洋，还能遍布欧洲各地的海域。[Pg335] 隔开我们亚洲领地与埃及之间的海域，以及分隔我们本土与西印度群岛的海域，都再也无法成为阻碍蒸汽机发展的障碍；在旧大陆与新大陆的首都之间建立定期的蒸汽运输线路，已不再是一个是否可行的问题，而仅仅是一个关乎商业利益的问题罢了。如果蒸汽机没有成为连接地球上最遥远地区的唯一手段，那并非因为它无法实现这一目标，而是因为目前用于为它提供动力的原材料供应受到各种地域性及偶然因素的限制。[30] 在本章中，我们打算向读者介绍产生上述效果的各种方式；公众是如何运用这些方式的，以及在我们看来还有哪些改进空间。

（185.）

有趣的是，在这项发明的发展史上，人们花费了大量时间和精力试图克服一个难题，但最终发现那个难题其实纯属虚构。为了清楚地理解蒸汽是如何推动轮式车辆的，我们可以设想在车轮的辐条上、距离中心一定距离处安装一个销钉或手柄，然后对这个销钉施加力，使其使车轮旋转。如果车轮的轮胎与道路表面完全光滑且没有摩擦力，那么……

轮胎的表面会在路面上无阻力地滑动，此时所施加的力只会使车轮转动，而车厢则保持静止状态。随着车轮的旋转，轮胎表面会在路面上滑动。但另一方面，如果轮胎表面与路面之间的压力足够大，能够产生足够的粘附力，使得车轮无法因所受力的作用而在路面上滑动，那么车轮就会在驱动力的作用下转动，从而使车厢前进。如此一来，每次车轮完成一次完整旋转时，车轮都会在路面上滚动，车厢也会向前移动一段相当于车轮周长的距离。

显然，这两种情况都可能部分出现：车轮与路面之间的粘附力可能不足以完全防止滑动，但也足以避免车轮以与旋转速度相同的速度滑动。在这种情况下，车厢会向前移动，而车轮则会滑动。在车轮完成一次完整旋转的过程中，车厢的移动距离等于车轮的完整周长减去其在一轮旋转中滑动的距离。

当蒸汽机开始引起工程师们的关注时，在相当长的一段时间内，他们都认为车轮表面与路面之间的粘附力必然非常小，因此在实际应用中，这样的车轮要么会完全打滑，导致车厢无法前进；要么会有相当一部分驱动力因车轮的局部滑动而损失掉。奇怪的是，那些多年来一直从事相关实验和研究的聪明人，却从未想过通过实验来确定车轮与路面之间实际的粘附力大小。如果他们这样做了，如今的机车技术或许已经发展到比现在更先进的程度了。

为了解决这一虚构的难题，特雷维西克和维维安先生们提议将车轮的外缘做得粗糙不平，方法是在其周围安装突出的钉子或螺栓，或者在其上切割横向凹槽。他们还提出，在需要攀登较高坡度的情况下，让爪子或钉子从车轮表面突出，以便抓住路面。[第337页]

在这些工程师制造出第一台机车七年后，利兹附近的米德尔顿煤矿的布林肯索普先生也制造出了一台机车。他在1811年获得了使用齿轨的专利。这样一来，铁路就不再由光滑的铁条构成，而是出现了一排排像齿轮一样的凸起齿状结构，这些齿状结构贯穿整个行驶路径。机车上安装的轮子也带有相应的齿状结构，它们与铁路上的齿状结构相啮合，从而推动车厢前进。

为了解决这一虚构的难题，查普曼先生在1812年又发明了一种新装置——他获得了一项专利，该装置利用一条沿着铁路轨道从一端延伸到另一端的链条来驱动机车。这条链条绕过车厢中心下方的一个带槽轮子，由于链条无法在轮子上打滑，因此当发动机驱动该轮子转动时，车厢就能在路面上前进。为避免链条承受过大的拉力，其链节被设计成可以落在间隔一定距离设置的竖立支架上，这些支架能在相应间距内承受发动机产生的链条张力。此外，还使用了摩擦滚轮将链条压入轮子的凹槽中，以防止其打滑。不过，这种装置很快就被放弃了，因为链条的摩擦会导致巨大的能量损失。

1813年，又出现了一种极具创意的装置，用于解决车轮与路面之间缺乏附着力的问题。这种装置其实就是一对机械“腿”，它们以类似动物脚部的方式行走并推动机车前进。

图86。
这些推进器的结构示意图见图86。A为在铁轨上移动的车架，L和L′为支撑腿，F和F′为脚部。脚部F在O处有一个关节，相当于踝关节；另一个关节位于K处，相当于膝关节；第三个关节则位于L处，相当于髋关节。另一条支撑腿上的相应位置也有类似的关节。膝关节K与气缸中活塞的末端相连。当水平方向的活塞被向外推动时，支撑腿L会将脚部F压向地面，而阻力则推动车架A向前移动。随着车架不断前进，膝关节处的角度会越来越大，从而使支撑腿和大腿呈现更直的状态；这一过程会持续到活塞到达其行程终点为止。在髋部L处有一个短杠杆LM，其末端通过绳索或链条与位于腿部胫骨附近的点S相连。当活塞被压入气缸时，膝关节K会被拉向发动机，同时绳索MS会使脚部F离开地面；直到活塞到达气缸的末端，脚部F才会再次回到地面。当活塞再次被推出气缸时，位于地面上的脚部F会因K处的活塞杆作用力而被向后挤压；但由于地面的摩擦力阻止了它的后退，这种反作用力又会推动发动机向前移动。如此循环往复。

在膝盖上方的N点处，通过一个关节与大腿相连的，是一根水平杆N R，它驱动着齿条R。该齿条下方有一个齿轮，这个齿轮则驱动其下方的另一根齿条。这样一来，当发动机推动膝盖K运动时，齿条R会向后移动；而作用于下方齿条的齿轮则会使后者朝相反方向移动。由于齿条R始终与膝盖K同向移动，因此另一根齿条则总是朝相反方向移动。下方的齿条则通过另一根水平杆与腿部L F′的大腿相连，该连接点位于膝盖N′的正上方。当活塞被推向内侧时，膝盖K′就会向后移动；而当活塞被向外推时，膝盖K′则会向前移动。由此可见，两个膝盖K和K′会交替地前后移动。当膝盖K′向前移动时，脚F′也会通过之前描述过的机制被抬起。

从上述描述可以看出，这里展示的这种机械装置其实是从动物腿部的运动原理中衍生出来的，其结构与马的前腿极为相似。不过，它更应被视为一种极具创意的发明，而非具有实际实用价值的装置。

（186.）

大约在那个时候，人们首次发现：车轮与轨道之间的摩擦力足以驱动发动机，即便需要拖拽重物也是如此；而且在这种情况下，车轮不会打滑，仍能持续前进。这一发现使得所有试图让车轮在路面上获得更大抓地力的装置——如齿条、链条、脚状结构等——都变得毫无用处。用于验证这一点的实验最初是在威勒姆铁路上进行的；实验结果表明，在路面平坦且轨道干净的情况下，无论天气如何，车轮的摩擦力都足以驱动相当重的负载。人们是通过手工试验来确定普通马车的车轮在不会打滑的情况下能够承受多大的重量。

他们测量了铁轨的强度以及其与重量的比例关系，从而确定发动机的重量足以产生足够的牵引力，以便拉动一定数量的货车在铁轨上行驶。[31] 1814年，史蒂芬森在基林沃思制造了一台发动机，该发动机拥有两个气缸以及一个圆柱形锅炉，通过成直角设置的曲柄驱动两对轮子运转；这样，当一个曲柄处于工作状态时，另一个曲柄则处于静止状态。通过这种方式，发动机能够持续保持驱动力。这些曲柄由一条环形链条保持在固定位置，这条链条绕过安装在发动机下方的两个齿轮，而这些齿轮则固定在与轮子相同的轴上。在这种情况下，轮子也是固定在轴上的，并随轴一起转动。

图87展示了这台发动机的外观，其两侧是敞开的，以便能看到内部结构。A B为圆柱形锅炉；C C为工作气缸；D E为固定在发动机轮子轴上的齿轮，它们被环形链条环绕着。由于这些齿轮的尺寸相同，因此它们会以相同的速度旋转；这样一来，当曲柄F下降到最低点时，曲柄G就会从最低点上升至水平位置D；反之，当曲柄F上升时……

当最低点到达水平位置E时，另一个曲柄则升至最高点；如此循环往复。这种发动机采用了非常巧妙的结构设计——它通过蒸汽弹簧来支撑自身。标为H的小圆柱体通过法兰固定在锅炉的一侧，并向锅炉内部突出几英寸；它们的顶部与锅炉中的水或蒸汽直接相连。标为I的则是实心活塞，它们在这些圆柱体内移动且完全密封；圆柱体的底部是开放的，活塞杆则固定在发动机的支架上，位于每对轮子的轴上方，活塞则朝上伸出。如图所示，该发动机由四个活塞支撑，两侧各两个。活塞受到圆柱体上腔室中的水或蒸汽的压力；由于这些介质具有很高的弹性，因此该发动机具备了弹簧悬架的所有优点。不过，这种支撑方式的缺点在于：当蒸汽的弹性降低到无法再支撑发动机时，活塞就会被压入圆柱体中，此时圆柱体底部会压迫活塞，从而失去弹簧悬架的效果。因此，这种悬架方式后来就被放弃了。

在斯蒂芬森先生后来为基林沃思铁路设计的发动机中，原本用来连接车轮的环形链条和齿轮结构被舍弃了，取而代之的是用直杆连接两个曲柄的方式，其效果与之类似。然而，所有这类设计都有一个重大缺陷：如果前后车轮的尺寸不是完全相同的，那么在行驶过程中就必然会出现打滑或拖拽现象。根据机械原理，每个车轮都必须在相同时间内完成一次旋转，因此也必须行驶相同长度的路程。如果车轮的周长不一致，那么周长较小的车轮就会因为与其相比较大的车轮周长之差而不得不在道路上多拖行一段距离；或者，较大的车轮则需朝相反方向拖行，以弥补这一差异。既然没有任何机制能够让四个车轮的周长完全相等，更不用说六个车轮了，那么可以认为，这种拖拽现象其实是该机械原理所导致的必然结果。

即便车轮最初被精确地制造出来，其磨损程度也不可能如此均匀，始终保持一致。

(187.)

这项发明的进一步发展所获得的推动力，源自于在利物浦开展的重大国家工程——该工程通过两条铁路线将利物浦与曼彻斯特这一重要的商业中心连接起来。在启动这个项目时，人们还未能确定在拟建的铁路上采用何种动力装置最为合适：可选方案包括马力、固定式蒸汽机以及机车引擎；但由于种种显而易见的原因，马力很快就被排除在外，人们转而考虑后两种方案中的某一种。

蒸汽机可以通过两种不同的方式来驱动货车，无论是在公路上还是铁路上。第一种方式是让蒸汽机固定不动，然后通过一条贯穿整个行驶路线的链条来拉动车厢或一列车厢。采用这种方式时，运输路线会被划分为多个短段落，每个段落的两端都放置一台蒸汽机。当某台蒸汽机把车厢拉到自己的站点后，这些车厢就会被卸下，再与下一台蒸汽机所控制的链条末端相连，如此便能通过不同的蒸汽机逐站运送货物。另一种方式则是让同一台蒸汽机在整个旅程中一直牵引着货物，与货物一同移动。

1829年春天，当利物浦与曼彻斯特之间的铁路工程即将完工时，该铁路的负责人聘请了经验丰富的工程师斯蒂芬森和洛克以及沃克和拉斯里克，让他们去各条铁路线上考察，以便获取有关固定式蒸汽机与机车引擎性能对比的实用信息。根据这些工程师的判断，他们得到了关于这两种方法各自优缺点的报告。尼古拉斯·伍德所著的关于铁路的珍贵著作中详细记载了他们的计算结果，我们可参考该书。

读者们，这仅仅是与机车蒸汽机相关的诸多主题之一而已，而其他相关主题则超出了我们讨论的范围。对这两种系统的比较结果表明：要建立一套固定式发动机系统，所需投入的资本远远高于建立同等功率的机车发动机系统所需的资本；固定式发动机的年度运营成本也更高；因此，使用固定式发动机进行运输的成本也会相应地更高。下表以数字形式展示了这些结果：——
资本、年度运营成本（英镑/先令/便士）、每吨货物每英里的成本（英镑/先令/便士）
机车发动机：58,000 0 0 25,517 8 2 0.164
固定式发动机：121,496 7 0 42,031 16 5 0.269
机车发动机系统相比的优势：63,496 7 0 16,514 8 3 0.105

从经济性角度来看，机车发动机系统显然更具优势；不过还有其他因素也促使董事们选择这种系统。在采用固定式发动机的铁路线上，一旦发生事故，整个线路的运营必然会全面中断。因此，无论线路上的工作人员身处何处，都必须保持高度警惕并认真履行职责；此外，链条断裂或故障，以及某些固定式发动机停止运转所引发的事故，同样会造成严重后果，使线路交通陷入停滞。而使用机车发动机时，事故只会影响到发生故障的那列列车；即便如此，只要在沿线合适的站点备有备用发动机，就能解决这一问题。的确，固定式发动机系统发生事故的概率可能低于机车发动机系统，但其带来的破坏性影响……

一旦发生事故，前者的后果要严重得多。沃克先生表示：“一种系统就像从利物浦延伸到曼彻斯特的链条，只要其中一个环节出现故障，整个链条就会瘫痪；而另一种系统则由许多短小且彼此独立的链条组成，其中任何一个环节出问题都不会影响其他环节的正常运转，而且失去某个环节也容易得到弥补。”因此，董事会决定选择机车作为解决方案；他们的下一步措施是想办法激发本国人的创新能力，为他们提供最理想的机车设计。基于此，他们提议并实施了奖励制度：对于在特定条件下能够制造出的最佳机车给予奖励，同时设定时间对候选机车的性能进行公开测试。根据规定，能够在利物浦与曼彻斯特之间的铁路上运行的最佳机车可获得500英镑的奖励，前提是该机车不能产生烟雾，蒸汽压力必须控制在每英寸50磅以内，且能够拉动至少相当于自身重量三倍的负荷，行驶速度不低于每小时10英里；此外，机车还需由弹簧支撑，高度不得超过15英尺。人们还提出了防止锅炉爆炸的预防措施，以及其他一些此处无需详细说明的内容。这一提议于1829年春季公布，测试时间则定在同年10月。参与测试的机车有史蒂芬森设计的“火箭号”、哈克沃思设计的“无与伦比号”，以及布雷思韦特和埃里克森公司设计的“新颖号”。最终，“火箭号”赢得了奖励。测试地点选在利物浦与曼彻斯特之间、一个名为雷恩希尔的地方附近，那里有一段长约两英里的平坦道路；两个车站之间的距离为1.5英里，机车需要往返行驶10次，总行程为30英里。“火箭号”完成了两次这样的旅程：第一次用时2小时14分钟8秒，第二次用时2小时6分钟49秒。它在不同路段上的行驶速度有所差异：最高速度略高于每小时29英里，而最低速度则为……

速度约为每小时11又1/2英里。其中一次行程的平均速度为每小时13又4/10英里，另一次则为每小时14又2/20英里。这是唯一完成整个预定行程的发动机，其余的则因实验中发生的故障而无法继续运行。“Sanspareil”号共完成了8次往返行程，用时1小时37分钟16秒，行驶距离为22又1/2英里。该发动机的最高速度略低于每小时23英里。“Novelty”号仅完成了两次往返行程，之后锅炉的连接部位出现故障，实验就此终止。

(188.)

制造这类发动机时的主要目标，就是在保持足够轻便的同时，实现尽可能大的加热功率。火焰必然会以两种方式作用于水：首先是通过其辐射热；其次是通过被气流带动而经过烟道、最终进入烟囱的加热空气流。因此，为了实现这一目标，就必须让尽可能大的与水接触的表面积暴露在这两种热源之下。火箭式发动机通过以下精妙的结构实现了这一目的：——

图88.

该发动机如图88所示。它由四个轮子支撑；大部分重量由发动机驱动的那对轮子承担。锅炉为一个长度为六英尺、两端呈平面的圆柱体；烟囱从一端伸出，另一端则连接着一个方形箱体B，该箱体的底部装有用于放置燃料的格栅。这个箱体由两个铁制外壳组成，一个套在另一个内部，两者之间形成一定的空间。

图89。其宽度约为三英寸；而箱体的尺寸则为长三英尺、宽两英尺、深三英尺。环绕着箱体的外壳通过标有C的管道与锅炉的下部相连；箱体顶部的同一外壳则通过另一根标有D的管道与锅炉的上部相连。因此，当水被注入锅炉后，它会通过管道C自由流入环绕炉膛或火箱的外壳中，并使该外壳内的水位上升至与锅炉内相同的高度。

发动机工作时，锅炉内会保持大约一半的注水量；这样一来，炉子周围的壳体则会被水完全填满。在壳体中的水中产生的蒸汽会通过管道D排出，进入锅炉的上部。图89展示的是发动机沿垂直于其长度方向的截面结构。在锅炉的下部，有许多小型的铜管，这些铜管的一端与火箱相连，另一端则与烟囱相连，从而形成一条让加热后的空气从炉子流向烟囱的通道。燃烧在火箱底部格栅上的燃料会通过辐射方式散发热量，进而影响火箱周围壳体的整个表面，从而使该壳体内的水层温度上升。由于壳体中的水位于比锅炉中的水更低的位置，因此受热后这些水会上升并流入锅炉中，从而实现加热水的持续循环，也使得锅炉中的水温必须与壳体中的水温基本保持一致。穿过燃烧燃料并充满火箱的空气，会随着气流通过那些延伸在锅炉下部的管道被带走；由于这些管道四周都被锅炉中的水包围，因此这些空气会将热量通过管道传递给水。最终，这些空气会进入烟囱，并随着气流上升。这种炉子的功率必然取决于烟囱中的气流强度；为了增强气流强度，同时处理活塞工作完成后产生的废蒸汽，这些蒸汽会通过管道L从气缸输送到烟囱，在那里以向上喷射的形式排出。由于蒸汽喷出的速度较快且密度相对较小，因此它会在烟囱中产生强大的上升气流，从而为炉子的气流提供动力。在图89中，火箱底部的格栅位于F处。共有两个气缸，每个气缸负责驱动一个轮子；其中一个仅出现在图88中，另一个则被发动机遮住了。这两个气缸所驱动的轮辐则位于……

轮子相互垂直；这些轮子被固定在同一根轴上，从而一起转动。在这种发动机中，位于火箱周围、受到辐射热作用的水面面积为20平方英尺，而这些水面的热量则来自燃烧燃料所产生的6平方英尺的表面积。而受到加热空气作用的水面面积为118平方英尺。该发动机还拖着一节装有燃料和水的车厢；为避免产生烟雾，所使用的燃料是焦炭。

(189.)

Hackworth先生的Sanspareil发动机如图90所示；其水平截面图则见图91。

图90

图91。

炉子的通风方式与“火箭号”相同，都是将来自汽缸的废气排出到烟囱中；不过，这种锅炉与“火箭号”的锅炉有很大不同。有一根弯曲的管道穿过锅炉，这与特雷维西克和维维安先生们设计的早期发动机中的那种管道类似。在水平截面图中（图91），D表示位于锅炉末端、烟囱旁边的炉子开口处。A处为炉栅，用于支撑燃烧的燃料；B处则是一条穿过锅炉并通向烟囱的弯曲管道，箭头指示了通风的方向[第349页]；C则是烟囱的截面图。与“火箭号”一样，汽缸也位于锅炉的两侧，每个汽缸驱动一个独立的轮子，但这些轮子的辐条彼此垂直。装有炉栅和烟道的管道直径会随着靠近烟囱而逐渐减小：在炉栅所在的位置，管道直径为两英尺；之后逐渐变细，到烟囱处时直径仅为15英寸。炉栅的延伸长度为5英尺。暴露在火焰辐射热下的水面面积为16平方英尺，而暴露在加热空气和火焰作用下的水面面积约为75平方英尺。用于释放热量的炉栅或燃烧燃料的面积则为10平方英尺。

(190.)

布雷思韦特和埃里克森先生们的发明如图92所示；发电机和锅炉的截面图则见图93。这两幅图中的相应部件用相同的字母标记。

图92。

A是装有蒸汽的发电机或接收器，这些蒸汽用于驱动发动机；它与位于下方的发电机B相连，后者沿车厢的长度方向水平延伸。在发电机A内部设有炉子F，该炉子通过管道C与外部相连，管道C从发电机内部向上延伸，顶部装有可滑动的挡板，这些挡板能够阻挡空气进入，只有在向炉子F供应燃料时才会打开。与通常情况不同，炉子F下方并不直接与大气相通，而是通过管道E与风箱D相连；风箱由发动机驱动，能够持续不断地将空气通过管道E输送到炉子F中的燃料上，从而保持燃料的充分燃烧。炉子F中的热空气在相同的作用力作用下，会通过标有e的小型弯曲管道被推动，这些管道像蜗牛一样在水平方向的发电机或接收器中流动；随着管道逐渐变细，最终空气会流入烟囱G。空气在流经这些管道的过程中会将热量传递给管道周围的水，当排出烟囱时，其温度已大幅下降。标有K的圆柱体通过曲柄机构驱动一对轮子，必要时，另一对轮子也会与之相连而一同转动。

图93。
在这种发动机中，炉排上燃烧燃料的表面积小于2平方英尺；暴露在辐射热下的表面积为9.5平方英尺；而暴露在热空气中的水表面积则约为33平方英尺。
“火箭”型发动机的优势主要在于有更大面积的水表面能够受到火焰的作用。与“Sanspareil”型发动机相比，其炉排面积仅为后者的3/5，但却能让更大比例的水表面积暴露在辐射热下，比例为4/3；同时，也有更大比例的水表面积暴露在热空气中，比例为3/2以上。
实验表明，与“Sanspareil”型发动机相比，“火箭”型发动机在蒸发相同量的水时所需的燃料量比例为11/28。关于利用管道将热空气从水中导出并送入烟囱的设想，是由利物浦和曼彻斯特铁路公司的财务主管布思先生提出的。

(191.)
这类发动机中的锅炉旨在通过让少量燃料处于最活跃的燃烧状态，从而使少量水保持极高的温度。为此，首先需要将锅炉、炉膛及烟道设计得当，使得水能够与尽可能大的表面积接触，这些表面积要么直接受到火焰辐射的热量影响，要么间接受到经过火焰后的空气的影响，而这些空气最终会流入烟囱。其次，还需要在炉膛内保持强大的气流，以便从燃料的燃烧中获取足够的热量，从而维持水的所需温度，并快速产生蒸汽。

为达成这些目标，装有格栅的腔室必须被水完全包围，且其位置应低于锅炉中的水位。暴露在辐射下的表面积应与整个机器的规模相称。火箭发动机在这些方面的优势相较于其他发动机是显而易见的。此外，那些被燃料加热并保持燃烧状态的空气所吸收的热量，必须在空气进入烟囱之前传递给水。由于空气是不良的热导体，因此必须让烟道中的空气尽可能多地与水接触。没有任何设计比早期机车发动机中那种横穿锅炉的一两根大管子更不适合实现这一目的：流经这些管道中心的空气无法与管道表面接触，因此以几乎与离开火源时相同的温度进入烟囱。只有流经管道表面的那部分空气才能将热量传递给水。[第352页] 有几种方法可以增加与一定量空气接触的水表面积。一种方法是让空气在彼此靠近的板间流动，从而将气流分成薄层，各层之间则填充水；另一种方法则是让空气在直径略有不同的管道间流动，水则流经内管，并同时与外管的外表面接触。这种方法在原理上类似于瓦特蒸汽机中使用的蒸汽夹套，或是前文所述的卡特莱特发动机中的冷凝器。不过，考虑到制造小直径管道并将其置于锅炉中的便利性，这种方案在实际应用中可能是最好的选择；尽管从几何角度而言，管道的形状并不利于其中流体与其表面的接触。从燃烧室流出的空气在经过锅炉时会被大量极小的管道分割，这样它就能在进入烟囱之前将所有多余的热量传递给水。这就是最精巧的设计所能达到的效果。火箭发动机中有25根直径为3英寸的管道，而这一原理后来也被进一步应用到了更广泛的范围内。在空气进入烟囱之前就从中提取大量热量会带来一个看似难以克服的难题：烟囱的抽风能力将会下降。不过，通过利用废蒸汽，这一难题便得到了解决。

发动机运转后，蒸汽会从气缸中排出，从而形成抽力。这些蒸汽被强制通过烟囱中向上的喷嘴排出，其排出力足以产生足够的抽力来驱动炉子运转。需要注意的是，这种设计中的抽力原理与另一种设计截然不同：在那种发动机中，抽力是由发动机驱动的风箱产生的。就这两种方法而言，问题在于：是像“火箭号”那样通过喷嘴输送蒸汽会损失更多能量，还是像这种新型发动机那样驱动风箱会损失更多能量。将蒸汽通过喷嘴推出所需的力量必须由活塞的回程动作来提供，因此这会相应地降低发动机的工作效率。而在这种新型发动机中，驱动风箱所需的能量则必须从发动机的总功率中扣除。迄今为止，人们发现前者更为高效且经济。当考虑到机车发动机提升速度的唯一限制因素就是其在一定时间内能够产生多少蒸汽时，这些细节的重要性就显而易见了。活塞的每一次往复运动都会使车轮转动一圈，同时会消耗四个充满蒸汽的气缸的蒸汽量；因此，一个气缸的蒸汽量对应着发动机行驶的一定距离。所以，快速且大量地产生热量，并将这些热量迅速有效地传递给水，才是解决如何制造出能够高速行驶的发动机的关键。在“火箭号”问世之后，斯蒂芬森先生进一步发展了将烟道分割成多个管道的技术；事实上，这一原理极为明显，令人惊讶的是最初竟然没有使用直径小于三英寸的管道。在后来制造的发动机中，管道的数量在90到120根之间，直径则降到了两英寸或更小；在某些情况下，甚至使用了150根直径为1.5英寸的管道。在“流星号”中，有20平方英尺的面积直接暴露在辐射下，139平方英尺的面积则处于热空气环境中；而在“箭号”中，有20平方英尺的面积暴露在辐射下，145平方英尺的面积则处于热空气环境中。从下表可以看出，采用这种方法可以显著节省燃料——该表列出了四种发动机将一吨货物运输一英里所需的燃料量，同时还显示了它们的行驶速度。[Pg354]

发动机。焦炭的平均消耗率，单位为磅/吨·英里。

小时。
1号：火箭型，14，2.41
2号：Sanspareil型，15，2.47
3号：凤凰型，12，1.42
4号：箭型，12，1.25

（192.）

自这条铁路开始用于实际运输以来，机车引擎一直在不断得到改进。几乎每个月都会有一些新的改进措施出现，这些措施旨在节省燃料、加快蒸汽的产生速度、减少引擎的磨损、提升各部件的强度，或是实现其他有益的目标。
火箭型引擎存在两个主要缺陷：其气缸位于引擎外部，因此会受到外界低温的影响，从而导致热量通过凝结而大量流失。此外，用于将蒸汽动力传递给车轮的装置位于轴的末端以及车轮的外侧，由于动力传递点与阻力中心的距离较远，因此会产生较大的应力。如果能让驱动力始终以相同的力度作用于引擎两侧的车轮上，那么就不会产生有害的应力；但由于连接杆必须固定在相对位置的车轮上，当一个活塞全力驱动车轮时，另一个活塞则不得不处于静止状态。因此，驱动力会在不同的时间点作用于相反方向的车轮上，且作用点总是位于距离轴心最远的部位。

图94。

（193页）

为了解决这两个缺陷，人们对机器进行了进一步改进。气缸从发动机外部被移至图94中所示的、被称为“烟箱”的外壳内部，该烟箱用于支撑烟囱，并承接来自锅炉内管道的加热空气。如此布置后，气缸的温度始终与从烟道中排出的空气温度保持一致，从而避免了蒸汽在气缸表面凝结的情况。活塞杆也被拉得更近，且更靠近发动机的中心；连接杆不再与轮子相连，而是作用于两个安装在轮轴上的曲柄上，这两个曲柄彼此呈直角。由于其中一个曲柄处于死点位置时另一个曲柄正处于工作状态，因此蒸汽对它们的作用力通常是不均匀的；但由于曲柄安装在距离轮轴中心更近的位置，所以所产生的应力也不如连接杆直接连接到轮子外部时的那么大。通过这种方式，机器的运转更加平稳，产生的应力也大大降低，比“火箭号”及早期发动机所采用的结构要好得多。不过，双曲柄轴也存在一个严重的缺点：这种结构必然会带来强度不足的问题，只能通过增加金属的厚度和重量来弥补；即便采取了这样的措施，这些轴仍偶尔会发生断裂。

不过，这种发动机后来得到了大幅改进：曲柄不再是通过加热使金属软化后再弯曲制成的，而是直接从实心金属中切割出来形成的；因此现在这类发动机的轴出现故障的情况已经极为罕见。为了更有效地将空气中的热量排出并引导至烟囱，人们开始使用更小且数量更多的管道。为此，人们采用了从气缸的排气管引出、最终通向烟囱的收缩型风管。图104中的pp处展示了这种风管的结构，即从气缸引出的两根管道在靠近烟囱的位置相连。经过改进后的发动机则如图94所示。A代表圆柱形锅炉，其下半部分布满了管道，具体结构与“火箭号”中的描述一致。这些管道的数量通常在80到100根之间，直径约为1.5英寸；锅炉的长度约为7英尺。燃烧室位于锅炉的一端，即F处，其结构也与“火箭号”类似。气缸则安装在锅炉另一端的腔室中，正好位于烟囱下方。活塞杆由导向装置支撑在水平位置上，而连杆则从活塞杆延伸出来，穿过发动机底部，连接到大轮轴上的两个曲柄上。路面不平所带来的影响可以通过弹簧来抵消，发动机就架在这些弹簧之上；这些弹簧位于大轮轴的下方，小轮轴的上方。蒸汽通过共同的滑动阀进入气缸，然后再被排出，这些阀门由安装在车厢大轮轴上的偏心轮驱动。偏心轮的运动通过连杆传递给阀门。操作人员所在的支架位于发动机的末端，靠近燃烧室F处；还有两根杠杆L从该支架伸出，通过连杆与阀门相连，从而控制发动机的运转方向，使其能够倒转。[第357页] 这类发动机的车轮通常是由木头制成，再用坚固的铁条加固，同时配有与铁轨相适配的法兰。不过，斯蒂芬森后来在某些情况下改用了带有空心辐条的铁制车轮。这种发动机会拖着一辆装有燃料和水的补给车；在承载较轻的货物时，它甚至无需补充水就能完成从利物浦到曼彻斯特的整个旅程。而当需要运输重物时，通常会在途中补充水。

(194.)
回顾以上所述，可以看出，该铁路所使用的机车引擎之所以高效，主要得益于以下三个因素：第一，通过将废气排入烟囱，炉膛内的牵引力几乎不受限制；第二，通过在锅炉内布置管道，可以从流经锅炉的空气中吸收几乎无限的热量；第三，通过将气缸置于烟囱下方的腔室中，使其保持温暖状态。还有许多值得肯定的细节，但这些才是其改进措施的核心所在。随着对这些引擎的不断改进——其中一些我们已经提到过——它们的实际功率以及燃料利用率也得到了提升。1832年春天，我在曼彻斯特铁路进行了多项实验，旨在了解当时机车引擎在承受不同负载时的功率表现以及燃料消耗情况，以下是我选取的几个示例：

I.
5月5日，星期六，“胜利号”机车将20节货运车厢运送到曼彻斯特，这些车厢的总重量为92吨19英担又1夸特，此外还有装有燃料和水的补给车，其重量暂未测定。从利物浦到曼彻斯特的距离为30英里，该机车仅用了1小时34分45秒就完成了运输任务。列车在途中停留了10分钟以补充水源，这一时间并未计入上述时长之内。在坡度为1/96、长度为1.5英里的上坡路段上，该机车得到了另一台名为“参孙号”的机车的协助，最终仅用9分钟就爬上了坡顶。出发时，炉膛内已装满焦炭，且补给车中的焦炭重量也经过精确测量。到达曼彻斯特后，炉膛再次被填满焦炭，同时也测量了补给车中剩余的焦炭重量。经计算，该机车的焦炭消耗量为929磅，即每吨货物每英里需消耗三分之一磅焦炭。在平地上，该机车的行驶速度为每小时18英里；在每英里有4英尺坡度的道路上，速度为每小时21.5英里；在每英里有6英尺坡度的道路上，速度为每小时25.5英里；在查特莫斯地区的上坡路段上，每英里有8英尺坡度，速度为每小时17又5/8英里；在无风且平坦的地面上，速度为每小时20英里。当时风势适中，且来自正前方。在查特莫斯地区，该机车的驱动轮出现了三次打滑现象，导致列车行驶时间增加了2到3分钟。

此次，该发动机在行驶前后并未经过检查，但人们认为其工作状态良好。

II.
5月8日星期二，同一台发动机再次执行了同样的运输任务，它需要牵引20节车厢，总重量为90吨7英担2夸特，这一数值还不包括补给车 的重量。行驶时间为1小时41分钟。焦炭的消耗量为1040磅（净重），这一数值与之前估算的一致。速度为——每小时175又1/8英里。每英里下降4英尺，上升6又221/2英尺。

此次行驶时，前方有强风，且由于连接杆的键装得过紧，导致其温度过高。到达曼彻斯特后，我打开气缸，发现活塞非常松旷，蒸汽会以极大的力量从气缸中喷出。正因如此，发动机在行驶过程中的动力有所下降；这一情况也可以解释为何此次在负载较轻的情况下，速度略有下降，同时燃料消耗量却有所增加，这与5月5日的行驶情况不同。

“胜利号”蒸汽机的重量为8吨2英担，其中5吨4英担的重量由牵引轮承担。其气缸直径为11英寸，冲程为16英寸，而牵引轮的直径则为5英尺。

III.
5月29日，名为“参孙号”的蒸汽机（重量为10吨2英担，气缸直径为14英寸，冲程为16英寸；车轮直径为4英尺6英寸，两对车轮都由该发动机驱动；蒸汽压力为50磅，共有130根管道）被用来牵引50节装满货物的车厢，这些货物的净重量约为150吨，加上车厢后的总重量则为223吨6英担。补给车的重量为7吨，因此包括发动机在内的总重量为240吨8英担。在这样的负载下，该发动机从利物浦到曼彻斯特的30英里路程仅需2小时40分钟，这一时间还不包括途中因加水等原因造成的延误；其平均速度接近每小时12英里。速度会随着路面的坡度而变化：在平坦路面上，速度为每小时12英里；在每英里下降6英尺的路段上，速度为每小时16英里；在每英里上升8英尺的路段上……

速度约为每小时9英里。天气状况良好，铁轨也很潮湿；但即便在最低速度下，车轮也不会打滑，只有在启动时才会出现这种情况，因为那时铁轨上沾满了车站里常见的污垢和油脂。此次行程中消耗的焦炭量（不包括用于产生蒸汽的焦炭）为1762磅，按每吨每英里四分之一磅来计算。

(195.)

铁路机车的高昂初始成本以及维护这些机车的巨大开支，给该企业的资金状况带来了沉重压力。后期制造的性能较好的机车，其初始成本高达1500英镑，有时甚至更高。不过，初始成本并非主要的开支来源：这些机器的磨损情况，以及那些承受最大负荷的部件偶尔出现的损坏，其程度远远超出了管理层的预期。虽然这部分开支在一定程度上可以归因于这些机车尚未达到零部件比例与配合的完美状态，而这种完美状态只有通过实践才能实现，但仍然存在一些需要重视的明显缺陷。

锅炉的炉顶是平的，由与锅炉本身相同的铁材料制成。直到最近，穿过锅炉的管道还是用铜制成的，它们被固定在炉顶上以确保密封性。当锅炉受热时，这些管道的膨胀程度会超过锅炉的其他部分，这就导致管道两端松动从而发生泄漏，或者因为缺乏膨胀空间而弯曲。因此，不得不不断拆卸并重新固定这些管道，这就产生了持续的开支。

需要记住的是，炉膛位于锅炉的一端，就在管道出口的正下方：强大的气流经过炉膛时，会带动灰烬和煤渣，这些物质会猛烈地冲刷着管道，尤其是那些靠近燃料的下方管道。这样一来，这些管道就会迅速磨损，煤渣不断侵蚀其内表面。过不了多久，就需要根据管道的磨损情况更换新的管道；如果忽视这一点，管道就有可能破裂。经过一段时间后，机车就需要更换新的管道了。如果将炉膛设置得更低一些，使其远离这些管道，或许就能避免管道的磨损。

或者，更有效的办法是在炉膛与那些最容易受到灰烬影响的管道之间安装一个金属外壳，该外壳内可注水。如果仍保持现有的发动机结构，管道与锅炉的不均匀膨胀问题似乎就是无法解决的缺陷。如果将炉膛和烟囱设置在锅炉的同一端，这样管道就可以呈弯曲状，那么不均匀膨胀就不会造成任何危害；不过，如果管道像现在这样直接暴露在灰烬中，就很难对其进行清洁了。另一个导致成本的原因是锅炉顶部的磨损，因为这些部位要承受火焰的侵蚀。后来，人们用黄铜管取代了铜管，从而显著改善了管道设计。我并不知道这种改进的原因是什么；但可以肯定的是，无论原因如何，黄铜管的磨损速度都远远低于铜管。

(196.)

由于机车动力方面的成本远远超出了项目启动时的预期，因此在1834年初，人们认为有必要对造成预计成本与实际成本之间差异的原因进行调查，以便找到降低成本的实用方法。为此，公司董事们任命了一个由他们自己人组成的小组，由公司的财务主管布思先生协助，负责调查这一支出项目的高昂原因，并确定是否有可能采取某些措施来提高效率。这个小组——或者更准确地说，是布思先生——提交了一份非常出色且令人满意的报告。在铁路建成之前，公司的工程师沃克先生和拉斯特里克先生曾被派往各地考察铁路上蒸汽动力的应用情况，旨在估算使用机车与固定动力设备来驱动铁路的相对成本。这两位工程师建议采用机车动力；他们估计的运输成本为每吨每英里0.278便士，略高于1法寻。而在这次调查之后的五年，即1833年，实际成本却上升到了每吨每英里0.625便士，相当于预计成本的两倍多。布思先生很明智地通过比较各种因素来查明这一差异的原因。

沃克先生和拉斯特里克在制定估算时所假设的情况，与货物实际运输时的情况并不一致。他发现的第一个差异点就是运输速度：估算时假设的运输速度为每小时10英里，而据称，如果速度提高四倍，则需要在上述数值的基础上再增加50%，这还没有考虑到设备损耗的问题。由于实际运输速度是估算速度的两倍，布思先生认为还需要在此基础上再增加25%。

第二个差异点在于货物的装载量：估算时假设每台机车出发时都携带满载货物，并且能够一直将货物运送到目的地。但布思先生指出，实际上从曼彻斯特出发的货车中，大约有一半是空车返回的；而且并非所有货物都能被运送到终点，有数千吨的货物只能被运送到中途；此外，每天的运输工作量也极不稳定。他还提到，为了将货物从各个分支地点及中间站点运送出去，每天都需要从线路的两端多次派出机车来清理道路；这种安排的初衷是为了为未来的顺利运输奠定基础，而非为了获取即时利润。布思先生粗略估计了这些因素带来的额外成本，认为需要在原有估算基础上再增加33%。

第三个差异点则是燃料问题。在最初的估算中，燃料被设定为煤炭，其价格为每吨5先令10便士；但现在，议会法规禁止使用会产生烟雾的煤炭，因此该公司不得不使用焦炭，其价格为每吨17先令6便士。如果将焦炭与煤炭按重量等量计算，那么这又会在原有估算基础上增加162便士/吨·英里。

考虑到这些差异，并在原有估算基础上加上相应的数额后，最终的成本将为每吨每英里1/601便士，这一数值与实际成本仅相差1/40便士左右。人们认为，如此大的差异完全可以由高速行驶所带来的设备损耗来解释，尤其是考虑到许多机车是在工程师尚未意识到所需速度之高的情况下制造出来的。

“那么，”布思先生在前面提到的报告中说道，“这些相互矛盾的因素最终会导致什么结果呢？目前的状况又是怎样的？”

该公司在动力装置方面处于何种地位呢？简而言之，他们仍在不断进行试验，试图找到最适合的发动机结构以及最耐用的材料，以便用于运输比以往所能想象的重物、以更快的速度行进。而几年前，即便是最勇敢、最有远见的发明家也难以想象这样的可能性。此外，这些试验并非在冷静、审慎的氛围中进行的——没有在每一步进展之前都确保其可靠性，而是在日益繁忙的运营压力之下进行的；董事们根本不知道每台发动机还能使用多久才会因性能不佳而被淘汰，但他们仍不得不继续使用这些发动机，无论其性能好坏。尽管存在各种缺陷和不足，且当时根本无法加以修复，他们仍不得不让这些机器持续运转，即便这意味着要承担夜间频繁维修的麻烦，只为确保有足够数量的发动机能够用于第二天的工作。这项重要的试验尚未完成，仍在继续进行中。不过，最棘手的难题已经基本得到解决。[第364页]委员会认为，有理由预计，这一领域的支出很快就会大幅减少——尤其是考虑到目前这些发动机的性能与两年前的相比有了显著提升。

在截至1831年12月31日的半年里，表现最好的六台发动机的运行里程如下：
Planet：9,986英里
Mercury：11,040英里
Jupiter：11,618英里
Saturn：11,786英里
Venus：12,850英里
Etna：8,764英里
总计：66,044英里

在截至1833年12月31日的半年里，表现最好的六台发动机的运行里程如下：
Jupiter：16,572英里
Saturn：18,678英里
Sun：14,552英里
Etna：17,763英里

Ajax：11,678台
Firefly：15,608台
总计：95,851台

（197.）

自前述观察数据所对应的日期以来，这种机车引擎在结构上经历了几项极为重要的改进；其中，新增第三对轮子这一改动尤其值得注意。拥有三对轮子的引擎即便某根轴发生断裂，仍能保持稳定——其余的轴和轮子足以支撑整个引擎。与这一改动相关的还有罗伯特·斯蒂芬森先生提出的另一项建议，即去掉驱动轮上的法兰，因为其余轮子上的法兰就足以让引擎固定在铁轨上。现在，我们将介绍一种结构与目前各国铁路上普遍使用的引擎相似的机车引擎。[33]

该引擎及水柜的外观如图章开头所示的插图所示。图97展示的是沿引擎长度方向切开的垂直剖面图；图98则展示了水柜的相应剖面图——假设水柜是在连接点处与引擎相连的。图99展示了发动机内部各部件的平面图，包括位于锅炉下方的汽缸、活塞、偏心轮等，正是这些部件驱动着引擎运转。图100也是水柜的平面图。图101展示了靠近火箱的引擎后端的立面图；图102则是垂直于引擎长度方向、穿过火箱的横截面图，显示出火箱上方及两侧的锅炉结构、连接内外火箱的铆钉和螺栓、调压器、蒸汽导管以及蒸汽穹顶。图103展示了靠近烟箱的引擎前端的立面图，可以看到汽缸盖W、缓冲器T等部件；图104则是垂直于引擎方向的纵截面图，显示出构成锅炉前端的那块管板、通往汽缸的蒸汽管道S、通风管p、汽缸H以及烟囱G。

在不同图形的相应位置，标有相同的参考字母。如前文所述，锅炉实际上是一个侧放的圆柱体，其截面如图97中的A处所示。火箱由两个金属壳组成，一个套在另一个内部。炉栅则位于D处。用于将燃烧产物从火箱输送到烟箱F的管道则标为E。烟箱上方则竖立着烟囱G。在提供此图的发动机上——该发动机曾被用于伦敦与伯明翰之间的铁路线——锅炉的长度为7.5英尺，直径为3.5英尺。它是由厚度为5/16英寸的锻铁板构成的，这些钢板相互叠加，并通过直径为7/8英寸、间距为13/4英寸的铁铆钉固定在一起。图95展示了一个这样的铆钉，它连接着两块钢板。锅炉外部还覆盖着一层厚度为1英寸的木板，木板周围则用螺丝固定的铁环加以固定。由于木材的导热性较差，这种覆盖层能够保持锅炉的温度，同时防止因发动机在冷空气中快速运转而产生的蒸汽冷凝现象。外部火箱BB的形状近乎正方形，外部宽度为4英尺，沿锅炉方向测量的长度则为3英尺7.5英寸。它也是由与锅炉相同的锻铁板构成的。该火箱位于锅炉下方约2英尺处，其顶部呈半圆柱形，如图102所示，其直径略大于锅炉，且与锅炉同中心。火箱靠近锅炉一端的位置有一个圆形开口，其大小与锅炉的末端相当。锅炉通过角钢以及图96所示的铆钉固定在这一开口的边缘上。这些铆钉在图97中以截面形式呈现。图96所示的内部火箱C与外部火箱形状相似，只不过它的顶部是平的，除了底部之外其他地方都是封闭的。在内部火箱与外部火箱之间，四周留有3.5英寸的间隙，而在靠近锅炉的一侧，这一间隙则增加到4英寸。这就是内部火箱。

该结构由铜板制成，厚度为7/16英寸[Pg367]，除了靠近锅炉的位置外，其他地方的厚度均为7/8英寸。由于外部火箱的侧面和前端以及内部火箱的所有边界表面都是平的，因此这种结构不利于抵抗压力。为此，人们采取了相应的加固措施。构成内部火箱的铜板在底部附近向外弯曲，使其与外部火箱的铜板相接触，然后通过铜铆钉将两者固定在一起，如图97中的f所示。而构成两个火箱边界表面的铜板则通过图97和102中所示的支撑件固定在一起。这些支撑件也是由铜制成的，其整个长度上都有螺纹，同时在两个火箱的铜板上也加工有相应的螺纹孔。铜螺丝便穿过这些孔，然后在螺丝头部进行内外铆接，如图102所示。这些螺纹铆钉将两个火箱中相互面对的所有铜板部分连接在一起；它们被安装在内部火炉的侧面、背面以及锅炉下方的前部区域，间距约为四英寸。

图97：机车引擎的纵向垂直截面图。

图98. 火车车厢的纵向垂直截面图。
图99. 机车工作机械的平面图。
更大尺寸

图100. 招标平面图。

图101. 机车发动机后端的纵剖面图。

图102. 通过燃烧室的发动机垂直剖面图。

图103. 发动机最前端的纵剖面图。

图104. 通过烟箱的发动机纵截面图。
由于内部火箱的顶部无法通过此类支撑结构来加固，因此便使用了如图97中所示、长度为l的锻铁肋条，其端视图可见于图102。这些肋条在相邻螺栓之间是空心的，这样就能避免与火箱顶部直接接触，从而让热量更顺畅地传递过去。如果这些肋条与火箱直接接触，那么构成它们的金属就会过热，很快就会磨损，同时还会阻碍热量传递给水。除非确保锅炉中的水位始终保持在适当高度，否则这部分火箱会迅速磨损。

即便锅炉内注满了水，火箱顶部的水位也不高，稍有不慎，火箱顶部就可能会接触到蒸汽，如此一来很快就会被破坏。为避免因这种原因而引发事故，会在内火箱的顶部插入一个铅制塞子，如图97和102中的m所示。如果水位下降，这个塞子会在铜材受到严重加热之前熔化，此时从缝隙中涌出的蒸汽会使火焰熄灭。

铜制火箱几乎被普遍使用；但有时出于成本考虑，内火箱也会用铁制成。在外火箱的背板上，会开有一个椭圆形的开口，如图101所示，用于安装防火门。内火箱围绕该开口处的钢板会以直角弯曲，与外火箱的钢板相接，并通过一排铜铆钉固定在一起。防火门由两块锻铁板构成，两者之间留有9.5英寸的间隙。由于这两块板之间的空气是不良的热导体，因此能保持防火门的外侧板处于适中的温度。

在内火箱表面、即锅炉末端的部分，会开有一些孔，用来容纳管道的末端，这些管道的作用是将来自火焰的空气引导至锅炉另一端的烟箱中。这些管道在图97的E处以纵向截面显示，其末端则可在图102的内火箱表面看到，而在图104中则可见它们在锅炉另一端与烟箱的连接处。这些管道是由优质黄铜制成的，在我们所讨论的这台发动机中，其厚度为1/13英寸。在将黄铜板弯成管状并使其重叠后进行妥善焊接，再把边缘打磨平整之后，这些管子还会通过圆形钢模加工，从而变成完美的圆柱形。

那些用于安装管道的锅炉端部部件被称为“管板”，它们上也有相应位置的孔，这些孔是真正呈圆柱形的，尺寸也与管道相匹配，这样当管道插入这些孔中时就能与之紧密接触。管道的长度经过精确调整，使得当它们从锅炉的一端延伸到另一端并穿过这些孔时，能在两端略微伸出孔外一些。至于固定这些管道的方法则是……

其防水性能如下：——一个略呈锥形的钢环或套圈，其截面如图105中的C处所示，较小端的尺寸略小一些。

其直径小于管子的内径，但向外部逐渐增大，如图所示被插入管中。它起到楔子的作用，迫使管子与管板上的孔缘紧密接触。当锅炉中的某些管子磨损需要更换时，拆卸起来十分方便——只需切开管子内部的钢制套环，将其弯开使其不再与管子接触，这样就能松开管子并将其取出。在本文所描述的那种发动机中，共有124根管子，图105中显示其外径为15/8英寸，管子之间的间距为3/4英寸。不同发动机中的管子数量各不相同，有的多达150根，而有的则不足90根。发动机的蒸发能力在很大程度上取决于管子的数量与尺寸；工程师们在铁路领域的实践经验使他们逐渐增加管子数量并减小其尺寸。在之前因在利物浦与曼彻斯特铁路开通时表现优异而获奖的“火箭”号发动机上，管子数量为24根，直径为3英寸；而在后来制造的各类发动机中，管子数量都在增加，直径则在减小。限制管子尺寸的实际问题是：当管子过小时，灰烬和渣滓容易卡在管子里，从而阻碍空气流通，降低锅炉的蒸发能力。目前使用的管子内径约为1.5英寸，不仅需要在每次运行后清除其中的灰烬和渣滓，而且在任何长度的行驶过程中，都需定期打开防火门对管子进行清理。此前已提到，用黄铜替代铜管可显著提升机车发动机的性能，这一改进方案是由迪克森先生提出的，他于1833年担任利物浦与曼彻斯特铁路的驻厂工程师。据说，相同尺寸的黄铜管的使用寿命是铜管的6到8倍。当管子出现故障时，通常是由于水压将管子挤压变形所致：水从管子上的裂口进入，流到火焰处将其熄灭。如果在行驶过程中有某根管子发生此类故障，那么……

尽管发生了事故，通常仍可以通过用硬木堵住破裂的管道两端来让发动机继续工作直至行程结束；与水接触的硬木可以防止火焰将其烧毁。此处所提到的管道重量约为16磅，使用一段时间后会减轻6到7磅。每根管道的成本大约为1英镑。这些管道起到支撑作用，将锅炉的两端连接起来以增强其结构强度。除此之外，还有铁制杆子从锅炉内部火炉的顶部延伸至两端。图97中用o表示了这些杆子的长度，而图102则展示了它们的端面结构。图97和104中的烟箱F内装有气缸、蒸汽管和排气管，其宽度为4英尺，长度为2英尺。该烟箱由厚度为半英寸的铁板制成，靠近锅炉的一侧厚度为半英寸，其他部位则为四分之一英寸。这些铁板是通过与之前描述的火箱中的铁板相同的铆接方式固定在一起的。如图103的俯视图以及图104的剖面图所示，烟箱的顶部也是半圆柱形。从烟箱顶部伸出的烟囱G直径为15英寸，由厚度为1/8英寸的铁板制成，这些铁板通过铆接并加上环状结构来固定。如图104所示，烟囱与烟箱的顶部相连。在烟箱底部附近，工作气缸并排水平放置，滑阀朝上。在外部火炉的顶部有一个直径为15英寸的圆形开口，蒸汽穹顶T就安装在这个开口上（见图97、101、102），其高度为2英尺，通过法兰和螺丝固定在圆形开口周围。这个蒸汽穹顶由厚度为3英寸的黄铜制成。在那些没有尺寸限制的固定式锅炉中，如前所述，用于容纳蒸汽的空间足够大，因此蒸汽能够完全与从水中喷出时混入其中的液体分离。而在机车锅炉中，无法为蒸汽提供足够的空间，因此需要通过此处所示的结构来实现水与蒸汽的分离。图97和102中的漏斗形管道d′，其宽端朝上，伸入蒸汽穹顶中，几乎到达其顶部。这个漏斗形管道向火炉的后方弯曲，并通过法兰和螺丝与贯穿整个锅炉长度的主蒸汽管S相连。从锅炉中升起的蒸汽会充满蒸汽穹顶T，然后通过漏斗形管道d′下降。这样的结构使得蒸汽能够几乎完全与混合在其中的液体分离。主蒸汽管a的较宽部分在其后端通过法兰和螺丝与火炉后板上的相应开口相连。这个开口则由一块圆形板覆盖着。

该部件通过螺丝固定，中间设有一个填料箱，其结构与蒸汽缸活塞杆所使用的填料箱相同。调节器的轴a″穿过这个填料箱，轴的末端连接着一个绞盘h′，通过该绞盘可以转动轴a″。该绞盘的转动范围被限制在四分之一个转角以内。轴a″的另一端则连接到图97中从侧面可见的板e′上，而该板的正面则显示在图102中。这块圆形板e上有两个孔洞，其大小略小于四分之一圆周。因此，板上未被钻孔的部分就形成了两块略大于四分之一圆周的实心区域。这块板经过精密加工，能够与下方的固定板保持密封接触，而固定板的另一端则位于蒸汽管S的锥形开口的宽端处。这块固定的圆形板上也同样有两个几乎为四分之一圆周大小的孔洞，与活动板e′上的孔洞相对应。当通过绞盘h′转动活动板e′时，其上的孔洞就会与固定板上的孔洞对齐，此时蒸汽管S就可以通过这些打开的孔洞与漏斗d′相连。而如果将绞盘h′从当前位置再转动四分之一个转角，那么活动板上的孔洞就会对准固定板上的实心区域，由于这些实心区域的面积略大于四分之一圆周，而孔洞的面积则略小，因此蒸汽管S与漏斗d′之间的连接就会被切断，因为此时固定板和活动板上的孔洞都会被各自的实心区域挡住。显然，随着调节器中的绞盘h′从某一位置移动到另一位置，在每一个中间位置，连接漏斗d′与蒸汽管S的孔洞大小都会小于完整的四分之一圆周。实际上，这些孔洞会由两个小于四分之一圆周的扇形开口组成，而且这些扇形的大小可以任意调整，直到孔洞完全闭合为止。通过这种方式，就可以利用绞盘h′来控制从锅炉向蒸汽管S输送蒸汽的量。蒸汽进入蒸汽管后，会继续流向锅炉的前端，由于蒸汽管位于锅炉内部，因此蒸汽的温度能够得到保持。穿过锅炉前端管板的蒸汽管会沿着同一方向延伸一段距离，然后通过法兰连接到向左右两侧延伸的横向管道上，如图104所示。这条横向管道又通过法兰连接到两条弯曲的蒸汽管S上，蒸汽便通过这些管道被输送到阀门箱VV中。

这些弯曲臂的下端固定在距离锅炉最近的两个气缸的阀箱上[第373页]。图99中右侧的气缸便展示了其中一个阀箱的构造。蒸汽通过这些管道被引入阀箱或蒸汽室，再由滑阀将其输送到气缸中，从而驱动活塞运动，其原理与大型固定式发动机中的方式相同。

在气缸的上方设有蒸汽室或阀箱，如图97、99和104中的U所示。这些阀箱由半英寸厚的铸铁制成，用螺栓固定在每个气缸的上部。前端还通过螺栓与烟箱相连，后端则固定在管板上。这些阀箱与图99中的m和n通道相连，这些通道通向气缸的顶部和底部，被称为蒸汽口。它们还与图99和104中所见的、连接两个气缸前端的水平弯曲管道p′的入口o相连。这些弯曲管道最终汇合成一根垂直的管道p，即所谓的鼓风管，如图97和104所示。这根垂直管道向上逐渐变细，最终在漏斗或烟囱G的基部稍上方终止。阀箱内装有滑阀v，其上连接有轴l′。该轴穿过填料函k′，并通过齿轮装置驱动，具体结构将在后文说明。根据滑阀的位置不同，蒸汽室或排汽口可以与气缸的任意一端相连。例如，当滑阀处于图97所示的位置时，蒸汽室与气缸的前端相连，而排汽口则与后端相连。相反，如果推动轴l′使其移动到完全相反的位置，那么蒸汽口n就会与排汽口o相连，而蒸汽室则与蒸汽口m相连。这样一来，蒸汽就会进入气缸的后端，而前端则与排汽口相连。显然，这种结构与之前描述的滑阀结构极为相似（133页）。图106以更大的比例展示了该滑阀，其中A为后端蒸汽口，[第374页] B为前端蒸汽口，C为排汽口。将蒸汽口与排汽口分隔开的表面D被称为隔板，这些隔板被打磨得极为光滑，这样滑阀上同样经过精细打磨的表面F和G就能与之紧密接触且不漏蒸汽。这些表面在蒸汽室内的蒸汽压力作用下保持接触状态，从而使滑阀始终处于被压下的状态。如图中虚线所示，在中间位置时，两个蒸汽口……

滑阀起到了阻隔作用，因此此时没有蒸汽进入气缸的任意一端。在这个中间位置的两侧，滑阀各有1.5英寸的移动空间，这一空间足以让两个蒸汽端口依次打开。气缸的一端插入烟箱的板中，另一端则插入锅炉的管板上。气缸的两端都由厚度接近1英寸的铸铁盖封闭，这些铸铁盖通过螺栓和螺钉固定到位。在图106所示的、与管板相连的气缸盖上，有一个填料箱，活塞杆就在其中活动。机车发动机中使用的金属活塞与前述活塞并无本质区别，因此无需在此特别说明。由于活塞处于水平状态，其重量会使其只压在气缸的一侧，从而导致不同部位的磨损程度不一致；但由于活塞尺寸较小，这种影响在实际使用中几乎可以忽略不计。在所描述的这台发动机中，活塞的行程为18英寸，这也是机车发动机中最常见的行程长度。活塞在移动时，其两端距离气缸盖的内表面大约半英寸，留出这一间隙是为了避免发生碰撞。在气缸的最前端盖中装有一个阀门q′（见图97、99），用于排出因冷凝或进水而在气缸中积聚的水分。还有一个阀门r′（见图97），它与从排气管p′的分支中延伸出的小管道相连，同样用于排出该管道中可能积聚的水分。[Pg375] 当蒸汽通过滑阀推动活塞作功后，又会通过改变滑阀的位置而从排气口排出，随后蒸汽会通过管道p′进入喷管p，再以巨大的力量从喷管口喷出，进入漏斗G。当发动机的运转速度较快时，来自两个气缸的蒸汽会几乎连续不断地从喷管中流出，从而在烟囱中形成强大的吸力。从管道口进入烟箱的热空气也会被这股气流带动上升，进而在燃烧室中产生相应的吸力。活塞杆Y的末端呈叉状，它们通过这种结构与十字头Z相连，而十字头的两端则由导向杆A′限制，活塞杆可以在这些导向杆中前后移动，移动距离相当于活塞的行程。在活塞杆末端所在的叉状结构之间，连接着连杆B′的末端。因此，这些连杆会随着十字头Z的运动而前后移动。

活塞杆为Y形。连接杆B′则固定在驱动轮D′的轴C′上所形成的两个曲柄的末端。这两个曲柄分别位于相互垂直的轴上。图99中显示的是处于水平位置的左曲柄，而右曲柄则处于垂直位置。图107中以更大的比例展示了该曲轴，此时两个曲柄的位置则与图面平面呈倾斜状态。由于该轴是用于将驱动力传递给负载的部件，同时还要承受发动机的大部分重量，因此其制造时必须具备极高的强度和精确度。它是由整块材料制成的，所用材料为质量上乘的锻铁，即所谓的“Back Barrow”铁或废铁。在所描述的这种发动机中，该轴的最长长度为六英尺半，直径为五英寸。在中心部分A处，该轴呈圆柱形；而在曲柄所在的C处，其直径则增加到五又四分之一英寸。曲柄的侧边D厚度为四英寸，而那些呈圆柱形的曲柄销B的直径为五英寸，长度为三英寸；连接杆两端的黄铜部件尺寸也与此相对应。曲柄销B的中心到轴A的中心之间的距离必须恰好等于活塞行程的一半，因此在图107中这一距离为九英寸。长度为七又二分之一英寸的部件F上固定着较大的驱动轮，这样就能防止这些轮子在轴上转动或晃动。该轴在G处伸出轮子之外，此时的直径为三又八分之一英寸。这些突出的部分G长度为五英寸，两端还有环状结构。发动机的外部框架上固定有黄铜部件，这些部件就位于轴的突出部分G之上，发动机的重量便由这些黄铜部件来支撑。整个轴是通过车床精确加工而成的，每个曲柄销B也是通过将轴悬挂在与其对应的中心点上来加工的，这些中心点则位于坚固的铸铁臂上，而这些铸铁臂则固定在轴的末端，并且伸出曲柄之外，从而起到平衡轴的作用，使其能够围绕曲柄销的中心旋转。通过这种方式，轴的精度得到了极大提升，曲柄的长度也恰好合适，且两者之间的角度也为直角。如图所示，曲柄的棱角已被削平，圆柱形部分的末端也经过精心处理，使其变得圆润。

这些曲轴的强度与精确度对于其正常工作而言至关重要，正因如此，它们的制造成本才如此之高。此处所描述的这类曲轴每根的价格约为50英镑。如果制造得当，它们很少会断裂，但当发动机脱离轨道时，有时会出现弯曲的情况。

用于让蒸汽从气缸的两端进入或排出的动作，是通过偏心轮传递给滑阀的。其方式与原理与大型固定式发动机中的类似，因此无需在此详细解释用于传递该动力的装置，该装置在图97和图99中以平面图和剖面图的形式展示出来。

偏心轮固定在曲轴上的E′、E″位置。偏心轮E′通过杆e″将动力传递给位于发动机框架横跨轴上的杠杆h″，再由该杠杆将动力传递给同轴上延伸出来的另一根杠杆l″。杠杆l″与水平连杆m″相连，而这些连杆的前端则固定在驱动滑阀旋转的轴l′上。通过这种方式，偏心轮从主传动轴获得的动力便能带动轴l′做前后往复运动，而运动方向的转换点则由偏心轮在主传动轴上的位置来决定。偏心轮由两个半圆组成，通过键固定在主传动轴上，因此可以将其置于任何所需的位置。偏心轮的位置应使其与各自的曲柄成直角，并且应固定在曲柄后方四分之一个转角的位置，这样就能使滑阀比活塞更向前移动一定距离。由于杠杆h″和l″的位置关系，偏心轮的动力在到达阀轴之前就会发生方向反转。

发动机的工作性能在很大程度上取决于偏心轮在传动轴上的位置。滑阀应在活塞开始做功之前稍早一点开始打开蒸汽通道，这样就能在活塞被推动之前切断推动它的蒸汽，同时在活塞行程结束前让相反方向的蒸汽进入。因此，在这一小段时间内，蒸汽的作用方向与活塞的运动方向相反。这被称为滑阀的提前量，通常为四分之一英寸左右。实现这一效果的方法是让偏心轮并非完全与曲柄成直角，而是稍微提前一点。在活塞行程结束前让蒸汽进入活塞，有助于让活塞在行程结束时逐渐停止，从而减少因运动状态突然改变而产生的冲击力。

在那些发动机往复运动速度较慢的场合，就没有必要设置这种装置；但在那些活塞每秒的往复次数从4次增加到6次的机车发动机中，这种装置就变得必不可少了。在活塞行程结束之前被引入活塞中的蒸汽，可以起到弹簧缓冲的作用，帮助活塞改变运动状态；如果没有这种蒸汽，活塞就无法紧紧地固定在活塞杆上。允许活塞有少许移动的另一个好处是：那些刚刚推动活塞运动的废蒸汽，会在下一次行程开始之前就从排气口排出，这样当推动活塞的蒸汽开始使其回程时，活塞另一侧用于抵抗它的废蒸汽就会减少。当发动机的运动速度非常快时，从排气管到活塞的废蒸汽所产生的阻力通常被认为相当大，不过我们并未见到任何能够确定这一数值的直接实验。在斯蒂芬森先生为《特雷德戈尔德的蒸汽机》一书最新版本所撰写的关于机车发动机的描述中，他指出，当发动机以每小时25至28英里的常规速度运行时，整个行程中废蒸汽的平均阻力约为每平方英寸6磅；而在更高速度下，这一负压力会增加到该数值的两倍多。不过，文中并没有引用任何用来支持这一结论的实验数据。人们还认为，在高速度运转时，气缸内蒸汽对活塞的压力远远低于锅炉中的蒸汽压力；但据我们所知，目前还没有任何令人信服的实验结果能够证实这一点。斯蒂芬森先生同样指出，由于这种压力损失，当发动机高速运转时，废蒸汽所产生的负压力或阻力约占作用在活塞上的正压力的30%到40%，因此发动机的功率会降低近一半。不过可以看出，除了在估算活塞所受实际压力与锅炉中蒸汽压力之间的差异时存在不确定性之外，这里的推论似乎也与已经证明的关于蒸汽机械效应的原理相矛盾。锅炉与气缸之间可能出现的任何压力变化，都不会影响蒸汽的实际作用效果。因为蒸汽在流经发动机时，无论其压力如何变化，它依然属于普通蒸汽；虽然其压力可能会下降，但由于其体积会以几乎相同的比例增加，其机械作用力仍然保持不变。因此，发动机的功率……

因此，根据所产生的整体机械效应来估算的话，其数值只会因爆炸管所造成的阻力增加而发生变化。需要再次强调的是，据我们所知，这种阻力的具体大小尚未通过直接实验确定；而且有一些因素使得即便在高速运转时，这一阻力值也可能仍低于斯蒂芬森先生的估算值。

为使活塞推动发动机向前运转，偏心轮的位置必须与使其向后运转时的位置完全相反。因此，若要改变发动机的运动方向，只需改变偏心轮的位置即可，而实现这一目的的方法有两种。

第一种方法：让偏心轮既能在主轴上旋转，又能沿主轴滑动一段距离。可以通过将固定在主轴上的轴环上的销子插入偏心轮侧的孔中，来阻止偏心轮随主轴一起旋转。该销子的位置决定了偏心轮相对于曲柄的位置。在偏心轮另一侧不远处，可以设置一个带有处于相反位置的销子的轴环。通过使偏心轮在主轴上纵向移动，就可以让原来的销子从孔中抽出，同时让另一个销子插入另一侧的孔中。通过适当的机制，就可以改变偏心轮相对于曲柄的位置，从而改变发动机的运动方向。

第二种方法：假设用于推动发动机向前运转的偏心轮固定安装在主轴上，那么可以在同一根主轴的其他部位再安装两个偏心轮，使其相对于曲柄的位置完全相反。通过适当的机制，可以让其中一对或两对偏心轮啮合或脱开。这正是前面所描述的那种发动机所采用的方法。用于推动发动机向后运转的偏心轮则位于曲柄外侧的F′F″位置。如图101所示，还有一个手柄w″，操作人员可以通过它让任意一对偏心轮啮合或脱开，从而使发动机向前或向后运转。

由于发动机的所有运动部件都需要通过润滑油来持续润滑，以减少摩擦并保持冷却，因此会在这些部件上安装油杯。在某些发动机中，这些油杯是单独安装在各个运动部件上的；而在其他发动机中，则会将它们集中排列在缸体上。

通过细管与需要润滑的各个部件相连。每个连杆的两端、活塞杆的导向装置、活塞杆本身、滑阀的轴以及其他部件都需要这样的连接方式。图108展示了其中一个油杯的立体结构，图109为其垂直剖面图，图110则为水平视图。油杯A由黄铜制成，上面有一个盖子B。该盖子上有一块突出部分，它可以在油杯A侧面的插座C中的销轴上转动，其末端为方形，依靠插座底部的弹簧来保持开启或关闭状态。在油杯的底部还插有一根铁管D，这根管子几乎延伸到油杯的顶部。该管子从油杯底部伸出，其上带有螺纹，用于将油杯固定在需要润滑的发动机部件上。油杯被拧入的孔与摩擦表面相连，一根棉线穿过管道，一端浸入油杯中的油中，另一端则接触到运动部件。这根棉线起到了虹吸作用，能够持续地将油输送到摩擦表面上。

图111

该装置是一种安装在发动机后方且靠近发动机的车厢，用于运送供给炉子的焦炭以及供给锅炉的水。焦炭存放在空间R″中（见图98和100），该空间周围有一个装有水的容器I″，这些水用于为锅炉供水。锅炉的供水通过管道从该容器中向下输送，路径为P″Q″方向（见图98），并与水平管道K相连（见图97）。在P″处设有一个阀门，可随时切断通往该管道的供水。在图97中的t′处还有另一个阀门，该阀门位于弯曲管道与水平管道的连接处，通过调节阀门的开合程度可以控制流入K管道的水量。该阀门的操作手柄穿过发动机底部，以便工程师能够灵活地调节供水。如图97所示，管道K位于发动机下方，最终连接到一根直径更大的垂直管道上，该垂直管道上装有两个向上开启的阀门。在这两个阀门之间还装有一台泵，它将水从水平管道K抽入垂直管道K′，再由K′将水压入输送管道，最终送入锅炉。关于这台供水泵内部结构的详细情况，请参见图111。水平管道K′的末端在H处以剖面形式展示，此处它通过螺丝与垂直管道的底部相连；垂直管道在图97中标记为K，此处也以剖面形式呈现。图97中所显示的垂直管道是由多个部件通过螺母和螺栓连接而成的。最下方的部件I通过法兰与部件L相连，阀门Q就安装在这些部件内部，其阀芯处于锥形座上，因此阀芯能够与座面实现完全密封的接触。阀芯被加工成完美的球形，无论处于何种位置都能保持良好的密封性。它的上下运动由几根垂直杆引导，这些杆在顶部相互连接，从而限制阀芯的上升幅度。在部件I的底部有一个螺丝V′，拧下该螺丝即可接触到阀门。部件L则通过法兰上的螺母和螺栓固定在短管G上。管子G则安装在供水泵A的末端。在该供水泵的最前端，有一个常规结构的填料箱C，其中有一个压盖D，通过螺母和螺丝E将填料压紧。柱塞B被加工成圆柱形，能够在压盖D内实现完全密封的移动。由于柱塞不与泵筒A的内表面接触，因此无需对泵筒进行加工。用于驱动柱塞B的水平杆，其前端连接在蒸汽活塞杆上伸出的臂上，因此柱塞的移动距离等于蒸汽活塞的行程。

蒸汽活塞。在这种情况下，该空间为18英寸。垂直管G的上端通过螺丝和法兰与部件P相连，部件P上装有阀门R，该阀门在各方面都与下方的阀门Q相似，且同样向上开启。在顶部装有一个螺丝V，可通过它来操作这个阀门。该螺丝还会压在阀门的导向装置上，从而以恒定的压力将阀门压住。在部件P的侧面还装有一根水平管M，它与输送管N的末端相连。输送管N则延伸至锅炉，并在火箱处与锅炉相连。当活塞B从泵筒A中抽出时，球形阀门Q所受的向下压力消失，于是阀门上升，水便从管道H经阀门Q流入垂直管G；此时下方的阀门Q会关闭，阻止水回流。当活塞B重新回到泵筒A中时，它会迫使水冲向上方的阀门R，使水通过输送管N流出，而阀门R则阻止水再次回流。当输送管N被水填满后，每次活塞的往复运动都会向锅炉中注入相当于18英寸长的活塞部分所对应体积的水量。

直到最近几年，机车仍然只有四个轮子作为支撑；不过现在几乎所有的机车都采用六个轮子作为支撑，其中驱动轮位于中间位置。为了更稳固地固定机车在铁轨之间，通常会在六个轮子的轮缘上安装法兰。不过斯蒂芬森先生则采用另一种设计：他的驱动轮没有法兰，轮子为纯圆柱形，依靠另外两对较小轮子的法兰来保持机车在铁轨之间。此处描述的机车的轮子就是按照这种方式设计的。驱动轮D′固定在曲轴C′上，其直径为5英尺。另外两个轮子L′和M′分别位于烟箱后面以及火箱后面，它们的直径均为3英尺6英寸，轮缘上装有法兰，这些法兰在每条铁轨的内侧滑动，从而将机车固定在铁轨之间。这两对小轮子也与驱动轮一样固定在各自的轴上。这些轴的直径为35/8英寸，且伸出轮子之外，伸出的部分用于支撑机车的框架，并由黄铜部件构成。弹簧则安装在这些黄铜部件上，用来承受机车的全部重量。由于弹簧与路面之间仅有轮子和轴相隔，因此能够缓冲因机车快速行驶而产生的冲击力。

当需要用机车来运输非常重的货物时，会发现单对驱动轮的抓地力不足。在这种情况下，两对轮子中的L′M′这对轮子的直径会与安装在主动轴上的轮子相同，并且在每对轮子远离中心等距的位置上各装有一根杆子，这些杆子将两对轮子连接在一起，这样一来，无论施加在某一对轮子上的力有多大，都会使另一对轮子产生相同的转动。通过这种方式，蒸汽的动力可以同时驱动两对轮子，从而获得更大的抓地力。

机车能够为所牵引的货物提供的速度，取决于活塞在气缸中的运动速度。每当一个活塞往复运动一次，驱动轮就会旋转一圈；而假设驱动轮不会在铁轨上打滑，那么每次驱动轮旋转一圈，货物就会在路面上移动相当于驱动轮周长的距离。由于两个气缸协同工作，因此锅炉向机车提供的足以填满四个气缸的蒸汽量，就能让列车移动相当于驱动轮周长的距离。为此，每个活塞必须往复移动两次才能完成一次循环；每个气缸必须从锅炉中吸入两次蒸汽；而这些蒸汽也必须通过排气管两次从气缸中排出到烟囱中。

如果驱动轮的直径为5英尺，那么它的周长将为[Pg401]

15英尺7英寸。要使火车以每小时30英里的速度行驶，发动机必须以每秒45英尺的速度移动。而使用5英尺直径的轮子时，发动机就必须以几乎每秒3转的速度旋转；由于每次旋转都需要活塞在气缸内做两次运动，因此每个活塞每秒必须在气缸内向前移动3次、向后移动3次；蒸汽也必须每秒从蒸汽箱进入每个气缸6次，同时每秒从每个气缸排出到排气管中6次。因此，如果活塞的运动是均匀的，那么1秒就必须被分成6个相等的部分，而排气管中的气流则必须将1秒分成12个相等的部分。机器中那些往复运动的部件的运动速度也必须与之相匹配。由于这种往复运动会对机器造成损害并导致其迅速磨损，人们试图找到办法来弥补这一缺陷，从而在保持相同或更低的运动速度的情况下实现更高的行驶速度。

为提升活塞的性能，人们采用了直径更大的驱动轮；在几条主要铁路线上，用于牵引客车的发动机的车轮直径甚至被提高到了5.5英尺和6英尺。不过，这类发动机使用的时间还不够长，因此还无法对其实际效果做出准确评估。然而，在其中一条主要铁路线上，人们尝试了更为大胆的方案，即使用直径更大的驱动轮——在某些情况下，这些车轮的直径甚至达到了10英尺。但根据我自己及其他人进行的各种实验，以及从这些发动机日常运行情况中所获得的经验来看，它们并没有带来任何优势，因此大多已被废弃。

锅炉内的蒸汽压力由两个安全阀来控制，如图97中的N点和O点所示。N点的安全阀由工程师操作，而O点的安全阀则不在工程师的掌控范围内。图112以放大视角展示了N点安全阀的结构，图113则显示了去掉阀门后的阀座结构。阀门A由黄铜制成，其边缘以45°角呈斜面状，中间还铸有一个向下延伸的轴杆B。阀座C同样由黄铜制成，底部带有法兰，用于与锅炉相连。阀门的斜面部分与阀座紧密贴合，确保两者之间不会漏气。阀座的直径为2.5英寸，其上铸有一块薄片D，该薄片在图112中以剖面图形式呈现，在图113中则以平面图形式展示。这块薄片从顶部一直延伸到底部，其中有一个纵向孔，阀门的轴杆B就穿过这个孔移动；当阀门从阀座上升时，就会通过这个孔得到引导。在阀座上还有一个凸起E，里面可以插入一个标准件F。该标准件顶部呈叉状，用于固定杠杆G的末端，杠杆G可以围绕其中心旋转。另一根杆子H通过销钉与杠杆相连，该销钉距离杠杆上的中心销钉约3英寸，杆子的下端经过加工后呈尖状，用来压住阀门A的中心。在杠杆的另一端——在图112中该端被截断——距离插入标准件F叉状结构中的中心销钉3英尺处，有一个普通弹簧秤w的杆子，该杆子通过螺母n与之连接。弹簧秤的底部固定在炉膛上。通过调节阀门杠杆上的螺母，就可以使杆子H产生所需的压力，这种压力通常比大气压高50磅/平方英寸。当锅炉内的蒸汽压力超过这一数值时，阀门A就会从阀座上抬起，蒸汽便得以排出。

图112、113。

显然，在固定式发动机中用于调节安全阀压力[Pg403]的滑动重物在机车发动机中是不可用的，因为发动机的运动会不断使该重物上下震动，从而导致蒸汽泄漏。弹簧阀的另一个缺点是：在不增加压力的情况下无法让蒸汽排出，因此蒸汽在排出时的压力必然高于阀门先前设定时的压力。杠杆越长，这种压力差就越大，因为控制杆H的销子上升一定幅度时，与弹簧相连的杠杆端部的位移也会相应增大。

第二个安全阀O被置于一个外壳中，因此无法直接接触，其作用是限制操作员提高锅炉内蒸汽压力的能力。该阀的结构与前者类似，但它不是由杠杆压紧的，而是由多个叠放在一起的椭圆形小弹簧压在阀上，再通过固定在阀座上的支架Y中的螺丝来保持压力。通过这个螺丝，可以将作用在阀门上的压力调整到任意所需的程度；如果将已打开的安全阀进一步拧紧以增加压力，蒸汽就会开始从第二个阀门中泄漏出来。

此外，当锅炉产生的蒸汽量超过阀门N的排放能力时，压力有时会升高到足以使安全阀O打开的程度，此时蒸汽就会从两个阀门同时排出。

发动机的全部重量都作用在图99中那些伸出轮子之外的六个轴R′上。这些轴的转动部分被置于相应的盒体中，发动机的重量则通过这些盒体传递到轴上。在这些盒体上方还有油杯或润滑脂杯，用以持续为轴提供润滑。通常，发动机本身的轴会用油进行润滑，而补给车及其他车厢的轴则使用油和牛脂的混合物进行润滑。在轴转动的盒体中央、两个油杯之间，还有一个插座，用于安装主轴的末端。

弹簧就位于其支撑结构之上。这些弹簧由多块钢板构成，这些钢板以常规方式一层层堆叠在一起，且越往上方长度越大。在所描述的这种发动机中，驱动轮的弹簧由13块钢板组成，每块的宽度为4英寸，厚度为5/16英寸；而其他车轮上的弹簧则宽3英寸。驱动轮的弹簧位于轴的下方，而较小车轮的弹簧则位于轴的上方。

缓冲装置D″安装在煤水车后面，它们通过弹簧C（见图100）来吸收列车车厢撞击煤水车时产生的冲击力。所有客车上都装有类似的缓冲装置。有些缓冲装置的构造与弹簧C类似，但弹性更大，而且数量更多，它们被安装在车厢的框架下方，因此具有较大的活动空间。在某些情况下，缓冲装置的杆件会与嵌入车厢框架两侧的强力螺旋弹簧相接，这样的设计使得缓冲装置的缓冲效果更好。由于每节列车车厢都装有多个缓冲装置，因此当列车某端受到剧烈冲击时，这些缓冲装置就能通过自身的弹性将冲击力化解掉，从而避免造成损害。

为了提前发出列车即将到来的信号，发动机后部火箱的正上方装有一个蒸汽哨子Z′（见图97和图101）。该装置由两个小型的黄铜半球体组成，两者之间留有很小的间隙。蒸汽从下半球体中的空腔中流出，然后从该半球体边缘的一个极窄的圆形开口处喷出，喷出的力量与蒸汽的压力成正比。上半球体向下倾斜的边缘会与这些蒸汽相接触，从而产生类似风琴管中空气流动的效果，进而发出尖锐的哨声。这种哨声可以在很远的距离就被听到，而且与其他普通声音不同，它总能及时提醒人们列车的到来。

储水罐I″（见图98和图100）安装在煤水车上，它由厚度为1/8英寸的锻铁板制成，各角则用前面已经介绍过的角铁进行铆接。该储水罐的长度为9英尺，宽度为6又3/4英尺，深度为2又1/4英尺。储水罐的顶部覆盖着一块板子K″，其后还设有一个分为三部分的凸起平台N″，这些平台上铺有可开合的盖子。中间的盖子用于封闭储水罐的进水口，而两侧的盖子则用来覆盖存放随发动机一同携带的各类工具的箱子。

从水箱底部通往管道Q″的弯曲管道P″见图98，该管道由铜制成。而连接管道Q″与进水管K′的管道Q″见图99，有时则由皮革或印度橡胶布制成，其内部装有螺旋弹簧以防止管道变形。这种管道Q″必须具备足够的弹性，以便适应发动机与补给车之间运动时的差异。有时也会使用金属管道，并配备双球窝接头以及伸缩式接头，这些装置能够提供足够的间隙，以应对发动机与补给车在横向和纵向上的运动差异。像此处所描述的那种发动机，在装满适当量的水和燃料后，重量约为12吨；而空载的补给车重量约为3又1/4吨，装满水和燃料后则为7吨。水箱可储存700加仑的水，补给车则能携带约800磅的焦炭。这样的补给量足以让火车在正常负荷下行驶30到40英里。

（198.）

通常不会像表示其他类型发动机功率那样，用马力来表示机车发动机的功率。事实上，在能够较为精确地确定这些机器在各种工作条件下的实际阻力之前，是不可能准确估算出它们的功率或效率的。水蒸发并以蒸汽形式进入气缸这一过程，是限制发动机功率的重要因素；不过，即便这一对计算发动机效率至关重要的参数，也尚未通过充分的观察和实验来确定。斯蒂芬森先生称，此处所描述的发动机每小时能够蒸发77立方英尺的水，而早期的机车每小时只能蒸发16立方英尺的水。不过，这一数值仍低于我在一些北方铁路线上观察到的正在正常运行的发动机所产生的蒸发量。在1839年7月使用Hecla号发动机进行的一次试验中，我发现从利物浦到伯明翰的95英里行程中，该发动机的蒸发量为每小时93.2立方英尺；返回相同距离时则为每小时85.7立方英尺，平均下来约为每小时89立方英尺。Hecla号发动机的重量为12吨，其尺寸和结构与上文所述的发动机极为相似。

在1838年秋季，我对大枢纽铁路当时所使用的机车进行了实验，发现这些机车的正常蒸发功率在每小时80到85立方英尺之间。大西部铁路则使用尺寸更大、因而蒸发功率也更高的机车。1838年秋季，尼古拉斯·伍德先生与我一起对这些机车进行了测试，结果发现该线路上功率最强的“北极星”号机车，在以每小时3.5英里的速度牵引包括机车和煤水车在内的11.5吨负载时，其每小时的水蒸发量为200立方英尺；当以相同速度牵引19.5吨负载时，水蒸发量为141立方英尺；而以每小时3.85英里的速度牵引45吨负载时，水蒸发量为198立方英尺。已有研究表明，每小时蒸发1立方英尺水所能产生的机械功大约为2马力，因此，通过机车锅炉的蒸发作用所产生的总机械功率，几乎相当于每小时水蒸发量对应的马力数的两倍。在1839年7月进行的实验中，“赫克拉”号机车的蒸发所产生的功率约为180马力，而“北极星”号机车的功率则为约400马力。对于固定式发动机而言，因蒸发作用产生的总功率中约有半数会用于弥补损耗、摩擦以及与负载无关的其他阻力。至于机车发动机中应扣除多少比例的功率，目前尚无法确定，因此也就无法说明究竟有多少比例的蒸发作用所产生的功率是真正有用的马力。

(199.)

列车在铁轨上行驶时所遇到的阻力具有极高的均匀性，这一特性使得蒸汽动力在此类应用中具有极大的优势。只要这种阻力是由机械缺陷造成的，它就很可能被控制在尽可能均匀的水平；而随着负载量的增加，这种阻力也会在各种实际条件下降至最低可能值。直到最近，人们还一直认为这种阻力完全或几乎完全是由机械因素引起的——比如路面的不平整、车轮轴在轴承中的摩擦，以及发动机机械结构所带来的各种阻力。

这些阻力在很大程度上与列车的行驶速度无关；因此，在所有关于机车功率的计算中，人们都假定无论列车速度如何，这些阻力基本保持不变。人们很清楚，大气对列车运动所施加的阻力确实与速度有关，并且会随着速度的增加而急剧上升；但人们认为，由这一原因产生的阻力仅占总体阻力的很小一部分，实际中完全可以忽略不计，或者将其视为以平均速度计算出的总阻力的一部分。直到最近，人们仍然认为机车需要克服的铁路列车总阻力大约相当于所牵引货物总重量的二百五十分之一；有些工程师估计为二百二十分之一，还有些人则认为是二百五十分之一或三百三十分之一；而二百五十分之一这一数值或许可以看作是这些差异较大的估算值之间的平均值。至于这些粗略估算所依据的实验，至今仍未见相关记载。每位工程师都对这一现象有自己的判断，但没有人能提供相应的实验依据。有人声称，列车在下行时会“拖慢机车速度”，或者说在每英里有16英尺坡度的路面上，连接机车的链条会变松。然而，我自己进行的众多实验，以及如今在铁路线上每天都能观察到的实际情况都表明，这种观点是错误的——除非是在铁路实际上从不会出现的极低速度下才会如此。

1838年秋季，应大西部铁路公司一些股东的建议，开始了一系列实验，旨在弄清与铁路结构及运行相关的各种问题。其中一部分实验的目的是确定阻碍列车运动的平均阻力大小，这部分工作由我负责执行。在尝试了多种方法来测定这一平均阻力之后，我发现除了通过观察列车在陡坡上依靠重力下滑的运动情况外，没有其他方法能够得到令人满意的结果。当一列货车或客车被放置在一个足够陡的斜坡上，以至于它无需任何动力就能依靠重力自行下滑时，它从静止状态开始运动时，其速度会逐渐增加。

正如人们通常所认为的那样，如果该运动所受的阻力是恒定的且与速度无关，那么列车的下降过程就会是匀加速的：换句话说，速度的增加量将与运动时间成正比。无论列车在第一分钟内获得多大的速度，第二分钟末它的速度将是第一分钟时的两倍，第三分钟末则是三倍，以此类推；而且无论斜面有多长，这种速度增加的规律都始终不变。在目前所提到的这些实验之前，人们一直认为列车的下降运动就遵循这样的规律；甚至有人声称，这一规律与在铁路上进行的实验结果完全一致。但我当时所做的实验彻底推翻了这一观点。实验结果表明，加速度并非恒定，而是随着速度的增加而逐渐减小。也就是说，如果列车以每小时5英里的速度行驶时能在1秒内获得一定的速度，那么以每小时10英里的速度行驶时，在1秒内获得的速度就会小得多；而以每小时15英里的速度行驶时，在相同时间内获得的速度则更小，依此类推。实际上，随着速度的提高，加速度的增长速度会以非常快的比例下降。这让我意识到：当速度足够大时，加速度将会消失，列车最终将以恒定速度行驶。因为，推动列车沿倾斜平面下行的动力，实际上是列车总重量中沿着斜面方向的那部分力，所以这一动力必定是恒定的。而任何加速度的产生，都是因为这一动力大于列车运动所受的阻力——无论这种阻力源自何种原因。一旦加速度停止，那么动力必然等于阻力。因此，当列车以恒定速度沿斜面下行时，列车运动所受的总阻力必定等于列车总重量中沿斜面方向的那部分力；或者换句话说，它必定等于列车总重量中由斜面倾角决定的那部分力。例如，如果斜面的倾角为每百英尺下降1英尺，那么推动列车向下的力就等于列车重量的百分之一。只要列车运动所受的阻力小于其重量的百分之一，列车的运动就会持续加速；而重量的百分之一超过阻力的程度越大，加速度就越大；反之，重量的百分之一超过阻力的程度越小，加速度就越小。

如果阻力确实会随着速度的增加而增大，那么最终会达到这样一个速度：此时列车运动所受的阻力相当于其重量的百分之一。当这种情况发生时，列车重量百分之一所带来的驱动力恰好等于运动阻力，因此就没有多余的力用于产生加速度，列车的运动就会变得匀速。

基于这些原理，人们在不同倾角的斜面上进行了大量实验，还测试了不同重量的负载情况。总体而言，当列车沿斜面下行时，其加速度会逐渐减小，最终变为匀速；而这种匀速取决于列车的重量、形状、大小以及斜面的倾角；同一列车在不同的斜面上会获得不同的匀速——在更陡的斜面上，列车的速度会更高。

这些实验的结果与先前的假设相反，它们表明铁路列车所受的阻力与速度有关；这种关联性具有非常重要的实际意义，因为阻力会在不同的速度下发生显著变化，而且这种阻力源自列车行驶时所遇到的空气。这一点可以从相同重量下，由多节车厢组成的列车与由几节轻型车厢组成的列车所受到的运动阻力差异中看出来。

由于本书的早期版本是在这些实验结果被发现之前出版的，因此书中所述的铁路列车平均阻力值以及由此得出的结论都与当时已知的认知一致。书中认为，运动阻力实际上与速度无关，在平直轨道上，这一阻力平均值约为每吨7.5磅。这一数值相当于物体沿倾角为1/300的斜面下滑时所受的重力，因此在沿这样的斜面上行时，列车所需的驱动力将是平直轨道上的两倍。由于人们普遍认为机车无法将牵引力提高到超过这一限度，因此推断斜面的倾角不应大于1/300。人们认为，在比这更陡的斜面上下行时，列车会加速，需要使用制动器来控制其速度；而在这样的斜面上上行时，机车则需施加超过平直轨道上所需牵引力两倍的力。由于空气所产生的阻力并未被考虑在内……

在考虑这些因素时，人们并未对那些总体重量较大但表面积较小的重型货物列车，与那些重量相对较小但表面积较大的轻型客车列车加以区分。上述实验的结果得出了与本书前几版中所提出的、当时被铁路工程师们普遍认可的结论完全不同的推论。这些实验结果表明：铁路上的低坡度并不具备人们此前认为的那些优势；相反，通过降低速度，可以抵消更陡坡度所带来的阻力，这样，由于速度降低而减少的大气阻力，就可以抵消因上升坡度而增加的阻力。另一方面，在下坡时则可以提高速度，直到大气阻力增加到与列车因下坡而获得的阻力相等的程度。因此，在坡度处于实际可行范围内的情况下，通过调整速度，可以将对牵引力的阻力保持恒定或几乎恒定。

(201.)

虽然一系列实验已经得出了这些一般性结论，但这些实验的范围和多样性还不够，尚无法为确定铁路坡度的最佳限制值提供准确的实用依据；不过可以肯定的是，即使坡度远大于目前所建议的极限值，铺设铁路也不会带来实际的弊端。既然承认了通过调整速度来补偿阻力的原理，那么就可以推断：在坡度为每英里20到30英尺的铁路线上，列车从起点到终点的行驶时间实际上将与在平地上建设的同等长度的铁路线上的行驶时间相同；不仅运输时间相同，所消耗的牵引力也几乎没有差异。两种情况下运输条件的区别仅在于：在起伏的铁路上，列车的速度会不断变化，相应的阻力也会随之变化；而在平地上，列车则以恒定速度行驶，发动机则要克服恒定的阻力。这些结论已通过大量实验得到了充分验证。

去年七月，使用了上述的Hecla发动机进行了实验。实验所用的利物浦与伯明翰之间的铁路线长度为95英里，不同坡度下的速度变化范围从平地到每英里30英尺不等，其中大部分路段为平地。下表显示了列车在各种坡度上上升和下降时的恒定速度，以及每种情况下上升和下降速度的平均值，还有在平地上的速度：

| 坡度（每英里） | 上升速度（英里/小时） | 下降速度（英里/小时） | 平均速度（英里/小时） |
|--------------|----------------------|----------------------|----------------------|
| 177 | 22.25 | 41.32 | 31.78 |
| 265 | 24.87 | 39.13 | 32.00 |
| 330 | 25.26 | 37.07 | 31.16 |
| 400 | 26.87 | 36.75 | 31.81 |
| 532 | 27.35 | 34.30 | 30.82 |
| 590 | 27.37 | 33.16 | 30.21 |
| 650 | 29.03 | 32.58 | 30.80 |
| 平地 | 30.93 | | |

从这张表可以看出，坡度确实具有前述的、对速度起补偿作用的效应。各速度平均值之间的差异可归因于动力方面的随机变化。实验是在有利条件下进行的：大气干扰很小，天气也非常平静。在同一实验中还发现，水分蒸发量与阻力变化几乎成正比，而这一蒸发量可近似作为平均阻力的数值。以190英里的往返距离计算，每英里的平均蒸发量为3.36立方英尺的水。通过计算驱动轮使发动机行驶一英里所需转动的圈数，可以大致确定这些水所产生的蒸汽量。驱动轮的直径为5英尺，周长为15.7英尺，因此行驶一英里时它们会转动336.3圈。由于每次转动都会消耗四缸的蒸汽，所以锅炉每英里向气缸提供的蒸汽量等于每缸的蒸汽量乘以4再乘以336.3，即1345.2。Hecla发动机的汽缸直径为12.5英寸，长度为18英寸，因此每个汽缸的蒸汽量为1.28立方英尺，将其乘以1345.2后可得每英里有1721.86立方英尺，即1722立方英尺的蒸汽。

由此看来，假设预充液量要么为零，要么微不足道——而这正是这些实验中所考虑的情况——3.36立方英尺的水就能产生1722立方英尺的蒸汽，其密度与气缸内的蒸汽密度相同。因此，这些蒸汽的体积与产生它们的水的体积之比为1722比3.36，即512.5比1。这种密度的蒸汽所产生的压力为54.5磅/平方英寸。[34] 这便是气缸内蒸汽的平均总压力上限。在本次实验中，锅炉的安全阀被调至比大气压高60磅/平方英寸的位置，因此这便成了锅炉内蒸汽压力的最大限制；但由于实际压力必然低于这一数值，所以无法确定气缸内压力与锅炉内压力之间的差异。不过，这一差异并不会影响蒸汽的推动力，因为通过上述计算得出的气缸内蒸汽压力与锅炉内的压力无关，也与其他误差源无关，仅有预充液量可能带来的误差除外。上文计算出的54.5磅/平方英寸是蒸汽作用在活塞上的总压力，从中减去14.5磅，以抵消活塞所承受的大气压力，剩下的40磅/平方英寸则代表了用于驱动列车并克服发动机各部件所产生的所有阻力的有效力。12.5英寸长的活塞的表面积为122.7平方英寸，两个活塞的总表面积则为245.2平方英寸，每平方英寸40磅的压力将为两个活塞带来总共9816磅的力。由于该力必须作用在3英尺的距离上，而列车则要移动15.7英尺，因此需要按照3比15.7的比例进行折算，才能得到车轮与铁轨接触点处的实际作用力：这样算来，列车运动方向上的总力为1875磅。包括发动机和给水车在内的列车总重量为80吨，因此其沿轨道行驶时的总推力约为每吨负载23.4磅，这一数值已包含了发动机所带来的所有阻力。这种阻力相当于坡度为1/95的斜面所产生的重力效应，由此可见，若坡度为该值，总阻力将会翻倍，而非此前所认为的约1/300。由于这一系列实验得出了令人惊讶且出乎意料的结果，许多之前未被注意到的因素也被揭示出来，而这些因素都进一步证实了这些实验结果。[Pg415]

有研究表明，在大枢纽铁路的梅德利斜坡上，由于该斜坡的长度超过三英里，且每英里的坡度为29英尺，因此蒸汽永远无法被完全切断。但另一方面，为了保持下降时的必要速度，发动机始终需要提供动力。由于该斜坡的坡度远远超过使列车能够依靠重力自行下滑所需的坡度，因此发动机在下降过程中所消耗的功率，除了要克服由摩擦及其他机械因素造成的阻力外，还必须用来对抗大气压力。这一关于阻力的估算也与我自己用不同大小的列车在各种坡度下进行的多次实验结果一致。

（202.）

在规划铁路线路时，应尽可能让各段坡度的特性保持一致，因为发动机的重量和功率必然取决于整体坡度的陡峭程度。例如，在像利物浦与曼彻斯特之间那样基本平坦的铁路上，如果出现一两个非常陡峭的斜坡，那么原本为适应一般坡度而设计的发动机就无法拉动重物爬上这些异常陡峭的斜坡。在这种情况下，通常需要采取一些特殊措施来克服这些异常的坡度。为此已经提出了多种解决方案，其中值得一提的有：
1. 在到达斜坡底部后，将货物分成若干部分，由发动机分次运送上去，每次运送后再空车返回斜坡下方。不过这种方法的缺点是会带来延误，而这显然不适合用于大量运送乘客。根据上述分析，当列车在平地上满载行驶时，一旦遇到每英里坡度为52英尺的斜坡，就必须将货物分成两部分或更多部分，然后依次运送上去。这种方法偶尔会在利物浦与曼彻斯特线上的雷恩希尔斜坡上用于运输重物。
2. 可以在每个斜坡的底部准备一台辅助机车，以便在各类列车到达时协助它们向上爬坡。不过这种方法的缺点是，需要持续维持这台机车及其锅炉处于可用状态，成本相当高。

它的火炉会持续燃烧，无论列车是否正在使用；否则，当列车到达斜坡底部时，就必须等待辅助机车准备好才能继续行驶。不过，对于那些按固定时间出发和到达的列车来说，这种问题就不那么突出了。目前，利物浦与曼彻斯特之间的铁路线普遍采用这种方法。

3. 可以在斜坡顶端安装一台固定的蒸汽机，通过绳索与斜坡底部的列车相连。这样的机车能够同时牵引一列或两列列车及其机车，且不会造成任何延误。不过，这种方法要求固定式机车必须始终保持随时可用的状态，同时锅炉内的蒸汽也需持续供应。

4. 在平地上行驶时，可以通过部分关闭节流阀来限制锅炉与机车气缸之间的蒸汽流动，从而使作用在活塞上的压力远远低于锅炉内的蒸汽压力。如果在这种情况下仍能获得足够的压力来拉动负载，那么在接近斜坡时就可以打开节流阀，这样作用在活塞上的压力就会随之增加，其增加幅度与之前锅炉内压力高于活塞压力的程度成正比。如果火炉的燃烧足够旺盛，能够在上升过程中持续供应蒸汽，且坡度不会超过由此产生的牵引力所能承受的范围，那么机车就能在没有额外帮助的情况下将负载拉上斜坡。不过需要注意的是，在这种情况下，作用在机车上的负载必须小于其车轮与铁轨之间的粘着力所能承受的重量；因为这种粘着力必须足以支撑负载上斜坡，否则，即便通过打开节流阀增加了牵引力，车轮也会转动但无法带动负载前进。这种方法在利物浦与曼彻斯特之间的铁路线上被广泛用于旅客运输；事实上，这是目前唯一一种能够满足此类运输对快速性的要求的办法。在实际应用中，还可以在上升过程中暂停向锅炉供水，从而进一步提升效率。需要知道的是，机车后面还配有储水罐，里面的冷水由机车自身驱动的泵送入锅炉。该泵的设计使得它能够提供与蒸发量相等的冷水，从而保持锅炉内水的总量不变。但显然，

需要注意的是，这种水的供应有助于减缓蒸发速度，因为当它被提升到与混合水相同的温度时，必须吸收火源提供的相当一部分热量。因此，为了加快蒸汽的产生，在上坡时，发动机操作员可以停止强制泵的运转，从而停止向锅炉输送冷水；这样一来，蒸发速度就会加快，而因蒸发而减少的水量则可由下一段平地上的强制泵补充，或者在下一个下坡段更有效地得到补充。实际上，如果有必要的话，即使发动机本身停止运转，列车依靠自身重力下行时，也可以让供水泵在下行过程中继续工作，此时它就能起到制动列车的作用。

5. 当列车到达斜坡时，可以改变气缸活塞与车轮与轨道接触点之间的机械连接方式，从而使活塞对车轮产生更大的作用力。实现这一目的的方法有很多种，但目前还没有哪种方法简单到足以在实际中应用；而且，即便有某种方法能够实现这一点，除非同时增加推动力的强度，否则活塞对车轮的作用力越大，列车的行驶速度就会相应降低。例如，在利物浦线路上，那些每英里上升55英尺的斜坡上，列车的行驶速度将会降至平地上的四分之一左右。

脚注：
[30] 上文中关于内陆运输的一些观点，以及本章的其他内容，曾发表在我为《爱丁堡评论》于1832年10月和1834年10月所写的文章中。
[31] 《铁路与木材》，第二版。
[32] 自本报告撰写以来，焦炭的价格已大幅上涨。
[33] 这种蒸汽机的图纸是我从韦尔先生出版的、经过扩充的特雷德戈尔德所著的《蒸汽机》一书中获得的。该书中对这种机器的细节描述极为详尽，而这些描述是由史蒂芬森本人提供的。
[34] 详见附录中的压力、温度及体积数据表。

第十二章：收费公路上的蒸汽机车
[第419页]

目录索引
铁路与石路之比较——格尼先生的蒸汽机——蒸汽动力的便利性与安全性——汉考克的蒸汽机——奥格尔的蒸汽机——特雷维西克的发明——丘奇博士的蒸汽机。

(203.)
迄今为止，我们关于将蒸汽动力作为陆地运输方式的探讨仅限于其在铁路上的应用。但现代人的探索并未止步于此；人们尝试在普通道路上使用蒸汽机车，这些尝试也取得了不同程度的成功。长期以来，人们一直认为这种做法的可行性存疑；不过，已有足够的证据表明，唯一值得怀疑的问题是：作为一种运输方式，它是否真的能够带来经济效益。而这一问题[第420页]则因近期铁路的扩展而发生了重大变化。在比较石路与铁路的效果时，有两大因素使得铁路具有明显优势：首先，无论何种驱动力量，铁路对它的阻力相对于负载而言都要远远小于石路。在一条状况良好的平坦石路上，以马力驱动车辆行驶时所面临的平均阻力，大约相当于负载的36分之一；而在铁路上以相同速度行驶时，其阻力可能还不到这一数值的十分之一。因此，无论何种驱动力量，在铁路上产生的有效作用都是在其在石路上的十倍；其次，阻力……

与石质道路相比，铁轨表面的平整度要高得多，因此列车在行驶时所受的驱动力更为均匀，不会出现剧烈波动或不平稳的情况。这就使得在铁轨上运用无生命力的动力源变得更加容易。那些会导致石质道路比铁轨产生更大阻力的表面不平整现象，还会使列车产生颠簸，为抵消这种颠簸，就必须使用弹簧。这些弹簧使得依靠它们支撑的列车部分与驱动它们的部分具有不同的运动状态；而在应用蒸汽机械时，也需要将动力源与车轮连接起来，这样机械才能保持一种运动状态，而与之机械连接的、由机械驱动的车轮则可以有另一种运动状态。诚然，铁路上的机车也是如此；但由于铁轨表面更加平滑均匀，依靠弹簧支撑的列车部分与车轮之间的运动差异要比在石质道路上小得多。

不过，除了铁轨比石质道路更平滑之外，后者还有另一个缺点，而那些反对使用蒸汽动力的人很可能夸大了这一缺点的危害。很久以前通过实验得出的、并被确立为实用科学原理的附着力规律之一是：相同材质的表面之间的附着力大于不同材质的表面之间的附着力。因此，两种相同金属在受到相同压力时的附着力，会大于两种不同金属之间的附着力；而任何两种金属之间的附着力，都大于金属与石头或金属与木材之间的附着力。所以，行驶在铁轨上的蒸汽列车的车轮与铁轨之间的附着力更大，因而能够更好地防止列车打滑，不会导致列车无法前进；因为在铁轨上，车轮的铁制轮圈是与铁轨直接接触的，而在普通道路上，车轮的铁制轮圈则是与石质路面或其他材质的路面接触的。此外，普通道路上必然会积累的灰尘和松散物质，在被车轮压在路面之下时，也会对列车行驶产生一定影响。

滚轮的构造使得车轮更容易打滑，因为此时车轮并非直接与坚硬的路面接触。这一现象在铁路上也有体现：一旦铁轨上沾染了灰尘或潮湿的黏土等杂质，车轮与铁轨之间的附着力就会下降。不过，尽管普通马车在普通道路上的附着力低于蒸汽机车在铁路上的附着力，但实际上在公路上，车轮的附着力仍比人们通常认为的要大，足以拉动承载重物的马车前进。无论是由马匹还是蒸汽机提供动力，马车在铁路和公路上的行驶效率都受到影响；而无论采用哪种动力，与公路相比，铁路始终具有同样的优势。相同功率下，无论是在公路上还是在铁路上，所能完成的工作量都是不同的。但另一方面，铁路的初始建设成本以及维护费用，与其带来的牵引优势相比则相对较低。在试图将机车应用于公路的尝试中，设计者们旨在实现两个目标：首先，制造更轻便、更小巧的机车；其次，提升其动力输出。显然，以我们目前的知识水平，只有通过产生高温高压的蒸汽，才能以最小的蒸汽量产生最大的机械效应。马车的驱动方式通常与铁路机车类似，要么是通过安装在轴上的曲柄来驱动，车轮固定在这些轴上；要么是将活塞杆与车轮的辐条相连。有些马车上，锅炉、动力装置以及载客的车厢都安装在同一组车轮上；而在其他马车上，发动机则安装在单独的车厢上，再由该发动机拉动载客车厢前进，这与铁路上的情况类似。

用于铁路的蒸汽机与那些用于在收费道路上驱动马车的蒸汽机之间的主要区别在于锅炉的结构。对于后者而言，必须在保持动力不变的前提下让锅炉变得更轻、更小。为达到这一目标，人们想出了各种方法：将水以薄层的形式铺在平板上；将水置于间距很小的铁板之间，让火焰在板间燃烧；把水分成小管，让火焰在管周围燃烧；还将水注入相互套叠的圆筒之间，让火焰在相邻的圆筒间燃烧——这些都是不同发明者所采用的方法。

（204页）

在将蒸汽用于在收费道路上驱动马车的历史中，最著名的人物当属康沃尔郡的医学专家兼化学家戈德斯沃西·格尼先生。1822年，格尼先生接替汤普森博士，成为萨里学院的化学讲师。由于一些关于热现象的实验结果，他开始考虑在普通道路上使用蒸汽驱动的马车，随后便致力于研发能够实现这一目标的蒸汽机。在铁路机车应用过程中长期存在的错误观念——正如我们所看到的，这一错误严重阻碍了该技术的进步——格尼先生也持有同样的看法。他在最初的尝试中并未通过实验来验证这一观点，而是直接认为车轮与路面的摩擦力太小，无法驱动马车。他说，一些著名的工程师向他保证，这一点已经通过实际实验得到了证实。然而奇怪的是，像他这样聪明敏锐的人却没有去了解这些“实际实验”的具体情况。尽管如此，他仍然默认车轮无法驱动马车，于是耗费了大量时间和精力去设计各种杠杆和推进装置，试图让它们以某种方式作用于地面。

那些类似马蹄的装置用于推动马车前进。经过多次失败的尝试之后，从这些尝试中获得的经验最终让他明白了真相：车轮与路面的摩擦力不仅足以推动载重沉重的马车在平坦的路面上行驶，还能让它爬上普通公路上的所有山丘。就这样，马车成功爬上了伦敦与巴尼特之间、伦敦与斯坦莫尔之间以及斯坦莫尔山、布罗克利山上的所有山丘，甚至还登上了老海盖特山——该山的坡度高达九分之一英尺。
图114.

图115。

格尼先生所设计的发动机锅炉结构极为巧妙，其任何部位中，处于火焰作用下的金属部分都始终与水保持接触。考虑到在没有水来防止热量积聚的情况下，高温炉会多么迅速地破坏金属，这一设计优势便显而易见了。在格尼先生的锅炉中，那些格栅条实际上就是充满水的管道，它们本身就是锅炉的一部分。该锅炉由三个坚固的金属圆筒组成，这些圆筒水平放置，一个在另一个之上。图114展示的是通过垂直平面切割所得的截面图。上述三个圆筒的末端分别位于D、H和I位置。在最下方的圆筒D的侧面，有一排管道，其平面图如图115所示。这些管道从最下方的圆筒D的侧面伸出，略微向上倾斜——具体原因稍后会解释。由于截面的限制，图114中只能看到其中一根管道，即位于C处的那根。这些管道的另一端则与相同数量的竖管相连，其中一根如图E所示。这些竖管的顶端G则与另一组数量相同的管道K相连，这些管道从G处伸出，也略微向上倾斜，最终延伸到第二个圆筒H处。

图116显示了锅炉的端视图。图中的三个汽缸用相同的字母表示。在汽缸D和H之间有两条连接管B，而在汽缸H和I之间也有两条类似的连接管。从截面结构来看，这些管子在图114中看起来就像是一条管子而已。从汽缸I的顶部有一条管子N，蒸汽通过这条管子被输送到发动机中。可以看出，空间F的四周都被由管子构成的网格所包围，这些管子与汽缸D和H之间可以自由连通，而汽缸D和H之间则通过管子B相互连通。因此，[第426页]如果向汽缸I注入水，水就会通过这些管子流下，首先填满汽缸D以及管子C，然后逐渐上升至管子B和E中，最终填满管子K和汽缸H。由管子C、E、K构成的网格构成了炉膛，其中管子C相当于火栅，而管子E和K则相当于炉子的背壁和顶盖。用于添加燃料的炉门位于图116中的M位置。烟道则……

在F管之间产生的热量通过K管传递，而火焰与热空气则通过烟囱排出。在其他炉子中，燃烧燃料产生的热量会破坏炉栅的金属条，但在此处，这些热量被用来加热水C管中的水。火焰的辐射热作用于构成炉顶的K管、位于其后面的E管，以及部分地作用于D管、H管和B管。进入A处烟道的热空气与火焰则作用于E管的背面以及K管的上部，最终进入烟囱。

随着C、E、K管中的水被加热，它的密度会变得比温度较低的水更小，因而具有上升的趋势。因此，这些水会迅速流入H管。与此同时，较冷的水则向下流动。由于C管和K管呈倾斜状，这就使得受热水的上升趋势得以发挥，从而在火焰开始作用时产生极为快速的循环。当水温升高到足以快速产生蒸汽时，围绕火焰的管道中就会不断形成蒸汽泡；如果这些蒸汽泡停留在管道中不动，那么火焰的作用不仅会分解蒸汽，还会使管道变得通红，因为水无法流过管道来带走热量。不过，如前所述，管道的倾斜结构有效地避免了这种有害后果。无论是在C管还是K管中形成的蒸汽泡，都会因其密度小于水而具有上升的趋势，因此必然会向上移动——在C管中则向A方向移动，在K管中则向H方向移动。此外，管道中持续不断的快速水循环也促进了蒸汽的上升，否则即便蒸汽的密度小于水，也有可能有蒸汽泡滞留在狭窄的管道中而不上升。为了验证这一点，我通过C、E、K所示的玻璃管系统将D管和H管连接起来。结果，水的快速且持续的循环现象显而易见：管道中确实形成了蒸汽泡，但它们会以极快的速度进入上方的圆柱体并上升到表面，因此玻璃管中从未出现……

其温度会高于流经这些管道的水的温度。由于锅炉的每个部分都是圆柱形，从力学角度而言，这种结构最有利于增强强度；在给定的尺寸范围内，它能够容纳最多的水。此外，它也没有管式锅炉中常见的因膨胀不均而产生的缺陷。C管和K管可以沿其长度方向自由膨胀，不会导致接头松动，也不会对设备的任何部分造成应力；而E管由于较短，其膨胀程度非常小；显然，与它们相连的长管也会随之适度膨胀，而不会产生应力，也不会导致设备的任何部分松动。当水转化为蒸汽时，其中可能存在的任何杂质都会被分离出来，并沉积在用于蒸发水的容器底部。因此，所有锅炉都需要定期清洁，以防止这些沉积物不断积累；显然，这一操作在管式锅炉中尤为困难。在当前这种结构中，沉积物会在C管和K管中逐渐堆积变厚，如果不加以清除，最终会堵塞这些管道。不仅如此，这还会带来更严重的后果：由于这些沉积物是不良导热体，它们会阻碍热量从火源传递到水中，从而导致管子金属过热。格尼先生当然预见到了这一问题，于是设计出一种巧妙的化学方法来清除这些沉积物——即偶尔通过管道注入能与沉积物反应并将其带走的酸。这种方法确实有效；尽管普通工人很难实际应用它，但已故的沃拉斯顿博士仍坚持让格尼先生继续使用该方法，直到经验表明，在锅炉的常规使用条件下，根本无法有效地实施这一方法。于是，格尼先生转而采用机械方法来清除沉积物。在管道的开口处，以及D缸和H缸的另一侧，设有若干孔洞，当锅炉处于工作状态时，这些孔洞会被拧入的金属块堵住。当管道……

这些塞子需要被清除，之后会用铁制刮刀从孔中插入管道内，通过来回移动来清除管道中的沉积物。在这些发动机中，炉膛内的通风是通过将废气蒸汽从烟囱排出来实现的，这一方法与铁路机车所采用的方式相同；其效果极为出色，很可能不会被其他方法取代。不过，在用于收费公路的机车上，人们认为这种方式的噪音可能会吓到马匹。在利物浦线路上使用的发动机中，蒸汽直接从气缸的排气管流入烟囱，随着活塞的交替运动而以阵阵形式排出，虽然这在铁路上不会造成任何问题，但在收费公路上则可能令人反感。在格尼先生所使用的蒸汽马车中，从气缸排出的蒸汽会被引导到一个他称之为“吹气箱”的装置中。这个装置的功能与铁匠风箱的上部腔室类似：它接收来自气缸的蒸汽，但通过多个小喷嘴让蒸汽持续不断地排出到烟囱中。这样一来就能形成稳定的通风，且不会产生噪音。此外，还设有另一个蒸汽出口，操作人员可以通过它来增加、减少或完全停止烟囱中的通风量，从而根据路况调整燃烧强度。这在实际使用中非常方便，因为有些道路上几乎不需要通风，而有些道路则必须要有强大的气流。与这个吹气箱相连的还有另一件具有重要实用价值的装置。从水箱输送进水的水管也经过这个吹气箱，水在箱内呈螺旋状排列，这样，大量水就会接触到从气缸中排出并存在于该吹气箱内的废气蒸汽的热量。水流经这段管道时，温度会从大约60度上升至212度。这样一来不仅可以节省燃料、减轻重量，还有更大的优势。

在刚才提到的那种装置中，进水在吸收吹风箱内周围蒸汽的热量时，会使部分废蒸汽凝结，这些凝结的蒸汽随后被输送到储罐中，而进水则从该储罐中被泵出。在机车锅炉中，蒸汽的产生速度相当快，因此它会以大量气泡的形式从锅炉底部迅速上升至水面，使得液体处于类似暴风雨中海面的泡沫状湍流状态。在这种情况下，当蒸汽从水面涌入锅炉上部时，会带动水雾一起上升，这些水雾会像瀑布底部升起的雾气一样悬浮在蒸汽中。如果让这种状态的蒸汽直接进入气缸，其中悬浮的水分也会一同进入气缸，随后在活塞回程时被排出到大气中。如此被带出的热水已不具备蒸汽的机械性能，无法作为动力使用，因而成了热量浪费的重要来源。在每个锅炉中，都应设置某种装置，在蒸汽进入气缸之前将其中悬浮的水分分离出来。在普通锅炉中，水面之上较大的空间就可以起到这个作用——由于该区域没有搅动或干扰，悬浮在水中的水分会因重力作用下沉，从而在上方留下纯净的蒸汽。而在小型管式锅炉中，这个问题则更为棘手。由于沸腾发生的空间较为狭小，水与蒸汽的混合程度比普通锅炉更高；再加上没有类似蒸汽室的结构，使得水与蒸汽的分离变得十分困难。为了解决这些问题，人们尝试了各种方法。我之前已经介绍过通过管道布局实现的快速且规律的循环机制，这种机制有助于保持水流的规律性，从而减少水与蒸汽的混合。此外，在我描述的那种装置中还有一种分离方法：它是一个体积较大的坚固铁制圆柱体，被放置在远离火焰的影响范围之外，以此实现蒸汽的部分分离。

水中的水分在H缸中被分离出来；而含有水的蒸汽——在技术上被称为湿蒸汽——则上升至I分离器中。在这里，由于没有任何搅动或气流，处于完全静止状态，水滴会沉到底部，而纯蒸汽则留在顶部。因此，这个分离器就起到了与大型板式锅炉中水面以上的蒸汽室相同的作用。干蒸汽由此被收集起来，通过N管输送给发动机；而与蒸汽分离的水则聚集在分离器底部，再通过T管被送至最下方的容器D中，以便再次在锅炉中循环使用。

发动机的活塞通过曲柄作用于承载发动机的车厢后轮的轴上，这与曼彻斯特铁路上的机车工作原理相同，这样在发动机运转时，轴就能保持持续旋转状态。安装在这根轴上的车轮并非像曼彻斯特的机车那样永久固定或用键连接在轴上，而是可以像普通车厢的车轮一样绕轴转动。在这些车轮的附近，轴上还固定着两个突出的辐条或杠杆，它们会随轴一起旋转，并处于车轮两根相对辐条的位置。这些杠杆可以随时与车轮相连或断开，从而让车轮随轴一起转动，或者让轴独立于车轮转动，或者让车轮独立于轴转动，具体由操作员决定。正是通过这些杠杆，发动机才能驱动其中一个或两个车轮。如果将两对辐条都与车轮相连，那么曲轴就会带动两个车轮一起转动，此时车厢的运行方式就与利物浦-曼彻斯特线上的机车完全相同；不过这种情况很少需要，因为通常一个车轮与路面的摩擦力就足以推动车厢前进，所以只需使用一对这样的固定杠杆，由两个后轮中的一个来驱动车厢。车厢的前轮则围绕类似四轮马车的枢轴转动。这些车轮的位置可以根据需要随时改变。

小齿轮与环形齿条在牵引力的作用下移动，从而让车厢能够精确且顺畅地行进。在普通道路上推动车厢前进所需的牵引力会因道路状况的不同而变化，因此发动机的推动力或作用在活塞上的压力也必须相应地调整；而由于所有普通道路上都存在起伏和山丘，所以还需要更大的力量调整。正如铁路机车中所描述的那样，可以通过节流阀来控制锅炉中的蒸汽压力，以此实现推动力度的必要调整。不过，在当前这种装置中，这一原理得到了更进一步的应用——锅炉中的蒸汽压力可达到每平方英寸100至200磅，而作用在工作活塞上的蒸汽压力则不超过每英寸30或40磅。这样一来，驾驶员随时都可以获得巨大的动力输出；当遇到山丘或崎岖的道路时，他就可以提供足够的动力来应对各种情况。

在普通道路上使用蒸汽驱动的车辆时，人们一直担心两个问题：第一，如何为攀登山丘或行驶在崎岖路面时提供足够的动力；第二，车轮与路面的附着力是否足够以推动车辆前进。对于第一个问题，通过让锅炉内始终保持极高压力的蒸汽，已经找到了解决方案。至于第二个问题，各项实验都表明，没有理由认为车轮的附着力不足以满足驱动需求。格尼先生表示，他已成功驾驶这类车辆爬上伦敦周边公路上的许多陡坡。他曾仅用一个轮子驱动车辆前往巴尼特，结果发现这个轮子就足以让车辆克服该路上的所有坡度。同一辆仅有单个驱动轮的车辆还曾往返于克兰福德桥与巴斯之间，成功越过了途中的所有山丘。

活塞的两次往复运动会使驱动轮旋转一周，从而使车厢移动相当于……的距离。

这些轮子的周长。因此，显而易见，轮子直径越大，马车就越适合高速行驶；而直径较小的轮子则更适用于需要较大牵引力的情况。实际上，发动机通过轮子产生的牵引力与轮子直径成反比。那些用于以适中速度运输重物的马车会使用较小直径的轮子；而那些用于以较高速度运送乘客的马车，则最好使用直径至少为5英尺的轮子。

（205.）

这项新发明引发了诸多流行的偏见，其中危害最大、谬误最明显的观点之一，就是认为这种驱动方式的马车比马拉的马车对道路的破坏更大。这一错误在[第433页]下议院关于蒸汽马车的委员会所收集的证据中已被彻底揭穿。证据表明，这类马车并不会比马拉的马车更快地磨损道路，相反，马蹄对道路的磨损程度要远远超过马车轮子所造成的磨损。蒸汽马车的轮子可以设计得较宽，这样就能像滚轴一样作用于道路，从而增强道路材料的坚固性。由于驱动轮不会在道路上打滑，因此它们不会造成比普通轮子更严重的破坏；所以，蒸汽马车对道路的磨损程度，并不会超过重量相当、轮子尺寸相同的马拉马车的磨损程度。而马匹在行进过程中用蹄子践踏道路所造成的磨损，却远远大于任何马车所造成的磨损。如果还有人对这一点存有疑问的话，只要查阅1831年10月出版的下议院委员会报告中的相关证据，就一定能得到解答。

有人以蒸汽马车所需的机械重量过大为由，质疑其实际应用价值。格尼先生指出，

随着机械结构的不断改进，其车厢的重量得以减轻，而动力却不会因此下降。在不包括货物、燃料和水的情况下，车厢重量可降至35英担。他认为还有可能进一步降低重量。据格尼先生所说，他设计的那种重35英担、能运行8小时的蒸汽机车，其工作效率相当于30匹马。他计算出，那种能够搭载18人的机车，其重量相当于4匹马的重量；而用来运送这些人的车厢，则与普通马车具有相同的重量。这样一来，包括驱动机车和载客车厢在内的整个系统的重量，就与配有4匹马的普通马车的重量相当了[第434页]。在普通道路上使用机车来运输乘客或货物，有两种方式：一种是由机车来承载货物，另一种则是由机车来牵引货物。不同的设计者选择了不同的方式，每种方式都有各自的优缺点。如果让同一辆车厢同时承载发动机和货物，那么整体重量会随着所载货物的增加而相应减少；同时，用于推动货物的车轮所承受的压力也会更大。人们还认为，这种方式能提高车辆的转向和操控性，降低下坡时的风险，还能节省初始成本。不过，如果乘客与发动机同处一车，他们就会更容易受到机器噪音以及锅炉和炉子产生的热量的影响。虽然爆炸的危险性极低，几乎不值得提及，但乘客们对危险的担忧即便毫无根据，也不应被忽视。将乘客安置在与发动机分开的车厢中，显然可以消除或减轻这种担忧。而将发动机与乘客分开的最大好处在于：一旦在路上发生故障，就可以像更换马匹一样轻松地更换发动机；或者，如果在无法获得新发动机的地方发生了故障……

乘客的载荷可以由马匹来运送，直到抵达某个能够获得机车的车站为止。此外，当机车正在维修或清洁时，载客车厢也不必闲置。因此，使用机车牵引时与直接用其来承载货物时相比，所需的载客车厢数量就会减少。如果使用功率极大的机车来搬运重物，那么将机车及货物都放在四个轮子上是不切实际的，因为所产生的压力远远超过任何道路所能承受的限度。在这种情况下，至少必须将部分货物放在由机车牵引的单独车厢中。

在比较蒸汽动力驱动的车厢与马匹牵引的车厢时，前者最明显的优势便是能为乘客提供更高的安全性。蒸汽动力完全可以被精确控制，因此由蒸汽动力驱动的车厢能够以极高的精度被操控。无论行驶速度多快，它都能几乎立即停止；转弯时所需的空间也远远小于四匹马驱动的马车。只要司机小心操作，即便在急转弯时也不会有危险。而众所周知，马匹的动力很难被完全控制，尤其是那些被训练用于当前普遍认为合适的行驶速度的马匹。“在蒸汽马车中，车辆被冲走或翻倒的危险大大降低了，”法里先生在下议院作证时说道，“要控制四匹能够以每小时十英里的速度拉动重型马车的马匹是非常困难的，一旦它们受到惊吓或试图逃跑就难以控制；而且为了保持如此高的行驶速度，这些马必须始终保持一种随时可能逃跑的状态，尤其是在下坡或道路急转弯处。而蒸汽动力则几乎没有这样的危险，因为它完全可以被控制，而且还能通过改变动力方向来减缓下坡速度。只有粗心大意才可能导致蒸汽马车翻倒。迄今为止，蒸汽马车的故障率确实相当高，但这一比例不会超过普通马车的故障率。”

其结构比例恰当，制造工艺也相当精良。锅炉爆炸所带来的风险是唯一新的危险因素，但我认为这一风险并不等同于马匹带来的危险。”锅炉爆炸导致事故的风险其实极低，这一点可以从利物浦与曼彻斯特之间的铁路已经运行了大约十年这一事实中得到证明；此外，那些长度更长的铁路也早已投入使用，但至今仍未发生过因锅炉爆炸而造成乘客伤亡的事故。通常情况下，当这些机器出现故障时，只会因为锅炉中的水流入而使火熄灭，不会产生其他后果。据我所知，因爆炸而引发严重事故的案例不超过一例，而在那次事故中，受伤害的也只是工程师和烧火工而已。在格尼先生的蒸汽机中，车厢是位于发动机后面的，如图117所示。

图117.

图118。

（206页）

在沃尔特·汉考克先生设计的蒸汽机车所使用的锅炉中，水的流动是通过用多块金属薄板将容器或箱体分隔开来的，其结构类似伏打电池。水会在图118中E点所示的每对相邻金属板之间流动，而中间的空间H则构成了通道，火焰和热空气便通过这些通道流动。实际上，这些金属板的两侧都处于火焰和热空气的强烈作用之下，因此能够快速产生大量高压蒸汽。构成锅炉的金属板通过坚固的铁制连接件固定在一起，这些连接件横跨整个锅炉，与金属板呈垂直方向，如图所示。各金属板之间的距离为两英寸。这种结构的储水腔共有十个，它们之间还有十个通道。在这些通道下方是燃烧室或炉栅，里面有六平方英尺的燃料正在剧烈燃烧。所有的储水腔……

这些锅炉的容积大约有三分之二被水填满，剩下的三分之一则用于容纳蒸汽。在整个系列中，各个水室在顶部和底部都相互连通，并通过两颗大螺栓固定在一起。只要松开这些螺栓，水室就会分离；而重新拧紧螺栓则可使它们再次紧密连接。水是通过泵送进入锅炉的，而蒸汽则从顶部烟道中的一个开口处排出。这类锅炉能够承受每平方英寸400到500磅的压力，不过安全阀所承受的蒸汽压力通常在60到100磅之间。与火接触的水面面积为100平方英尺。这样的发动机每次可以行驶8英里，之后需要再补充燃料和水。每行驶一段距离就需要约2蒲式耳的焦炭。

汉考克先生的蒸汽机车与格尼先生的设计有所不同：在汉考克的机车中，乘客和发动机都位于同一个车厢内。锅炉则安装在车厢后面，锅炉与乘客之间有一个发动机舱，而乘客则坐在车厢的前部，这样所有的机械装置都位于他们背后。这些车厢可容纳14名乘客，不包括载重在内的重量约为3.5吨，车轮的轮胎宽度约为3.5英寸。汉考克表示，他的锅炉设计得非常好，即便发生爆炸也不会带来任何危险，唯一的后果就是机车无法继续行驶。他提到，当机车以每小时9英里的速度行驶，承受着每平方英寸约100磅的压力，且载有13名乘客时，机车突然停了下来。起初并不知道事故的原因，但打开锅炉的一个阀门后才发现里面既没有蒸汽也没有水。进一步检查后发现锅炉已经破裂。拆开螺栓后，发现水室的内壁上有多个大洞，水从这些洞中流到了火上，但却没有产生任何噪音、爆炸或危险后果。

南安普顿的纳撒尼尔·奥格尔先生为一种机车车厢申请到了专利，并对其进行了一段时间的实验性测试；但由于他似乎没有继续进行相关研究，我推测他未能满足那些必要条件，而缺少这些条件的话，就无法以经济高效的方式运行该机器。他在下议院委员会前的证词中这样描述自己的发明：“锅炉的底部和顶部由横截面为方形的构件构成，其内部为圆柱形；这些构件上钻有孔洞，一根气管贯穿整个结构。下表面内的孔以及上表面的下方孔比其他孔要大一些。在气管周围有一个小圆柱体，它的环状部分恰好套在下框架内表面的较大孔洞以及上框架下表面之上。这两个部分通过顶部的螺丝固定在一起；这些横截面构件则通过连接件相互结合，整个结构再用螺栓牢牢固定。这样一来，我们只需十分之一的空间和十分之一的重量，就能获得与其他低压锅炉相同的加热面积和动力，同时安全性也高得多。[第439页] 我们目前的实验用锅炉，在3英尺8英寸高、3英尺长、2英尺4英寸宽的空间内拥有250平方英尺的加热表面积，重量约为8英担。我们为两个气缸提供蒸汽，这些蒸汽通过活塞与曲轴相连，根据需要，车轮可以固定在曲轴的两端或其中一端。在大多数情况下，一个车轮就足够了，只有在极其困难的条件下，或者需要克服约1/6英尺的坡度来推动车辆前进时，才需要两个车轮。” “构成锅炉的气缸尺寸非常小，因此能够承受比锅炉下方火焰所能产生的压力更高的压力；如果这些气缸中的任何一个因意外事故而受损，它就会变成其余气缸的安全阀。即便在最高压力作用下，我们的锅炉也从未出现过破裂、损坏的情况；使用12个月后也无需清洗。” 伯明翰的丘奇博士则获得了多项与用于石质道路的机车发动机相关的专利；此外，还有一家由众多人士组成的公司也在从事相关研究。

在伯明翰，已经成立了一家拥有充足资本的公司，旨在实现他的设计理念，并按照他的原则制造蒸汽机车。丘奇博士所使用的锅炉是由铜制成的。水被封存在两片铜板之间，这两片铜板通过铜钉固定在一起，其结构类似于床垫或坐垫的上下层布料之间的连接方式，只不过固定铜板的钉子间距要更小。实际上，水就像是被“缝制”或“填充”在两片薄铜板之间一样。这两片铜板被组合成一个长方形的盒子，盒子的内部是火炉和灰坑，而盒子的顶部则设有蒸汽室。由于有如此大的表面积直接暴露在火焰的作用下，因此能够迅速产生蒸汽。当人们意识到铁路所带来的巨大优势时，那些试图将蒸汽机应用于普通道路上的各种项目也仍在不断改进中。[第440页]人们开始怀疑：即便成功解决了将蒸汽机应用于普通道路的问题，是否仍能像使用铁路那样实现高效与经济。在那些有望取得成功的方案中，包括莫兹利与菲尔德公司、马塞罗尼上校以及斯科特·拉塞尔先生所设计的机车引擎。不过，这些方案最终都被放弃了，我们认为主要原因在于人们认为：只要交通量足够大，使得使用蒸汽动力具有经济效益，那么铁路就必然会取代普通道路；而且，即便是在通往主干铁路的支线上，使用马力驱动的铁路也会比在石质道路上使用蒸汽动力更为经济。

第十三章 蒸汽航行
[第441页]

目录索引
船舶发动机的结构与布置——海水对锅炉的影响——相应的解决措施——除盐方法——盐度检测仪——西沃德的检测仪及其除盐方法——菲尔德的盐水泵——瓦特先生所采用的管式冷凝器——霍尔的冷凝器——铜制锅炉——加燃料的流程——船舶锅炉——节省燃料的方法——用毛毡为船舶锅炉做涂层——炉子与烟道的数量与布置——霍华德的发动机——膨胀原理在船舶发动机中的应用——莫兹利与菲尔德先生的最新改进——汉弗莱斯的发动机——普通明轮——带叶片的明轮——摩根的明轮——分体式叶片——功率与吨位的比例——船舶发动机效率的提升——铁制蒸汽船——通往印度的蒸汽航行。

(208.)
在蒸汽机为人类文明的进步和社会发展做出的诸多贡献中，没有哪一种比其在航海领域的应用更为重要或有趣了。[第442页] 在蒸汽机被用于推动船只之前，人们在深海中航行时面临着极大的危险和不确定性，以至于“航海”一词常常被用来形容一切充满风险的事物。然而，蒸汽机在航海领域的应用让水手和航海者免于遭受风浪带来的诸多威胁；即便不考虑其未来可能出现的进一步改进，它也已经使得中等距离的航行变得安全可靠，几乎可以与陆地旅行相媲美。作为一种海上运输方式，蒸汽机的应用已经得到广泛认可，而且仍在不断发展之中。

通过这些改进，将其应用到最长的海上航行中已不再是可行性问题，而仅仅是利润问题而已。蒸汽机作为推动船舶前进的装置，其工作原理对每个人来说都应该相当熟悉，因此无需过多解释。一根轴贯穿整个船舶，其两端延伸到船体的两侧；在这根轴的末端、船舶外部，固定着一对类似下冲式水轮的轮子，轮子的边缘上装有许多被称为桨板的平板。当这些轮子旋转时，桨板会击打水面，使水向与船舶行驶方向相反的方向流动。被向后推动的水所产生的反作用力，会通过桨轴传递给船舶，从而推动船舶向前行驶。在桨轴上还有两个曲柄，其结构与机车驱动轮轴上的曲柄类似。这两个曲柄相互垂直设置，因此当其中一个处于最高或最低位置时，另一个则处于水平状态。它们由两台蒸汽机驱动，这两台蒸汽机安装在船舶船体内部、桨轴下方。早期的蒸汽船只使用一台蒸汽机，此时，为了平衡蒸汽机对曲柄的不同作用力，人们会使用飞轮来调节。不过，这种做法在欧洲的船舶上早已被弃用，现在几乎所有船舶都采用两台蒸汽机。从两个曲柄的相对位置可以看出，当其中一个曲柄处于死点位置时，另一个曲柄则处于最有利于其工作的位置；而在所有中间位置上，两个曲柄的效率也能保持相对稳定，从而使它们的共同作用几乎保持一致。用于推动船舶的蒸汽机可以是类似瓦特所设计的那种冷凝式蒸汽机，这类蒸汽机通常用于各种工业领域；也可以是原理上类似于铁路上使用的那种非冷凝式高压蒸汽机。不过，在欧洲，低压冷凝式蒸汽机被广泛用于船舶领域，而在美国则有一定程度的应用。不过在美国，高压蒸汽机更为常用。

在那些对重量要求较高的河流上，压力式发动机也被广泛使用。船用发动机的各部件结构与陆用发动机有所不同。由于船舶空间有限，因此必须使其更加紧凑。发动机所驱动的曲柄所在的摇轴位置非常接近船体甲板，因此，如果像陆用发动机那样布置横梁和连杆的话，就会使得整个机械装置高出甲板很多。美国河流上的蒸汽船就采用了这种设计；但这种设计并不适用于一般的蒸汽船，尤其是海轮。因此，在蒸汽船上，连杆并非向下延伸至它所驱动的曲柄处，而是向上延伸，从而从下方获得推力。在这种情况下，如果让横梁处于通常位于气缸和活塞杆上方的位置，那么它就必须被安置在发动机与摇轴之间。而这会要求发动机有足够的深度，这与船舶的尺寸要求相矛盾。因此，船用发动机的横梁并非位于气缸和活塞上方，而是位于其下方。在活塞杆的顶部，还装有长度大于气缸直径的横杆，这样这些横杆的末端就能伸出气缸之外。在这些横杆的末端，通过接头连接着平行运动的连杆；这些连杆向下延伸，并与位于气缸两侧的横梁末端相连。这两根横梁的另一端则通过另一个横杆连接在一起，该横杆上再连接着一根连杆，这根连杆向上延伸至曲柄销，进而驱动曲柄。由此可见，船用发动机的横梁、平行运动机构以及连杆与陆用发动机类似，只不过结构是上下颠倒的。由于无法将横梁直接置于活塞杆上方，所以需要在发动机两侧各设置两根横梁以及两套平行运动机构，这些机构通过横杆来作用于活塞杆和曲柄，同时也会受到它们的作用。

由于相同的原因，船用发动机中气缸的比例与陆地发动机有所不同。陆地发动机的气缸长度通常大于其直径，比例约为二比一。而船用发动机的气缸直径则几乎等于其长度。因此，考虑到其功率，这类发动机的气缸冲程较短，这就意味着曲轴的长度也会相应较短，同时所有运动部件在垂直方向上的活动空间也更为有限。船用发动机中的阀门、驱动这些阀门的传动装置、空气泵、冷凝器以及其他部件，与陆地发动机中的同类部件并无显著差异。

图119：更大尺寸

通过参考图119[35]，可以更清楚地了解船用发动机的结构。该图展示了装有锅炉的船用发动机的纵向剖面图。用于支撑发动机的橡木垫块标为X，发动机的底座则通过螺栓固定在这些垫块以及船舶的底部结构上[第446页]。从蒸汽箱引出的蒸汽管道则标记为S。

锅炉与滑轨C相连，蒸汽由此进入气缸的上下部分。冷凝器位于B处，空气泵则位于E处。热水井在F处，锅炉所需的进水便来自此处；L为活塞杆，它通过平行运动与梁H相连，而梁H则作用于靠近发动机底部的点K上。梁I的另一端则驱动连杆M，该连杆向上延伸至曲轴，进而作用于桨轴O上。QR则是用于支撑发动机的框架。此处所示的梁以虚线表示，说明它位于发动机的另一侧。另一根处于相同位置、沿同一轴线运动的梁，则通过平行运动与活塞的横头相连，同时也与连接在连杆下端及对面梁上的横块相连。用于驱动滑轨的偏心轮位于桨轴O上，当需要停止发动机运转时，可轻松拆下驱动滑轨的连接臂。锅炉、炉栅及烟道的结构则由WU表示。安全阀y位于烟囱旁的上方管道下方，发动机操作人员无法触及它；h为用于将锅炉中的盐水排出的阀门；II则为进水管。蒸汽船的机舱整体布局如图120所示。由于船舶发动机所需产生的作用力特性，因此并不需要也不可能像用于工业生产的蒸汽机那样具备极高的运行稳定性。海面的波动会导致桨轮的浸入深度发生很大变化，水对发动机的阻力也会随之改变。因此，那些旨在为发动机提供工业生产所需稳定性的调速装置及其他部件，在船舶发动机中被省略了，只有维持发动机正常工作效率所必需的部件才会被保留下来。[Pg447]

图120。

为节省空间，船用锅炉被设计成在尽可能小的尺寸内产生所需量的蒸汽。为此，与锅炉的容量相称的更大表面积会被置于火焰的作用之下。用于将火焰和热空气引向烟囱的烟道，其结构设计使得热量能够从各个方向作用于位于薄长形壳体或板状结构中的水。实现这一目的的方法是让烟道在最终通向烟囱之前，在锅炉内部来回穿行数次[第448页]。虽然这样的设计会增加锅炉的成本，但能提升其产汽能力。

其蒸发量会成比例增加。瓦特先生在伯明翰进行的实验表明，与普通陆地锅炉相比，相同燃料消耗量的此类锅炉的蒸发量可提高约三比二的比例。关于船用锅炉中水腔与烟道的结构与布置，可参考图121、122、123中所展示的某些政府蒸汽轮机所使用的锅炉的剖面图。图121显示的是通过烟道的一条水平面的剖面图；炉子F以成对的方式与烟道E相连，空气则沿着图中箭头所示的路径流动。烟道E先延伸到锅炉的后部，然后再回到前端，之后再次回到后部，最后再次回到前端，在C处与图122中的弯曲烟道B相连。这条弯曲烟道B最终通向烟囱A。在图123中，共有三个独立的锅炉，每个锅炉都有两个炉子，这些炉子都与同一套烟道系统相连。在图122中所示的弯曲烟道B上，装有三个独立的风门，通过这些风门可以独立调节每个锅炉的炉子工作状态，同时也可以让每个锅炉单独切断与烟囱的连接。图121中的字母标记与图122中的标记相对应：E表示烟道的起始点，C则表示烟道的终止点。

图124。
图123展示了用垂直平面从锅炉前端到底端切割所得的纵向截面。其中，F仍代表炉膛，G为从前端向后方倾斜的炉栅，H为火桥，C为烟道的起始处，A则为烟囱。图124则显示了锅炉前端的俯视图，图中两个防火门处于关闭状态，另外两个防火门已被打开，从而可以看到前方炉栅的位置。此外，还设有一些小开口，这些开口通过相应的门封闭，以便于进入发动机基座之间的烟道底部进行清洁工作。
这些锅炉中的每一台都可以独立运行。这样一来，在海上航行时，可以用三台锅炉中的任意两台来驱动发动机，而第三台则可用于清洁和保养。目前，所有远洋蒸汽轮机都配备了多台锅炉以实现这一目的。
在所示的这些锅炉中，所有的烟道都处于同一水平面上，呈来回弯曲状，没有一根烟道位于另一根烟道的上方。而在其他类型的锅炉中，烟道在靠近锅炉底部处来回移动之后会向上延伸，然后在水面附近的水平面上继续来回移动，最终通向烟囱。这样，即便锅炉的容量不变，其加热面积也能更大。

在将蒸汽机应用于海上航行时，所遇到的最棘手的难题在于必须使用海水而非纯淡水来为锅炉供水。海水被注入冷凝器中以使蒸汽凝结，随后与凝结后的蒸汽混合，再作为给水送回锅炉中。

众所周知，海水中含有某些碱性物质，其中最主要的是碳酸钠，也就是普通食盐。1万格令的纯海水中含有220格令的普通食盐，其余成分包括33格令的硫酸钠、42格令的氯化镁以及8格令的石灰盐。将纯水转化为蒸汽的热量并不会同时蒸发水中溶解的这些盐分。因此，随着锅炉内水分的不断蒸发，那些原本溶解在水中的盐分会留在锅炉中，并与剩余的水一起形成溶液。由于海水中所含的盐分量远低于水所能溶解的最大量，所以在初期蒸发过程中，锅炉中的水只会变得越来越咸。不过，如果这一过程持续下去，锅炉中盐分的含量会与水的含量成正比不断增加，最终会使锅炉中的水达到饱和状态——也就是说，水中所含的盐分已达到该温度下所能溶解的最大量。一旦蒸发继续进行到这个程度，从水中析出的盐分就不会再与锅炉中剩余的水混合，而是会以沉淀物的形式存在；如果继续以同样的方式操作，锅炉最终就会变成一个装满盐的容器。此外，除了以松散的沉淀物形式存在外，海水中的一些成分还会因为具有吸附性而附着在锅炉的铁表面上，形成一层污垢或外壳，就像土壤物质附着在物体表面一样。

在用泉水处理的溶液中，会形成沉积物，并附着在陆用锅炉以及普通烹饪容器的内表面上。锅炉内表面的这种沉积物以及底部积累的盐分，会对锅炉的材料造成极大的损害。这些在锅炉内部形成的沉积物几乎不具备导热性，它们位于锅炉内的水与构成锅炉的金属板之间，从而阻碍了热量从与火焰接触的金属板表面传递到水中。因此，热量会在金属板上积聚，使其温度远高于锅炉内的水温，这会导致金属板变软。由于沉积物覆盖的下方金属板与未受沉积物影响的较高部位之间存在温度差异，就会产生不均匀的膨胀，进而使锅炉的接缝松动甚至开裂，导致泄漏。要避免这些危害，只有两种方法：第一，调节锅炉的进水量，确保水不会达到饱和状态，同时控制其含盐量，以避免形成有害的沉积物；第二，采用某种方法让锅炉使用淡水。而要实现这一目标，只能通过淡水喷射来冷凝蒸汽，并持续使用同一批淡水，因为在海上根本无法获得足够量的淡水来满足常规锅炉的用水需求。

(210.)

最常用的防止锅炉内水含盐量超过一定限度的方法，是将其中过量的盐水排出锅炉并排入海中，然后通过注入阀将海水引入冷凝器以冷凝蒸汽。这些海水会与被冷凝的蒸汽混合，因此其含盐浓度低于普通海水。为此，通常会在锅炉的下部安装称为排放阀的装置，用于排出过量的盐水。

因此，密度较大的水会聚集在下方。锅炉内的蒸汽压力以及水的重量迫使下层的水从这些阀门中排出；这一过程被称为“排水”，应当定期进行，以避免水中的盐分过多。当水中的盐分通过这种方式被排出后，就需要注入等量的水来恢复锅炉内的水位。正确且定期地执行这一排水操作对于保持锅炉的效能至关重要，但这一工作往往由工程师自行决定，而大多数情况下，工程师甚至没有合适的工具来判断应进行多大的排水量。通常要求工程师每两小时排出锅炉内一定比例的水，然后再注入等量的水来恢复水位；不过显然，这种基于固定规则的排水方式的有效性取决于“蒸发速率始终不变”这一假设，而实际上海洋用锅炉的蒸发速率并非恒定不变。应当配备一种能够持续显示锅炉内水盐浓度的指示器，以便根据该指示器的读数来调整排水频率。如果排水过于频繁，就会造成燃料浪费——因为热水会被排入海中，同时又有冷水被注入，这样一来，为维持排出水与注入水之间的温度差所需的所有热量都会丧失。反之，如果排水频率过低，就可能导致水垢和沉积物的形成，进而引发前述的各种危害。由于含有盐分的水的比重会随着溶液浓度的增加而上升，因此任何能够直观显示锅炉内水比重值的比重计都可以作为指示器，用来判断何时需要排水以及排水是否已达到适当程度。不过，在海洋用锅炉上使用这类仪器会面临一些实际困难。

在给定压力下，盐溶液的沸点会随着溶液浓度的不同而发生显著变化；溶液浓度越高，在相同压力下的沸点就越高。因此，通过比较安装在锅炉上的压力表以及浸入溶液中的温度计所显示的压力和温度，就可以判断水的含盐量。而且，只要对这类仪器进行适当调整，就能使其直接显示出水的含盐程度。

如果使用温度计存在实际困难，那么可以利用同一温度下锅炉中的盐水与淡水沸腾时压力之间的差异来推断锅炉中水的含盐量。基于这一原理，完全可以设计出一种能够自动记录水含盐程度的仪器。将一个小容器内的蒸馏水浸入锅炉水中，该容器的温度就会与锅炉水相同；从该容器中产生的蒸汽会连接到压力表上，从而显示出该蒸汽的压力，而锅炉中盐水沸腾时的压力则可以通过另一个压力表来显示。两个压力表所显示的数值差，就可以用来衡量锅炉中水的含盐量。这两种压力可以被施加到虹吸管内同一根水银柱的两端，这样水银面高度的差值就能反映锅炉中水的含盐程度。基于这一原理设计的自动记录仪器，正是我早些时候提议引入蒸汽机上的那种自动记录装置的一部分。

(211.)

莱姆豪斯的Seaward公司在其最近制造的某些发动机中，采用了一种通过排放液体来指示水含盐量并测量排出盐水量的方法。这种玻璃制压力表的形式与之前在陆地用发动机中描述过的那种类似。

(156.) 该装置用于指示锅炉中水面的位置。该仪表配有两个比重球，其重量与体积成正比；在浓度与海水相当的盐水中，这两个球都会沉到底部。当盐的分量超过水总重量的5/32时，较轻的球会浮到顶部；而当盐的分量进一步增加，达到总重量的6/32时，较重的球也会浮到顶部。在正常状态下，海水中所含的盐分占其总重量的1/32；一旦因蒸发作用使盐分比例上升至总重量的9/32，盐分就会开始沉淀。借助上述这种指示器，较轻的比重球上浮即可提示需要排出蒸汽，而较重的比重球上浮则表明锅炉中的盐分浓度已接近危险水平。

图125.

通常，排出锅炉中含盐水的办法是使用一根带有阀门的管道，该管道从锅炉延伸至船底或船体侧面的较低位置。每当工程师认为锅炉中的水盐分浓度已高到需要开始排水的程度时，他就会打开与海水相连的阀门，让大量水不断流出。根据锅炉的容量，这样就能排出2到6吨的水，之后每隔2到4小时重复一次这一操作，直到他认为足够为止。如果通过这种方式能够防止锅炉在航行过程中产生结垢现象，他就会认为自己已经履行了职责，却忘了自己排出的水量可能远远超过维持锅炉正常运转所需的数量，从而导致不必要的燃料浪费。为了解决这个问题，Seaward公司采用了以下方法。图125展示了一艘蒸汽船某部分的横截面图：W表示锅炉的水线，B则是位于锅炉底部附近的排水管接口。这条管道一直延伸到A点，然后水平转向，再通过AC管道连接到容积恰好为一吨水的储水罐T中。该管道通过阀门D与储水罐相连，而阀门D则由杠杆H控制——当杠杆移动到D′位置时，阀门D打开；当杠杆移动到K位置时，阀门D关闭。从同一个储水罐还有一条管道E，它从船体侧面通向大海，该管道也由阀门F控制，阀门F同样与杠杆H相连，因此当杠杆被拉到F′位置时阀门F会打开，而在杠杆处于K和F′之间的任何位置时，阀门D′都是关闭的。这样一来，只要与大海相连的阀门F处于打开状态，与锅炉相连的阀门D就必然处于关闭状态，反之亦然；当杠杆处于中间位置K时，两个阀门都处于关闭状态。通过这种设计，即使出现疏忽，锅炉也不会与海水直接连通，而且除非工程师主动操作，否则也不会有超过一吨的水被排出。这样一来，就能避免因工程师疏忽而让排水阀一直处于打开状态所导致的各种不良后果。当需要排水时，工程师只需将杠杆H移动到D′位置即可。

锅炉中的蒸汽在水面产生压力，迫使含盐的水或卤水通过管道BA流入储罐，这一过程会持续进行直到储罐被填满。此时，杠杆会从D′位置移动到F′位置，从而使阀门D关闭，而阀门F打开。储罐中的水则通过管道E流回大海，同时空气则通过位于储罐顶部的、向内开口的阀门V进入储罐。要再次排出一吨卤水，只需将杠杆移回D′位置，然后再回到F′位置；如此反复，卤水就能逐吨被排出，直到补充进来的水使得指示器中的两个球体都沉到底部为止。

(212.)

莫兹利与菲尔德公司采用了一种不同的方法来保持锅炉中水的新鲜度，该方法已成功应用于大西部号及其他蒸汽轮船上。他们使用了被称为“卤水泵”的泵，这些泵与锅炉的下部相连，其功能是将那里的卤水抽出并排入大海。这些卤水泵由发动机驱动，且持续运转。进水泵同样由发动机驱动，其工作方式与卤水泵相配合，使得在特定时间内排出的卤水中的盐分量与进水泵带来的水中所含的盐分量相等。通过这种方式，锅炉中的盐分含量能够始终保持恒定，因此溶液的浓度也不会发生变化。如果卤水泵排出的卤水中含有5/32份的盐分，而进水泵带来的水中只有1/32份盐分，那么显然5立方英尺的进水量所含的盐分不会多于1立方英尺的卤水所含的盐分。在这种情况下，卤水泵会被设计成只排出进水泵带来水量的1/5，这样，进入锅炉的所有水中有4/5会被蒸发，从而可用于驱动发动机。

为保留盐水的热量，莫兹利与菲尔德公司制造的海洋发动机采用了一种与蒸汽锅炉以及各种用于供暖的装置中早已使用的类似方法。加热后的盐水通过一根管子从锅炉流出，而这根管子又嵌在另一根管子内，进料则从后者的入口进入。因此，当加热后的盐水流过时，会将其大部分热量传递给进入的冷盐水；通过这种方法，排入海中的盐水温度可降至约100°。这种方法的效率非常高，只要设备制造得当且能保持良好运行状态，就能有效防止锅炉内出现结垢和盐分沉积现象，同时也不会造成过多的燃料浪费。

（213.）

大约在1776年，瓦特发明了一种管式冷凝器，旨在无需注入过程即可将从气缸中排出的蒸汽进行冷凝。该装置由多根连接在冷凝器上下部分的小管子组成，其排列方式与机车发动机锅炉中的管子类似。这些管子始终被冷水包围，当蒸汽从气缸中流出并流经这些管子时，会被其冷却表面所冷凝，然后以水的形式汇集到下方的储水槽中，再通过泵将其抽出，这一过程与那些依靠注入方式实现冷凝的发动机相同。这种方法的优点之一在于，不会像采用注入式冷凝时那样有空气进入冷凝器——因为注入的冷水中总是含有或多或少的空气。当这些水与冷凝后的蒸汽混合时，水温上升会导致其中的空气释放出来，而这些空气一旦进入气缸就会破坏真空状态。蒸汽发动机中设置抽气泵的目的之一正是为了排出这些空气，抽气泵也因此而得名。不过，如果能够让管式冷凝器以必要的效率工作，那就无需进行注入操作了。

会引入水来进行冷凝，而泵的任务仅是排出由冷凝蒸汽产生的少量水。这些水随后会被进水泵送回锅炉，从而维持一个稳定的循环系统。锅炉无需再补充新的水，只需补充因泄漏等原因造成的水量损失即可。近年来，诺丁汉附近的巴斯福德的塞缪尔·霍尔先生重新提出了这一设计，旨在让船舶发动机无需在锅炉中使用海水。霍尔先生打算制造出能够利用淡水通过管状冷凝器来冷凝蒸汽的船舶锅炉，并通过海水蒸馏来获取弥补水量损失所需的少量淡水。这类冷凝器已被应用于多艘蒸汽船上：有些船上继续使用它们，有些则放弃了；对于它们的效果，人们也有不同的看法。我未能获得关于这些冷凝器的任何令人满意的实验结果，因此无法判断其实用性。瓦特先生因为发现蒸汽的冷凝速度不够快，导致活塞在冲程开始时面临阻力，从而严重降低了动力输出，而喷射式冷凝则几乎是瞬间完成的，活塞在整个冲程中的效率更为稳定，因此放弃了这种冷凝器。瓦特先生还发现，冷凝器管道周围会积聚污垢，阻碍热量从蒸汽传递到冷水箱中的水中，从而导致冷凝器效率逐渐下降，只能通过频繁清洁才能恢复。霍尔先生称，他的冷凝器能够保持与普通冷凝器通过注入方式所达到的相同程度的真空度。不过也有人指出，由于没有将注入的水及其中的空气引入冷凝器，霍尔先生不得不使用与同等功率的喷射式冷凝发动机相同的强大空气泵；这样一来，所维持的真空度并非完全由冷凝作用产生的。

并非依靠蒸汽本身，而是通过空气泵将未冷凝的蒸汽抽出。无论这一说法在多大程度上成立，根据压力计所显示的数据，该机器的效率其实只是表面上的；因为要抽出任何量的未冷凝蒸汽，所需的能量与因没有这些蒸汽而产生的真空状态所带来的能量是相等的。图126展示的是霍尔先生设计的管状冷凝器结构：a为冷凝器的上部，活塞运动后会从滑阀处有蒸汽进入此处；k为构成冷凝器顶部的薄板，上面布满了小孔，管道被插入这些孔中，从而实现蒸汽和水的密封。水会在冷凝器的顶部k与底部d之间流过这些管道，从而使它们始终保持低温状态。蒸汽则从a处穿过管道进入冷凝器的下层空间f，在那里因受到低温作用而凝结成水。有冷水不断被泵送过冷凝器，以保持管道的低温状态。空气泵g的结构很常见，其活塞上装有向上开启的阀门，泵体盖子上也有类似的向上开启的阀门。在f处凝结成的水会通过底阀被抽出，经过活塞阀门后，随着活塞的向上运动被排入热井中。任何可能通过冷凝器管道的泄漏或其他方式进入的空气或其他气体，也会被这台泵抽走，然后被带到锅炉的给水装置中，再由给水泵将其输送到锅炉中。

图126。

同样，还有相应的装置可将从安全阀中逸出的蒸汽冷凝后送回进水箱中。

(214.)

为解决因结垢而产生的各种问题，一种解决办法是用铜制锅炉取代铁制锅炉。盐水中的钙质物质会因静电作用而附着在铁的表面上，但铜则不存在这种特性；因此在铜制锅炉中，所有在沸水中沉淀下来的盐类及其他碱性物质都会以松散的状态存在，并通过排气过程被带出。

除了盐分沉积和锅炉内表面结垢带来的危害之外，由泄漏导致的烟道中积聚的含盐烟灰也会带来严重的问题。在锅炉的接缝处有许多缝隙，

那些尺寸极小的缝隙，根本无法用任何可行的方法来封堵。锅炉内的水会从这些缝隙中渗出，其中所含的盐分会与烟灰混合，形成一种能迅速腐蚀锅炉的化合物。这种腐蚀现象在铜制锅炉和铁制锅炉中都会发生。在清理铜制锅炉的烟道时，那些被冲到机舱地面铁板上的盐分和烟灰，经过一段时间后会留在铁板上，由于铜与烟灰及盐分结合后沉淀下来，从而在铁板上留下类似铜的痕迹。[36] 经过仔细检查后发现，导致盐分泄漏的缝隙其实并不重要，因此若使用常规方法来封堵它们，反而有可能使情况更加恶化。

(215.)

在将蒸汽机用于远距离航行时，燃料的节省性就显得比在陆地上的发动机更为重要，即便是在那些远离煤矿、燃料成本极高的地方也是如此。蒸汽航行的实际限制取决于蒸汽船能够携带的煤炭量，因此，一切能够提高燃料效率的方法，不仅有助于节省成本，还能让蒸汽动力在更远的距离上发挥作用。在康沃尔郡的矿区，人们非常注重提升发动机的效率，因为那里效率问题纯粹就是经济问题；而当全球各地之间能否通过蒸汽实现互联互通可能取决于一定量燃料所产生的效果时，就更需要格外重视这个问题了。[Pg462] 只要蒸汽航行还仅限于河流、运河运输以及沿海航行，那么无论需要多少燃料才能达到一定的速度，速度都是最重要的考虑因素；但自从蒸汽航行扩展到远洋之后，就必须携带足够的煤炭来维持引擎的运转。

在很长一段时间内，由于没有新的替代方案，人们更加重视如何节约燃料。燃料的利用率在很大程度上取决于对火势的控制，因而也取决于烧火工人的技能与细心程度。过去，烧火工人的工作表现是以产生的蒸汽量来衡量的；只要能产生大量蒸汽，即便其中有一部分被浪费掉，也被视为完成了任务。人们并未考虑根据引擎的需求来调节火势，无论需要多少蒸汽，烧火工人的职责就是将火势维持在最大强度。由于蒸汽船的明轮所受到的阻力会随天气状况而变化，因此气缸中的蒸汽消耗量也会随之改变；如果锅炉产生的蒸汽量与这一需求不成比例，那么引擎的运行效率就会低于实际天气条件下的水平，或者锅炉产生的蒸汽量会超过气缸的承受能力，多余的蒸汽就会通过安全阀被排放掉。因此，为了高效地履行职责并最大限度地利用燃料，船舶引擎的烧火工人必须具备类似前述那种自动调节炉膛的功能：他们必须根据气缸所能消耗的蒸汽量来调节火势，并确保没有未燃烧的燃料从灰坑中流失。

直到几年前，锅炉表面各处散发的热量都被任由浪费，这些热量还会对船舶的相应部位造成损害。不过，如今通过在蒸汽船的锅炉、蒸汽管道等部位涂覆毛毡，已经几乎完全避免了热量从锅炉表面散失的问题。这种毛毡是通过一层厚厚的白铅和红铅涂层固定在锅炉表面的。这一方法最早是在1818年应用于某艘私人船只上的。

瓦特先生设计的蒸汽机名为“卡莱多尼亚号”，后来另一艘在索霍制造的、配备相同机械装置的蒸汽机也采用了这一设计，那艘蒸汽机被命名为“詹姆斯·瓦特号”。燃料的节省在很大程度上取决于炉子的布置方式以及给料方式。通常情况下，每个锅炉都由两个或更多个与同一烟道系统相连的炉子来驱动。当炉子正在加料时，如果炉门处于打开状态，冷空气就会涌入，流经正在燃烧的燃料，从而降低烟道的温度——这是需要避免的情况。但另一方面，如果炉子之间加料的间隔时间过长，那么每个炉子中的燃料量就会过多，会产生大量烟雾，燃料的燃烧效果也会相应变差。为确保燃料完全燃烧，可在炉栅前方形成焦炭层，这一过程已在前面提到过（147页）。不过，如果频繁地往炉栅前端添加煤炭，并且每次添加新煤炭时都将其逐渐向后推，那就需要频繁打开炉门让冷空气进入，同时炉工也需要更加专注地操作，而这在实际情况中很难做到。因此，在蒸汽机中，炉子的加料频率较低，投入的燃料量较多，燃烧效果也不够理想。当多个炉子位于同一个锅炉下方且都与同一烟道系统相连时，给其中一个炉子加料的过程会妨碍其他炉子的正常工作，因为此时进入烟道的冷空气会阻碍空气流动，降低正在工作的炉子的效率。过去，对于功率超过100马力的蒸汽机，人们习惯在每个锅炉下设置四个与同一烟道系统相连的炉子。但这种布置会导致炉子内的空气流动不畅，因而需要更大的加热表面积才能实现必要的蒸发作用。这也就意味着，随着功率的增加，机器所占的空间也会相应增大。因此，最近的做法是为每对炉子设置独立的烟道系统，或者最多为每三个炉子设置一个独立烟道系统。

当三个炉子共用一个烟道时，总会有两个炉子在正常工作，而第三个炉子则处于清理状态；但如果将相同的燃料量分配给两个炉子，那么清理其中一个炉子就会导致全部燃料量中的一半无法继续使用，同时蒸发量也会大幅减少。经验表明，炉子的侧板比炉顶更容易损坏，这可能是由于侧板更容易积聚污垢的缘故。因此，炉子的宽度不应低于一定的标准。过大的前后深度也会带来实际使用上的不便，因为这会导致点火工具需要相当长的长度，同时也需要更大的加料空间。那些在蒸汽机领域拥有丰富实践经验的人建议，前后深度为6英尺的炉子，其宽度至少应为3英尺，这样才能在尽可能减少对侧板损害的同时，保持火焰处于最佳状态，从而实现最佳效果。炉子顶部几乎从不出现腐蚀现象，也很少会发生形状变化，除非水位降得过低。[37]

(217.)

几年前，托马斯·霍华德先生提出了一种新型的船用发动机，并为其申请了专利。这种发动机具有很高的创新性和巧妙性，除了具备霍尔先生所提到的优点之外，还宣称能实现极高的燃料节省率。在霍华德先生的发动机中，与霍尔先生的设计类似，蒸汽也是从同一水源中不断产生的，因此可以使用纯水或蒸馏水；不过霍华德先生完全不需要锅炉。他在一个浅口铁制容器中放入一定量的汞，将该容器置于焦炭火上，使汞的温度保持在400°至500°之间。每马力对应的、暴露在火焰下的表面积被设定为四分之三平方英尺。汞的上表面覆盖着一层非常薄的铁板，该铁板与汞紧密接触，其表面积大约是暴露在火焰下的表面积的四倍。在这层铁板旁边还有一个盛水的容器，其水温也几乎保持在相同水平。

沸点，并通过喷嘴和阀门与位于汞上方的腔室相连。在与活塞运动相对应的时刻，会有少量水从该容器中被注入，并喷到放置在热汞上的铁板上。这样，这些水不仅能获得将自身转化为普通蒸汽所需的热量，还能使其具备过热蒸汽的特性。实际上，如此产生的蒸汽温度远高于其压力所对应的温度，因此无需冷凝就能去除其中的部分热量。（94）注入蒸汽腔室的水量是根据发动机的工作功率来调节的。燃烧所需的空气则由经过精确控制的鼓风机提供。由此产生的蒸汽会被引导至环绕工作缸的腔室中，而这个腔室又被另一个空间所包围，炉子中的空气在进入烟道之前会先经过这个空间。通过这种设计，当蒸汽流向气缸时，空气中的多余热量会被传递给蒸汽，从而使蒸汽的温度升至约400°，不过其压力不会超过每平方英寸25磅。控制蒸汽进入活塞的阀门则被设计为能够实现膨胀作用。另一侧的真空状态则是通过以下方式维持的：冷凝器是一个置于冷水池中的铜制容器，蒸汽通过常规的导气管从气缸进入冷凝器。同时，还有来自装有蒸馏水的相邻容器的喷射流，冷凝水和蒸汽则像普通发动机一样被从冷凝器中抽出。从冷凝器中抽出的温水会通过一根带有许多弯头的铜管流入冷水池，这样一来，当水流到管道末端时，其温度几乎会降至与大气相同的水平。随后，这些水会被送回之前提到的蒸馏水容器中，从而补充新的水。由于进入冷凝器的蒸汽已经去除了空气，因此只需一个小型气泵即可，因为它只需在启动时将冷凝器和管道中的空气排出，以及清除可能因泄漏而进入的空气。霍华德先生表示，这种冷凝过程的速度和效率与最优秀的普通发动机相当。

1835年春季，这种结构的发动机被安装在一艘名为“彗星号”的政府轮船上。据说，尽管该发动机的设计并不理想，且其中部分部件较为陈旧，并非专为这种锅炉而制造，但该轮船仍能够从法尔茅斯航行到里斯本，其燃料消耗量仅为使用博尔顿和瓦特设计的发动机时的三分之一左右——此前使用博尔顿和瓦特发动机时，每小时需消耗约800磅煤炭，而霍华德先生设计的发动机则每小时仅需消耗不到250磅焦炭。这种发动机的好处在于：首先，由于没有锅炉，因此机器所占空间和重量都很小；其次，燃料消耗量更低；第三，烟道尺寸更小；第四，可以避免因沉积物和结垢带来的危害；第五，没有烟雾产生。

(218.)

不过，要从一定量的燃料中获得最大的实用效果，关键还是在于充分利用膨胀原理。正是通过这一原理，康沃尔式的发动机才能产生如此大的动力。而在船舶发动机中应用这一原理的难点在于，欧洲人反对在船舶运行环境中使用高压蒸汽。要运用膨胀原理，那么在冲程开始时，动力必须远远超过阻力，其力量会逐渐减弱，直到冲程结束时才低于阻力。不过，如果发动机拥有足够的活塞表面积，那么即使使用低压蒸汽也能满足这一条件。莫兹利和菲尔德公司最近采用了这种方法，使膨胀原理能够在海上环境中得到应用，且与低压蒸汽相兼容。他们的改进之处在于将两个蒸汽缸集成在同一台发动机中，这样蒸汽就可以同时作用于两个活塞，使其上下运动。

活塞杆均连接在同一水平横头上，通过位于两个活塞之间的连杆，它们的合力被传递到同一个曲轴上。

图127展示了这种发动机的剖面图，该剖面是由一条穿过两个活塞杆PP′及气缸的平面所截得的。活塞杆连接到横头C上，该横头会随活塞杆一起上下移动。这个横头驱动轴D上下运动，而连杆E的下端则固定在轴D上。连杆的另一端则驱动曲柄销F，进而使桨轴G旋转。杆H通过梁I将动力传递给气泵E的杆K。

与此相关的是，同一项专利中还包含了另一项改进措施，即在机器上方、整个船舶范围内使用空心锻铁框架来支撑曲轴的所有轴承。图128展示了包括气缸和明轮在内的结构示意图。这些改进带来的好处在于：结构更为简单，对曲轴的作用更为直接，同时还能节省空间和材料重量；此外，活塞的面积也得以增大，从而使得锅炉的蒸发能力得到更好发挥，通过更有效地利用膨胀原理，产生比以往更大的动力。因此，在相同条件下，发动机能够输出更大的功率并更节省燃料。在海上航行时，当船舶因装载大量煤炭而速度降低，或遇到逆风时，还可以向气缸输送更多蒸汽，从而使船舶获得更高的速度，锅炉产生的所有蒸汽都能得到充分利用。

(220.)

莫兹利与菲尔德公司也为实现相同目标且与前述改进类似的另一项创新申请了专利。该改进在于采用直径更大的气缸，配备两根长度相当大的活塞杆PP′，如图129所示，这两根活塞杆的上端通过十字头C相连。从十字头向下延伸出连杆D，该连杆驱动曲柄销E，进而带动明轮轴S转动。在这种结构中，明轮轴位于活塞正上方，而双活塞杆的长度足够大，以至于当活塞处于行程底部时仍能位于明轮轴之上。这项改进尤其适用于内河航行用的发动机，其优势在于：将明轮轴设置在距船底一定高度的位置，可使活塞的行程比现有任何结构都要更长。此外，它还能实现气缸与曲轴轴承之间更为紧凑且牢固的连接，从而可以使用直径更大的气缸，进而更好地利用蒸汽的膨胀作用。

其作用能够得到更充分的发挥；与迄今为止所使用的各种船用发动机相比，蒸汽动力对曲轴的作用更为直接，同时所需材料更少，空间利用也更高效。

图128。

图129。

（221.）

弗朗西斯·汉弗莱斯先生获得了一种新型海洋发动机的专利，该发动机通过简化结构，在更小的尺寸下仍能产生相同的动力。在这种发动机中，气缸的活塞上没有安装活塞杆，而是装有一个中空的壳体DD（见图130），该壳体在填料箱G中移动，而填料箱的构造与活塞杆所用的填料箱类似。图中显示的是该壳体的截面，但实际上它的形状是一条细长的缝隙或开口，两端呈圆形，如气缸盖的平面图（见图131）所示。曲轴C由连杆H的另一端驱动，曲轴位于活塞中心的正上方，连杆则穿过长方形开口D并向下延伸。

该空心活塞杆与位于活塞底部的轴I相连。一个由KK构成的盒体或盖子将横档或轴I及其轴承包裹起来，并以密封的方式固定在活塞的底部。当活塞处于气缸底部时，气缸底部会形成一个空心空间LL，用于容纳KK盒体。

图130。

通过这种结构，推动活塞上下运动的力会被传递到连杆上，而非像通常那样通过其他方式传递。

动力直接来自活塞本身，通过横销I传递，再从那里传递到曲轴C，从而驱动曲轴运转，整个过程无需借助任何梁、十字头或类似部件。图131中用于控制蒸汽进出的滑阀位于a处；空气泵的连杆则位于d处，它由安装在主曲轴中心的曲轴驱动。[38]

(222.)

为了能充分利用动力来推动船舶前进，必须让动力始终以与船舶行驶方向相反的水平力作用于水中。然而，至今尚未出现能够完美实现这一点的机械推进系统。虽然已有许多巧妙的机械装置获得专利，这些装置旨在让推进表面呈现对设计者而言最有利的角度，但大多数这类装置的复杂性却成了致命的缺陷。在蒸汽船上，没有任何部件比明轮更容易在海上出现故障；因此，那种结构简单且便于在紧急情况下进行维修的设计，对于安全实用而言至关重要。

图132。

如前所述，普通的明轮是一种绕轴旋转的轮子，该轴由发动机驱动；轮子的周边装有许多平板，这些平板被称为桨板，它们通过螺母和支架固定在其位置上。这些桨板的平面几乎从轮子所转动的轴心向外延伸。这种结构意味着，当轮子处于最低点附近时，每个桨板只能朝着最有利于推动船舶前进的方向发挥作用。在图132中，O表示明轮所绕转的轴；桨板的位置分别用A、B、C等标记；X、Y则表示水位线，假设船舶的行进方向是从X到Y；箭头则表示明轮的旋转方向。由于如果浸入水中的深度过浅，每个桨板的一部分表面将无法发挥作用，因此明轮需要浸入与最低桨板相同的深度。在A位置时，桨板的全部力量都能用于推动船舶前进；但在H位置时，桨板进入水中的角度并非水平，因此其对水的作用力只有部分能用于推动船舶前进：一部分力量用于压低水面，另一部分则用于使水逆着船舶的行进方向流动，从而产生一定的推进力。

然而，当桨在H点进入水中时，会形成一个凹陷或槽状结构，而水依据其固有特性总会试图填满这个空间。在经过最低点A之后，当桨接近B点并从水中露出时，它的作用力又会变得斜向——只有一部分具有推进作用，其余部分则会使水面上升，从而在桨轮后方形成波浪和飞溅物。显然，桨轮浸入水中的深度越大，用于提升和压低水面的能量所占比例就越高；如果桨轮完全浸没到轴心处，那么桨板在进出水面时的全部力量都会白白浪费，没有任何一部分能用于推进。如果浸入深度更大，位于轴心上方的桨板还会阻碍船只的前进。因此，当船只处于最佳平衡状态时，其浸入深度应恰好等于最下面的桨的深度；但由于种种原因，实际上很难保持这一固定深度：海面的波动会导致船只摇晃，从而使桨轮的浸入深度出现很大变化，有时一个桨轮会完全浸没到轴心处，而另一个则完全露出水面。此外，由于货物量的变化，船只的吃水深度也会改变，这种情况在长途航行的蒸汽船上尤为常见。船只启动时装载着大量燃料，随着航行进程这些燃料逐渐被消耗，船只的重量也随之减轻。

(223.)

为消除这一缺陷并尽可能提高桨板的推进效率，有必要将桨板设计成能够以近乎边缘的方式进出水面；这样的设计实际上就相当于为桨应用了所谓的“减振装置”。任何能够完美实现这一功能的机制，都能让桨在几乎无声的情况下工作，同时几乎消除普通桨所产生的那些令人不适且有害的振动。不过，要制造出具备这种功能的桨板难度极大。

这类轮子工作的特殊环境。如此复杂的机械结构，一旦出现故障便难以修复；而且以海上所能获得的工程工具和技能而言，使用这样的装置会带来诸多问题；其推进效率也无法弥补蒸汽船失去推进力后所面临的种种危险。
桨板必须能够独立于轮子的运动而运动，因为无论将桨板置于何种固定位置，虽然该位置可能最有利于其发挥作用，但在整个水中移动过程中却未必如此。因此，当桨板处于最低点时，应处于垂直状态，或者其平面若向上延伸的话，应穿过轮子的轴线。而在其他位置，当桨板在水中移动时，其上边缘不应朝向轮子的轴心，而应朝向轮子最高点上方的某个点。桨板边缘应指向的具体位置可以通过数学方法确定，但这一位置会因船舶的运动状况而发生变化。显然，与风或水流无关的船舶自身前进速度，必然慢于桨板绕轮轴旋转的速度；因为正是由于这两种速度的差异，才产生了推动船舶前进的水流反作用力。不过，船舶的前进速度与桨板旋转速度之间的比例并非固定不变，它会随着船舶的形状、结构以及浸水深度而变化；不过，桨板应如何调整位置，正是由这一比例来决定的。如果船舶的前进速度几乎等于桨板的旋转速度，那么桨板就应该调整自己的位置，使其上边缘朝向轮子最高点稍上方的一个点。这种情况只可能出现在吃水很浅、呈双桅船形状且几乎不受水流阻力的蒸汽船上。相反，船舶的浸水深度越大，其外形越不流畅，其在水中移动时所受的阻力就越大，此时桨板旋转速度在整体速度中所占的比例也会相应增大。

桨板必须能够适应船只逐渐增加的速度。在这种情况下，桨板应能独立运动，使其处于水中的边缘始终指向高于桨轮最高点的一个位置。为实现上述目标，人们发明了许多巧妙的机械装置并申请了专利。其中一些装置因为发明者未能准确理解桨板需要具备何种运动方式而失败；另一些则因为实现预期效果所需的机械结构过于复杂而失败。

(224.)

1829年，以利亚·加洛韦获得了一项关于带有可移动桨叶的桨轮的专利，该专利后来被威廉·摩根先生买下。他对这一机械结构进行了各种改进，但这些改进并未偏离该发明的基本原理太多。

图133。

图133展示的就是这种明轮。简而言之，其工作原理是：带有桨叶的轮子围绕一个中心旋转，而用于驱动桨叶运动的径向臂则围绕另一个中心旋转。设A、B、C、D、E、F、G、H、I、K、L为明轮的多边形边缘，这些边缘由直杆构成，这些直杆在轮子的辐条或半径末端牢固地连接在一起，而该轮子则安装在由发动机驱动的轴上，其中心位于O点。就目前而言，这个轮子与普通的明轮类似；但与普通明轮不同的是，这里的桨板并非像普通明轮那样固定在A、B、C等位置上，始终朝向中心O，而是被安置在可以绕始终处于水平状态的轴旋转的位置上，因此它们能够相对于水面形成任意角度。从这些桨板的旋转支点出发，有短臂K，它们以约120°的角度牢固地固定在桨板上。当短臂K发生运动时，就会带动桨板产生相应的角位移，使其绕其支点旋转。在标有K的各臂的末端有一个销轴或支点，径向臂L的末端则分别连接到该销轴上，这样，通过改变L的运动，就可以调整每根径向臂L与短臂K之间的角度。径向臂的另一端则连接到一个中心点，它们可以围绕该中心点旋转。由于桨板旋转的支点A、B、C等位于以O为中心的圆周上，因此它们始终与该点保持相同的距离；不过，它们与另一个中心点P的距离则会不断变化。当桨板旋转到这样一个位置：它所绕转的中心恰好位于它与中心O之间时，它与前者中心的距离会比其他任何位置都要小。而当它离开该位置时，其与那个中心的距离会逐渐增大，直到到达旋转的相反位置——此时中心O仍然位于它与先前那个中心之间；这时，桨板与……的距离为

距离中心点最远的桨板所受的力最大。[第478页] 每块桨板与中心点P之间的距离不断变化，这一变化是通过调整径向臂L与短桨板臂K之间的角度来实现的：当桨板靠近中心点P时，该角度会逐渐减小；而当桨板远离中心点时，该角度则随之增大。这种角度的变化能够使桨板相对于中心点P的位置始终处于合适状态，这一现象在图中可以观察到。桨板D距离中心点P最近，此时L与K之间的角度非常小；在E点，L与K之间的角度有所增大，但仍然为锐角；在G点，该角度变为直角；在H点则变为钝角；而在距离中心点P最远的K点，该角度则达到最大值。在K点，该角度再次减小，A与B之间的角度则变为直角。由于短桨板臂K的方向不断变化，与其相连的桨板的位置也必然会发生相应的变化。第二个中心点P的位置可以被调整得恰到好处，这样当桨板入水或出水时，就能处于最有利于推动船只的位置，从而减少因桨板的倾斜作用而导致的水面交替起伏所产生的振动。

(225.)

1833年，Maudslay and Field公司의 Field先生设计了一种带有固定桨板的明轮，不过每块桨板都被分割成多个狭窄的板块，这些板块依次排列在彼此稍后的位置，如图134所示。他建议将这些分割后的板块按照摆线曲线的方式排列，这样它们就能依次在同一位置入水，从而避免因整块桨板同时入水而产生的冲击力。这种分割式的桨板在处于最低点时与普通桨板具有相同的推进效率；当它们从水中露出时，水会同时从每个狭窄的板块中流出，而不会像普通桨板那样被溅起。[39]

图134。

这种轮子的理论效果与普通轮子相同，而仅凭经验——目前尚未获得相关实验结果——便可以证明其效率。每块桨板被划分成的板块数量差异很大。最初，加洛韦先生设计的桨板被分为六到七块；后来这一数目有所减少，在为政府船只设计的较新型号的这种轮子中，桨板仅由两块组成，这样就在尽可能接近普通轮子结构的同时，仍未放弃分体式桨板的原理。

(226.)

要想大致了解蒸汽动力在长途海上航行中的适用程度，就有必要研究在当前蒸汽动力应用水平下，船舶的载重或吨位、机械的功率与重量、可用于储存燃料的空间，以及在各种天气条件下的平均航速之间存在的相互关系。此外，还需考虑该船舶的用途，即它是用于货物运输还是其他目的。

或是用于运输货物，或是仅用于运送乘客，又或是两者兼有。船舶上用于提供动力的部分空间，就是机器与燃料所占的容积。这两者之间的分配比例主要取决于船舶在无需补充煤炭的情况下能够航行的距离。如果航行距离较短，且能够频繁补充燃料，那么用于安装机器的空间所占比例就会相对较大；而随着每次连续航行距离的增加，所需的煤炭量也会增多，从而留给机器的空间相应减少。在其他条件不变的情况下，用于远洋航行的蒸汽船，其动力强度必然与其吨位成反比。显然，蒸汽机在航海应用方面的每一次改进，都会改变这类分析所依据的所有数据。无论出于何种原因，只要燃料效率得到提升，就会增加船舶的有效吨位，或使其能够航行的距离更长。过去以及现在，人们一直在不断进行各种改进，使得燃料效率持续提高，如今以合理的成本和利润就能完成航行，而在几年前，还无法通过使用海洋发动机来实现这一目标。得益于这些改进，蒸汽船的平均速度也在逐步提升。在截至1834年6月的四年间，海军的蒸汽船在法尔茅斯与科孚岛之间进行了51次航行，扣除停靠时间后，它们在港口与港口之间的平均航行速度为每小时7.25英里。执行这些航行的船舶，其载重吨位在350吨到700吨之间，所配备的发动机功率则在100马力到200马力之间，而煤炭储存量则在80吨到240吨之间。动力与吨位的比例则介于1马力对应3吨到1马力对应4吨之间。例如，“信使号”拥有200马力的发动机，载重为730吨；“火焰号”拥有120马力的发动机，载重为500吨；“哥伦比亚号”同样拥有120马力的发动机，但载重为360吨。总体而言，对于那些航程较短的航线，比如英吉利海峡上的航线来说，

功率与吨位的比例应约为每两吨对应一马力；但对于长途航行而言，这一比例应为每三到四吨的载重对应一马力。不过，这些数据仅属于粗略估算值，在应用于具体船舶时还需进行大幅调整。我们此前已经指出，所谓的马力数值本身就极不精确；而如果在长途航行中像现在这样采用膨胀式蒸汽驱动方式，那么名义上的马力就几乎无法反映船舶的实际性能了。通常人们会假设活塞上承受的蒸汽压力是恒定的，因而忽略膨胀效应来计算马力。要准确测定机器所输出的机械功率，最可靠的方法应是统计从锅炉到气缸中实际输送的蒸汽量。不过，这一数值也会受到膨胀原理应用程度的影响。从近年来大型蒸汽船的运行数据来看，自1834年得出上述估算值以来，这些船只的平均速度似乎有所提升；同时，将燃料消耗量与实际性能相比，也可以看出燃料利用效率也有了显著提高。然而，目前还缺乏足够多、足够准确的实验或观测数据，以便确定蒸汽航行在当前技术水平下所能达到的极限。各竞争公司之间的竞争态度，阻碍了那些更关心行业整体发展而非单个企业利益的人士对这一问题的研究，因此很难期望能获得足够准确且全面的数据。

(227.)

随着在船舶建造中用铁替代木材，预计蒸汽航行的应用范围将会进一步扩大。迄今为止，铁制蒸汽船主要还是用于内河航行。

虽然存在导航方面的问题，但似乎并没有充分的理由来限制它们的使用。对于海上航行而言，它们具有诸多优势：其重量仅为同等吨位木制船舶的一半；因此，在相同吨位下，它们的吃水深度更浅，所受的推进力阻力也更小；或者，在相同吃水深度和相同阻力条件下，它们能够承载更重的货物。由于材质的原因，铁制船舶比木制船舶更为坚固，不会出现因船只摇晃而导致接缝开合而产生的变形现象。此外，铁制船舶还更耐撞，不易在岩石上发生断裂。如果木制船舶受到撞击，船板会断裂，形成的裂缝往往比造成撞击的岩石部分要大得多；而铁制船舶则要么只是受到轻微损伤，要么只会出现与撞击岩石大小相当的孔洞。麦克格雷戈·莱尔德先生在向下议院蒸汽航行委员会作证时列举了一些铁制船舶的强度实例，其中值得一提的是：有一艘名为“阿尔伯卡”的铁制船舶在试验中搁浅，停在了锚地上；如果是木制船舶，锚很可能会刺穿它的船底，但在这艘船上，船底仅受到了轻微损伤。另一艘为爱尔兰内河航运公司建造的铁制船舶，在大风中被拖过德格湖时，拖绳断裂，船舶撞上了岩石，但在相当长的时间内都没有受到任何损坏；而木制船舶在这种情况下早就毁坏了。铁制船舶的另一个优点（在温暖的气候条件下尤其值得重视）是它们更加凉爽，且不会滋生害虫。目前，利物浦和布里斯托尔港正在制造大型铁制蒸汽船，用于长途海上航行。据称，目前计划中最庞大的此类船舶正准备用于布里斯托尔与纽约之间的航行，该船舶由曾经运营“大西部号”蒸汽船的那家公司在建造中。

最近，民间与立法机构都提出了多项将蒸汽航行技术应用于更长距离航行的计划，这些计划进一步激发了人们改进蒸汽航行技术的兴趣。下议院的一个委员会在上一届会议中收集了相关证据并提交了报告，支持在英国与印度之间建立蒸汽航运线路的尝试。该委员会提出了两条路线，这两条路线都是对已有的通往马耳他和爱奥尼亚群岛的蒸汽轮船航线的延伸。其中一条路线是经过埃及、红海，再穿越印度洋抵达孟买或其他印度沿海城市；另一条路线则是经叙利亚北部到达幼发拉底河沿岸，然后沿这条河流进入波斯湾，最终抵达孟买。这两条路线都会面临各种特殊困难，而且都需要进行漫长的海上航行。

在经过红海的路线中，建议在马耳他与亚历山大之间建立蒸汽轮船航线（距离为860英里）。一艘载重400吨、功率为100马力的蒸汽轮船，在考虑各种天气状况的情况下，平均只需5到6天即可完成这段航程，每天需消耗10吨煤炭。不过，或许采用更高功率与载重比的蒸汽轮船会更为合适。从亚历山大出发，可以通过陆地途径穿过地峡前往苏伊士，这一路程需要4到5天，可依靠商队和骆驼运输；或者也可以选择从亚历山大经陆路或水路前往开罗，距离为173英里；而从开罗到苏伊士则需穿越沙漠，距离为93英里，大约需要5天时间。苏伊士将作为蒸汽轮船的停靠站，而红海则需被多次穿越。如有必要，还可在科塞尔、朱达、莫卡等地设立煤炭补给站，最后在亚丁或索克拉特岛设立补给站——索克拉特岛位于红海出口处，属于印度洋上的岛屿。从苏伊士到科塞尔的距离为300英里，略大于从利物浦到都柏林的距离的两倍。从科塞尔到朱达的距离为450英里，从朱达到莫卡的距离为517英里，而从莫卡到索克拉特岛的距离则为632英里。显然，即使在最恶劣的天气条件下，这些航程也完全在现有蒸汽轮船的承载能力范围内。

如果航程的终点是孟买，那么从索卡特拉到孟买的距离为1200英里，航行时间约为6到8天。从亚历山大港到孟买的总航行时间，再加上苏伊士与孟买之间3天的延误时间，共计26天；因此从孟买到马耳他的时间约为33天；再加上从马耳他到英格兰的14天，从伦敦到孟买的总时间约为47天，即大约7周。

如果终点是加尔各答，那么从索卡特拉出发后需向东南方向航行1250英里，到达马尔代夫，那里可以建立煤炭补给站。这一距离与从索卡特拉到孟买的距离相当。从马尔代夫再航行400英里即可抵达锡兰的南端——加勒角，那是英属印度境内最好的港口（孟买除外）。从加勒角再航行600英里可到达马德拉斯，而从马德拉斯到加尔各答的距离也约为600英里。因此，从伦敦到加尔各答的航行时间约为60天。

在一年中的某些季节，从印度到苏伊士的航行会遇到极大的自然障碍：从6月中旬到9月底，西南季风会以强劲的力量横扫印度洋，尤其是在索卡特拉与孟买之间。这种强风使得即便是最强大的蒸汽轮船也难以逆风而行，此时航行必然会对船只造成严重损害。

因此，议会开始考虑另一条不会遇到此类问题的航线：建议修建一条从孟买出发，经波斯湾直达幼发拉底河的蒸汽轮船航线。从孟买到波斯湾南岸的一个名为马斯喀特的地方，需要向西北方向航行840英里，这样就不会受到西南季风的影响。从马斯喀特到波斯湾北岸的巴斯迪奥尔，距离为255英里；从巴斯迪奥尔到波斯湾东岸的布希尔，距离为300英里；而从布希尔到……

从幼发拉底河出发，距离约为120英里。显然，这些路线中最长的那条，其难度也不过与从马耳他到亚历山大的航程相当。从幼发拉底河口附近的布索拉到阿勒颇附近左岸的比尔镇，距离为1143英里，这段路程上不存在无法克服的航行障碍。不过，由于沿岸部落的野蛮特性，仍会存在一些困难。不过，只要采取适当的措施，并获得埃及总督的合作，这些障碍就应该可以消除。从比尔经阿勒颇到地中海上的斯坎德伦港——该港口位于塞浦路斯对面——属于陆路旅行，虽然会有一些困难，但距离并不算太长；而从斯坎德伦到马耳他的距离，则与马耳他到亚历山大的距离大致相同。据估算，如果能够成功开辟从伦敦到孟买的航线，那么通过幼发拉底河的航行时间将比通过埃及和红海的航线短几天。

无论选择哪条路线，就蒸汽机的性能而言，困难主要存在于两种情况下：一种是从索卡特拉到孟买，或从索卡特拉到马尔代夫；另一种则是从孟买到马斯喀特。不过，休·林赛号蒸汽轮船在从孟买到苏伊士的多次航行中已经克服了这些困难。在这些航行中，该轮船并非前往索卡特拉，而是前往阿拉伯半岛上的亚丁，那里靠近巴贝尔曼德海峡，距离为1641英里，而它仅用了10天19小时就完成了这段旅程。此后，其他蒸汽轮船也多次重复了这一航线；在目前蒸汽航行的条件下，已不存在任何无法克服的障碍。

脚注：
[35] 此图取自《Tredgold论蒸汽机》最后一版中所载的、由博尔顿与瓦特公司制造的“红漫游者”号发动机示意图。
[36] J. Dinnen所著的《关于船用锅炉的附录一》，收录于《Tredgold论蒸汽机》第二版中。
[37] 《Tredgold论蒸汽机》，附录一，第171页。
[38] 据说，基于这一原理制造的大型发动机正在为一艘即将启程前往纽约的巨型蒸汽轮船而准备中。这类发动机的气缸直径据说将达到120英寸。
[39] 后来，加洛韦先生为这些发动机申请了专利。菲尔德在发明它们时并未坚持使用它们，不过自加洛韦获得专利之后，这类发动机便被更广泛地采用了。

第十四章 美国的蒸汽航运
[第487页]

目录
蒸汽航运最初在美国出现——促成其发展的种种因素——菲奇与拉姆西——霍博肯的史蒂文斯——利文斯通与富尔顿——塞纳河上的试验——富尔顿的第一艘船——由蒸汽驱动的哈德逊河航船——内河航运的扩展与改进——美国蒸汽船的速度——它们与欧洲蒸汽船的差异——可用于远洋航行的美国蒸汽船——美国的明轮船——湖泊上的蒸汽船——密西西比河及其支流——在这些河流上航行的蒸汽船——它们的结构与机械装置——新奥尔良港——蒸汽拖船。

(228.)

将蒸汽机应用于船舶推进这一问题上并给出首个实际解决方案的功绩，无疑属于美利坚合众国人民。他们幅员辽阔的国家的地理特征，以及该国人民积极进取的精神，都为这一成就奠定了基础。从圣劳伦斯湾到密西西比河口，长达四千英里的海岸线上，到处都有天然港口和避风海湾，还有岛屿环绕着海湾、海角和岬角，使得这些海域的水面平静如湖。此外，还有规模庞大的河流，可供最大型的船只航行，航程可达数百英里，甚至在某些情况下可达数千英里，从而能够通往这个面积远远超过整个欧洲大陆的帝国的最偏远地区。此外，还有由世界上最大的淡水湖群构成的湖泊网络。而居住在这片广阔土地上的民族，携带着最文明地区的习惯、情感以及大量的技能与知识。

这个国家拥有那种永不熄灭的进取精神，而这种精神本就是移民民族所特有的。种种因素加在一起，足以解释为何这个国家能够从蒸汽机的发明国英国手中夺走荣誉——它率先将蒸汽机应用于各种实际生活场景中，即便不能说这是蒸汽机最重要的应用方式，至少也是极为重要的应用之一。那些非常适合运用蒸汽动力的内陆及沿海水域，却给其他常规的水上运输方式带来了诸多障碍与困难。那些平静无波的海湾为早期的蒸汽机提供了理想的运行环境，但同时也意味着缺乏驱动风帆船前进的动力；而这片巨大大陆上的急流虽然便于船只靠近海岸，却使得划桨这种方式毫无作用。

（229.）瓦特的第一项重大发明——单作用蒸汽机——刚刚被实际应用起来，那些富有远见且具有进取心的美国人便设想将其作为动力用于内河航运。早在1783年，菲奇和拉姆西就尝试将单作用蒸汽机用于推动船只，不过他们的尝试失败了，其原因更多是该机器在用于此类用途时存在的固有缺陷，而非他们缺乏创造力或机械技能。1791年，霍博肯的约翰·史蒂文斯开始从事蒸汽动力航海方面的研究，这项工作持续了16年；在此期间，他有利文斯顿（后来为富尔顿的发展做出了重要贡献）以及罗斯福的协助。当时，这些研究者还得到了布鲁内尔的帮助与建议，布鲁内尔因发明制动装置以及建造泰晤士河隧道而闻名于世。不过，由于利文斯顿被任命为领事政府时期的美国驻巴黎大使，他们的研究工作不得不中断。

在巴黎，利文斯通遇到了此前也从事过类似研究的富尔顿。他被富尔顿的机械技能以及其合理的见解所折服，于是与富尔顿一起开展了一系列实验。这些实验首先在普隆比耶尔进行，随后在巴黎附近的塞纳河上以更大规模展开。通过这些实验，他们证明了富尔顿设计方案的可行性，这足以让利文斯通信服，于是他同意为富尔顿筹集资金，用于建造一艘可在哈德逊河上航行的大型蒸汽船。为了提高项目成功的几率，他们决定从博尔顿和瓦特那里获取所需的机器设备。1803年，富尔顿为这艘首艘蒸汽船设计了发动机图纸，并将它们寄往索霍，同时要求对方开始制造这些机器。与此同时，富尔顿返回美国，负责监督船只的建造工作。由于种种延误，船只及机器的制造直到1807年才完成，同年在纽约进行了首次成功的试验。1808年初，这艘船开始在纽约和奥尔巴尼之间定期航行；从那时起至今，这条河流一直成为航海史上最引人注目的水上航行实验的场所。

这台首台船舶用发动机的结构与布置在很多方面都与目前仍广泛用于船舶上的发动机相似。原来的冷水箱已被废弃，人们通过扩大冷凝器来提升其冷凝能力。通常情况下，冷凝器的直径为气缸直径的一半，长度也为气缸长度的一半，因此其容积仅为气缸容积的八分之一。不过，这次的冷凝器直径与气缸相同，长度则仍是气缸长度的一半；这样一来，它的容积就不是原来的八分之一，而是达到了气缸容积的一半。冷凝蒸汽是通过一根穿过船底的管道引入的。与现在的船舶用发动机一样，气缸两侧各有一根传动杆；但为了解决在将伯明翰制造的机器安装到纽约制造的船上时可能出现的各种问题，这些传动杆被设计成了倒“V”形。

该蒸汽船的驱动臂共有两根，一根水平，另一根垂直，这样连接杆就可以从曲轴处向下延伸至水平臂的末端，或者水平延伸至垂直臂的末端。实际上，可以选择使用直梁结构或曲柄结构，而这次采用的是后者。由曲轴驱动的桨轴贯穿整个船体，桨轮则通过键固定在桨轴上，与现在的情况相同；为平衡发动机的作用力，还在桨轴上安装了小齿轮，这些小齿轮再驱动安装在轴上的飞轮。这艘蒸汽船刚开始在河上航行时，其速度不超过每小时4英里，但经过一系列改进后，其速度很快提升到了每小时6英里。后来富尔顿制造的蒸汽船速度更高，但他所设计的最新型号的速度也仅能达到每小时9英里，他认为这是能够实现的最高速度。

在富尔顿制定计划并着手建造第一艘蒸汽船的同时，之前提到的霍博肯的史蒂文斯也在从事类似的项目。在富尔顿的首次成功航行后的几周内，史蒂文斯就造出了一艘由蒸汽机驱动的船只。史蒂文斯同样取得了巨大成功，但由于国会通过法案将哈德逊河的蒸汽航行权独家授予了富尔顿，史蒂文斯不得不另寻航行地点，于是他将自己的蒸汽船开往费城，以便在特拉华河上航行，从而获得了“首次进行蒸汽动力海上航行”的荣誉。

富尔顿并没有长期保持哈德逊河蒸汽航行的垄断地位。对蒸汽航行事业的发展而言，幸运的是，赋予他这项特权的法案被判定为违宪，于是这条重要河流的航行权便向美国人的智慧与创造力敞开了大门。该河流上的客流量变得极为庞大，远远超过以往任何时期，因此人们也纷纷采取措施来改善其航行条件。根据最近的测量，纽约与奥尔巴尼之间的距离为……

通过水路行进125地理英里，富尔顿的船只以往需要15到16小时才能完成，平均速度约为每小时8英里，这其中还包括停顿时间。因此，提高航行速度便成了一个重要目标，这样就能在一年中的任何时候，从日出到日落之间完成这段旅程。就在富尔顿的垄断被打破之后，与他会面过的那个人的儿子罗伯特·L·史蒂文斯立即将一艘为特拉华河而建造的船只投入这条河流中使用，该船仅需12小时即可完成航行，平均速度接近每小时10.5地理英里。由于速度的提升，这些改进后的船只完全占据了河流上的日常运输业务，而那些旧式的蒸汽船则要么被改造成用于拖拽装满货物的驳船的蒸汽拖船，要么被用来在纽约和奥尔巴尼之间进行夜间航行。在夜间航行中，节省一两个小时的时间并无太大意义，只要能在夜间从一处港口出发的船只能在早晨抵达另一处港口即可。[第492页]

哈德逊河发源于尚普兰湖附近，而尚普兰湖则是贯穿美国北部边界、从东向西延伸的一系列湖泊或内海中最东端的一个。这条河几乎呈直线向南流淌250英里，最终在纽约注入大海。潮汐的影响可一直达到奥尔巴尼，再往上游，河流开始变窄。尽管这条河在规模和范围上远不及美国境内其他几条大河，但由于其贸易的重要性与规模，它依然备受关注。纽约州以及安大略湖和伊利湖沿岸地区的农产品都是通过这条河运送到首府的；同时，美国人口最多、面积最大的地区也能通过这条河获得所需的进口物资。有大量船只持续在哈德逊河上航行，而那些速度较慢但颇具特色的帆船也并未被更快速的蒸汽船所取代。据说哈德逊河的流速平均为每小时3英里左右；但由于潮汐的影响可一直达到奥尔巴尼，因此蒸汽船在这两个地点之间的航行也会受到双向水流的影响，或者说几乎如此。因此，无论是顺流而上还是逆流而下，所需时间都差不多。

(231.) 无论是在河流上，还是在风平浪静的海湾与水道中航行，平滑水域航行的普遍性使得美国的蒸汽船航行问题呈现出与欧洲工程师所面临的完全不同的状况。因此，无论从速度还是动力消耗方面来比较这两种情况下的船舶性能，都是毫无意义的。在欧洲，蒸汽船几乎总是为在波涛汹涌的公海中航行而设计的，其结构注重强度与稳定性。这类船只还配备有帆具，以辅助机械动力；同时由经验丰富的海员操作指挥——实际上，它是一种航海结构与机械结构的结合体。而在美国，除了那些在北部大湖上航行的船只外，其他蒸汽船都是纯粹的机械结构，专为在平滑水域中航行而设计。它们只需具备足以使其漂浮并持续前进的强度与稳定性即可。这类船只的设计重点在于速度，因此其结构较为纤细脆弱，长度远大于宽度，吃水深度也很小。实际上，它们的外形很像放大版的泰晤士河渡船。机器的位置与结构也受到这些条件的影响。由于无需抵御恶劣海况，机器被安置在甲板上的较高位置。在欧洲常用的大直径、短冲程的汽缸，在美国则不见踪影；相反，人们采用的是小直径、长冲程的汽缸。很少会使用两台发动机，通常只有一台发动机，位于甲板中央，其汽缸直径在40至60英寸之间，冲程则在8至10英尺之间，该发动机可驱动直径为21至25英尺的明轮，使明轮每分钟转动25至30次。巨大的明轮以及由此产生的高转速，使得它们能够起到飞轮的作用，带动发动机绕中心旋转，不过这一过程并非没有困难。

这种明显的运动不均匀性使得美国蒸汽船在行驶时呈现出类似划艇的效果——每次活塞往复运动都会推动船只前进。这类发动机所采用的往复行程长度，使其能够充分运用膨胀原理，而这一原理几乎被所有蒸汽机所采用，因为通常会在活塞行程过半时切断蒸汽供应。在哈德逊河上航行的蒸汽船都是规模相当大的船只，其设施极为完善，可容纳大量乘客；它们的长度在180英尺到240英尺之间，宽度则在20英尺到30英尺之间。下表列出了在这条河上航行的九艘蒸汽船的详细参数，数据来源于史蒂文森先生的著作第494页以及特雷德戈尔德最新版本中伦威克先生的论文：

| 船名 | 长度（英尺） | 宽度（英尺） | 吃水深度（英尺） | 舷面高度（英尺） | 轴径（英尺） |
|--------|------------|------------|----------------|------------------|--------------|
| 德维特号 | 230 | 28 | 5.5 | 21 | |
| 克林顿号 | 230 | 28 | 5.5 | 21 | |
| 夏普兰号 | 180 | 27 | 5.5 | 22 | |
| 伊利号 | 180 | 27 | 5.5 | 22 | |
| 北美号 | 200 | 30 | 5 | 21 | |
| 独立号 | 148 | 26 | —— | —— | |
| 奥尔巴尼号 | 212 | 26 | —— | 24.5 | |
| 斯沃洛号 | 233 | 22.5 | 3.75 | 24 | |
| 罗切斯特号 | 200 | 25 | 3.75 | 23.5 | |
| 尤蒂卡号 | 200 | 21 | 3.5 | 22 | |

| 船名 | 长度（英尺） | 深度（英寸） | 明轮叶片数量 | 发动机数量 | 气缸数量 |
|--------|------------|------------|--------------|------------|----------|
| 德维特号 | 13.7 | 36 | 1 | 65 | |
| 克林顿号 | 15 | 34 | 2 | 44 | |
| 伊利号 | 15 | 34 | 2 | 44 | |
| 北美号 | 13 | 30 | 2 | 44.5 | |
| 独立号 | —— | —— | 1 | 44 | |
| 奥尔巴尼号 | 14 | 30 | 1 | 65 | |
| 斯沃洛号 | 11 | 30 | 1 | 46 | |
| 罗切斯特号 | 10 | 24 | 1 | 43 | |

尤蒂卡号：9.5，24，1，39
德维特号：3
克林顿号：10又29/4英尺，1
尚普兰号：10又27.5/2英尺，1
伊利号：10又27.5/2英尺，1
诺斯号：1
美洲号：8又24/2英尺，10
独立号：10
奥尔巴尼号：--，19
斯沃洛号：--，27
罗切斯特号：10又28英尺，10
尤蒂卡号：10

这些船只都没有桅杆或索具，因此除了依靠发动机外无法获得任何推进动力；它们既没有船员，也没有具备航海知识的人来指挥操作。在船甲板上方可见的只有发动机的框架以及烟囱而已。在哈德逊河以及美国东海岸的其他大河和海湾中使用的蒸汽机，大多是冷凝式发动机，不过它们的工作压力仍然非常高，通常不低于每平方英寸25磅，有时甚至可达50磅。从上表可以看出，这些发动机的活塞运动速度远远超过欧洲常见的水平。在欧洲的船舶发动机中，活塞的速度通常被限制在每分钟约220英尺左右；即使是火车头的活塞，其速度也很难超过每分钟300英尺。而在美国的蒸汽船上，活塞的运动速度通常在每分钟500到600英尺之间，而桨轮的旋转速度则可达每小时20到22英里。[第495页]

图135。
这些船只的船体具有完全平坦的底部和垂直的侧壁，棱角处则呈圆形，如图135所示。在船头部分，船体设计得极为尖锐，而甲板则向两侧延伸出很远的距离。机器的重量通过坚固的木制结构分散到船底的大面积上。甲板位于水线以上4到6英尺的高度，呈细长的椭圆形。其长轴的两端分别由船尾柱和船首结构支撑，两侧则以柔和的曲线向外延伸，超出船体的范围；那些悬在水面上的甲板部分被称为舵罩。在第一层甲板下方是休息室或餐厅，与欧洲的蒸汽船一样，这里也用作男士的睡眠区。该空间通常贯穿整个船体。第一层甲板的中间部分则放置着发动机、锅炉、炉子以及烟囱，通常有两组烟囱。在烟囱与船尾之间、第一层甲板的上方，则是女士们的舱室，该舱室被第二层甲板所覆盖，这层甲板被称为散步甲板。由于这些船只的长度很长，且舱室位置较高，因此船尾的舵手无法看到前方，只能从船头来操控船只；船头的舵通过链条或杆子与船尾的舵柄相连。直到最近，舵还是通过绳索与船尾相连的，但由于火灾导致这些绳索烧毁，舵手便失去了控制船只的能力，于是人们开始使用金属棒或链条来替代绳索。

(232.)

在美国的蒸汽船上普遍使用的明轮，实际上是由两个或更多个普通明轮组合而成的。这些明轮被安装在同一根轴上，且一个位于另一个之外，如此一来，每个明轮的桨板就能处于相邻明轮桨板之间的位置，如图136所示。那些用螺栓固定在铸铁法兰上的辐条是由木头制成的。这些法兰则通过键与明轮轴相连。辐条的末端则连接到环绕着明轮的圆形铁环上；而由硬木制成的桨板则通过螺栓固定在辐条上。这种结构的明轮有时由三个独立的桨板圆圈组成，很多时候则是四个，这些圆圈彼此并排，其位置经过精确调整，使得任意两个圆圈中的桨板都不会对齐。由于明轮的尺寸非常大，而且航行环境大多为平静的水面，因此在美国就没有必要采用那些用于抵消桨叶斜向作用力的方法——这类方法在欧洲虽曾被尝试过，但效果并不理想。

(233.)

美国的远洋蒸汽船数量并不多，其中最主要的是那些在纽约和普罗维登斯之间、以及纽约和查尔斯顿之间航行的船只。不过，这些船只与欧洲的远洋蒸汽船相比，并没有那么相似；对于那些……的人来说

由于早已习惯了后者，美国的远洋蒸汽轮船很难被视为安全的运输工具。下表列出了五艘在纽约与普罗维登斯之间航行的此类船只的尺寸：——

| 船名 | 长度（英尺） | 宽度（英尺） | 吃水深度（英尺） | 甲板直径（英尺） | 舷宽（英尺） | 转轮直径（英尺） |
|--------|------------|------------|----------------|-------------------|------------|------------------|
| 普罗维登斯 | 180 | 27 | 9 | —— | —— | —— |
| 莱克星顿 | 207 | 21 | —— | 23 | —— | —— |
| 纳拉甘西特 | 210 | 26 | 5 | 25 | —— | —— |
| 马萨诸塞州 | 200 | 29.5 | 8.5 | 22 | —— | —— |
| 罗德岛 | 210 | 26 | 6.5 | 24 | —— | —— |

| 船名 | 长度（英尺） | 深度（英寸） | 明轮数量 | 明轮直径（英寸） | 发动机数量 | 气缸直径（英寸） |
|--------|------------|------------|----------|------------------|------------|------------------|
| 普罗维登斯 | —— | —— | 1 | 10 | —— | —— |
| 莱克星顿 | 9 | 30 | 1 | 11 | —— | —— |
| 纳拉甘西特 | 11 | 30 | 1 | 60 | —— | —— |
| 马萨诸塞州 | 10 | 28 | 2 | 44 | —— | —— |
| 罗德岛 | 11 | 30 | 1 | 11 | —— | —— |

| 船名 | 长度（英尺） | 每次冲程的距离 | 每分钟转数 | 被切断的冲程比例 |
|--------|------------|--------------|------------|------------------|
| 普罗维登斯 | 65 | —— | —— | —— |
| 莱克星顿 | 48 | 24 | 1 | 1 |
| 纳拉甘西特 | 12 | 2½ | —— | —— |
| 马萨诸塞州 | 8 | 26 | —— | —— |
| 罗德岛 | 60 | 21 | —— | —— |

其中最出色的那艘船“纳拉甘西特号”是由橡木建造的，其木结构通过铁制斜向拉杆相互连接以增强稳定性。该船由冷凝式发动机驱动，配备两台锅炉，约有三千平方英尺的表面积暴露在火焰中。蒸汽的压力维持在每平方英寸20到25磅之间，气缸为水平结构。

这些轮船的客舱规模极为庞大，能为乘客提供极佳的住宿条件，通常可容纳四百个床位。在“马萨诸塞号”上，主客舱的长度为160英尺，宽度为22英尺，高度为12英尺，其宽敞的空间内没有柱子或其他障碍物。史蒂文森先生说道：“我曾在那个客舱里与175人一起用餐，尽管人数如此之多，但排列成两排、从客舱一端延伸到另一端的桌子却远未坐满，大家秩序井然，一切进行得极为有序。该客舱周围有112个固定床位，地板中央还可以设置100个临时床位；此外，女宾舱还有60个固定床位，那里也可以设置一些临时睡眠处。‘马萨诸塞号’的客舱绝非美国最大的——有些轮船的客舱长度甚至超过175英尺。那些宽敞的厅堂里装有悬挂在天花板上的阿甘德灯，当灯光亮起且满是人时，景象十分壮观。饭后，乘客们通常会分成几组，坐在那些由大桌子拆分而成的小桌子旁，从事各种娱乐活动。这样的场景更像是大型酒店的咖啡室，而非轮船的客舱。”

(234.)

在欧洲，对于蒸汽航行感兴趣的工程师们而言，最令他们惊讶的，莫过于那些关于美国轮船速度的惊人描述。这种惊讶源于多个原因，其中最主要的是：人们完全没有提及美国轮船的结构与运作方式与其所从事的航行环境之间的巨大差异，而欧洲轮船的结构、运作方式以及其所处的航行环境则有着明显的不同。这就好比将泰晤士河上的小船或北方运河上的船只的性能与“大西部号”或“英国女王号”的性能相提并论一样。所有这些描述其实都是针对在海上航行的轮船而言的。

位于纽约与奥尔巴尼之间的哈德逊河，其形态与结构我们早已描述过；毫无疑问，水上航行所能达到的最高速度便是这些船只所展现出来的。史蒂文森先生称，如果不计算停靠时间的话，从纽约到奥尔巴尼的航程通常需要10小时。不过，拥有更多观察机会的伦威克博士则认为，扣除停靠时间后的平均航程时间为10个半小时。由于两地间的距离为125.18地理英里，因此平均速度应为119/10英里/小时。需要指出的是，根据我三年多前通过实验和观测所得到的数据，欧洲一些最优秀的海上蒸汽船的平均航行速度也仅为略低于10地理英里/小时；而且自那以后，蒸汽导航技术也有了显著进步。再者，这些船只的航行是在充满各种不利条件的开阔海域中进行的，因此它们与美国内河蒸汽船的航行速度相比，也就不足为奇了。伦威克博士称，他曾乘坐一艘名为“新费城”的船完成了有史以来最惊人的航行之一。他于下午五点，在涨潮时从纽约出发，最终在距离纽约95.8地理英里的卡茨基尔地区于中午11点45分抵达。途中在7个地点安排了乘客上下船，因此包括停靠时间在内的平均速度为14.2英里/小时；如果再为停靠时间预留半小时的话，实际平均速度则为15又3/4英里/小时。由于此次航行中水流与船只行进方向一致，其流速不超过3.5英里/小时，因此船只在水中的实际速度应略低于12英里/小时。这一速度与将纽约到奥尔巴尼的航程时间取平均值10个半小时所得出的速度几乎相同；由此可见，这次航行能够达到如此高的速度，很大程度上——甚至可以说完全——要归功于水流的作用。

在北部大湖上航行的蒸汽船，其结构与外观与欧洲的蒸汽船几乎没有任何差别，因此无需在此花费大量篇幅来描述它们。这类船舶大约是在克莱德河上首次出现蒸汽船的同时被引入这些湖泊的。它们都是结构坚固的船只，配有帆具与索具，由强大的发动机驱动。1837年史蒂文森先生访问美国时，最大的那艘船就是“詹姆斯·麦迪逊”号。该船的甲板长度为181英尺，船宽为30英尺，舱深为12英尺6英寸；吃水深度为10英尺，载重能力为700吨。它往返于伊利湖的布法罗与密歇根湖的芝加哥之间，航程约为950英里。由于这些湖泊上存在着猛烈的风暴和汹涌的海浪，因此用于航行的船只必须具备与在公海航行的船只相同的强度与动力。

（236.）

在美国所有的河流中，最引人注目且最重要的当属密西西比河及其支流。从北部大湖的南岸到墨西哥湾的北岸，这片美洲大陆地区都由这些大河滋养着。密西西比河的源头位于伊利诺伊州以北、密歇根湖以东，纬度约为43度。在圣路易斯稍北的纬度39度左右，它接纳了密苏里河的河水；再往南，到了纬度37度处，俄亥俄河在穿越了5度经度和4度纬度后汇入密西西比河。这条河从阿勒格尼山脉出发，流经多个州，为美国的许多重要城市提供了通航通道，其中包括匹兹堡、辛辛那提、法兰克福、列克星敦和路易斯维尔等。在接纳了阿肯色河以及众多其他小型支流的河水之后，密西西比河通过四个河口流入墨西哥湾。即便不考虑其支流，密西西比河本身也构成了长达近两千英里的连续内陆航道。

全长一千三百英里。从河口起一千一百英里的范围内，河流的宽度至少有半英里，平均深度为百英尺。俄亥俄河是该河的主要东部支流，在距离河口约一千英里的地方汇入主河，它流经的地域范围也与此相当，且整个流经区域都适合通航。这条河还有几条长度可观的通航支流，其中比较著名的有：穆斯金格姆河，可通航120英里；迈阿密河，可通航75英里；斯科托河，可通航120英里［第501页］；田纳西河，可通航250英里；坎伯兰河，可通航440英里；肯塔基河，可通航130英里；格林河，可通航150英里。俄亥俄河及其支流的总长度估计在七千英里以上。

（237.）

蒸汽船大约在1812年被引入密西西比河，这一时间也正是它们首次在欧洲出现的时期。此后，蒸汽船的数量以前所未有的速度增长。1831年时，有198艘蒸汽船在密西西比河上航行；而到1837年，这一数字已接近400艘。这些蒸汽船主要在俄亥俄河沿岸的匹兹堡和辛辛那提两座城市建造，这两座城市距离河流的入海口约有两千英里远。

（238.）

这些蒸汽船的性能显然不如在东部水域航行的蒸汽船，它们的结构较为笨重，既可用于运输货物也可用于运送乘客，载重量在100吨到700吨之间。它们的吃水深度也大于东部河流上的蒸汽船——在6英尺到8英尺之间。在距水线约5英尺的高度处有一层甲板，甲板下方则是货舱，沉重的货物就存放在那里。发动机安装在甲板中部，锅炉和炉子则位于靠近船头的位置，船头两侧各有一个烟囱。炉子的防火门则……

这些船只的推进引擎与之前所描述的用于东方蒸汽船的机械完全不同。它们都是非冷凝式引擎，依靠极高压力的蒸汽来驱动；因此，其锅炉为管状结构，气缸直径较小，但冲程通常很长。这些引擎所使用的蒸汽压力是欧洲的引擎甚至铁路上的引擎都从未达到过的——在这里，100磅/平方英寸的压力就已经被视为相当低的数值了。一艘在匹兹堡和圣路易斯之间航行的船只的船长告诉史蒂文森先生：“在正常情况下，这些船只的安全阀承受的压力为138磅/平方英寸，但为了能够顺利通过水流湍急的河段，有时会将蒸汽压力提高到150磅/平方英寸。”他还安慰说：“除非遇到特殊情况，否则这种压力是不会被超过的！”密西西比河上的蒸汽船的尺寸和功率可以通过1837年在该河上航行的“圣路易斯号”来了解。那艘船的甲板长度为250英尺，宽度为28英尺，吃水深度为8英尺，额定载重为1000吨，由两台引擎驱动。

这些船舶配备有30英寸直径的汽缸，活塞行程为10英尺；安全阀的设定压力为每平方英寸100磅。这些船舶的明轮与明轮轴相连，工程师可以随时决定让明轮与明轮轴断开或接通，这样即使明轮轴在旋转，明轮也不会随之转动。通过这种方式，当船舶在各个停靠点停留时，发动机的动力仍可用于为锅炉供水。因此，船舶的停止并非通过关闭发动机来实现，而是通过使明轮与明轮轴断开连接来实现的。发动机继续运转，但其动力则用于将水注入锅炉中。通过这种方式，发动机的输出功率可以在实际可行的范围内根据船舶所面临的阻力进行调整。在逆流而行的情况下，可以切断锅炉的供水，从而增加蒸汽的产生量，进而提升发动机的功率；而在下一个停靠点则可以恢复供水。由于需要装卸货物和乘客以及补充燃料，船舶经常需要停靠。史蒂文森先生说道：“在这些情况下，他们对待船舶的方式实在有趣：我在一艘名为‘安大略号’的大型船上就见过这样的例子。那艘船被驶近岸边，停放在岩石和树桩之间数小时以装卸货物。额外的重量增加了它的吃水深度，导致船身严重倾斜；当发动机重新启动时，它实际上是用明轮在深水中缓慢移动。为了能够离开那里，锅炉内的蒸汽压力被提升到了极高的水平，活塞每往复一次，从排气管中喷出的蒸汽就会发出类似枪声的巨响，船上的每一根木头似乎都在震动，整个船体也在冲击力作用下发出嘎吱声。”除了用于密西西比河航行的蒸汽船之外，还有无数蒸汽拖船在新奥尔良港与墨西哥湾的公海之间负责拖运船舶。在蒸汽航行技术出现之前，作为美国南部重要港口的这里，因为拥有几乎唯一一个糟糕且不便的港口，而在漫长的海岸线上处于不利地位。

新奥尔良距离墨西哥湾约一百英里。强劲的洋流、频繁出现的浅滩以及曲折的航道，使得帆船几乎无法在相同风向的情况下从港口驶向大海。各处的停泊条件都很差，大型船只要停靠在岸边也面临着极大的困难和风险。不过，蒸汽机已经克服了所有这些难题，让这个曾经极为糟糕的港口变成了一个安全且便利的海港——无论何时都很容易进出。一艘小型蒸汽拖船就能拖动几艘大型船舶，将它们安全快捷地带到外海，然后让它们继续航行，同时把返回的船舶接回港口。

附录
[第505页]

目录索引

关于普通蒸汽的温度、压力与密度之间的关系
普通蒸汽的温度与压力之间存在一定的固定关系，但这一关系尚未通过理论得到确定。人们提出了各种经验公式来描述这种关系，这些公式是根据实验所得的温度与对应压力数据制成的，并通过插值法完善而成的。
M. Biot提出的以下公式能够非常精确地描述普通蒸汽在实验所覆盖的整个温度范围内的温度与压力之间的关系。
设：
a = 5·96131330259
log.a1 = 0·82340688193 − 1
log.b1 = −0·01309734295
log.a2 = 0·74110951837
log.b2 = −0·00212510583

那么，在冰点温度下，以百分度温度计表示的温度t与以毫米汞柱表示的压力p之间的关系可以用以下公式表示：
log.p = a − a1b1²⁰ + t − a2b2²⁰ + t. (1.)

不过，人们已经提出了若干公式。虽然这些公式并不适用于整个温度范围，但在实际应用中比之前的公式更为方便。对于低于1个大气压的压力，Southern提出了以下公式：其中压力以磅/平方英寸为单位，温度则以华氏温标表示——

p = 0·04948 + (155·7256) / (t⁵·¹³ – 51·3)

t = 155·7256 / [(p – 0·04948) / 5·13 – 51·3]

Tredgold则提出了另一公式，其中压力以水银柱英寸为单位——

p = 177 / (100 + t⁶)

后来Mellet对这一公式进行了修改，它能够足够精确地描述1到4个大气压条件下的实验数据。设压力以磅/平方英寸为单位，温度以华氏温标表示，则有：

p = 201·18 / (103 + t⁶)

t = 201·18 · p⁶ / 103

M. de Pambour也提出了类似公式，其适用范围也与上述公式相同——

p = 198·562 / (98·806 + t⁶)

t = 198·562 · p⁶ / 98·806

杜隆和阿拉戈为4到50个大气压范围内的所有压力提出了以下公式：
p = (0·26793 + 0·0067585 t)⁵ / 1
其中，t = 147·961 p⁵/5 – 39·644。

大约在1801年，曼彻斯特的道尔顿与巴黎的盖-吕萨克进行了一系列关于气体的实验，这些实验使他们发现了第171页第96条中提到的定律。他们发现，无论何种气体，或是因加热而从液体中产生的蒸汽，以及各种气体与蒸汽的混合物，在冰点与沸点之间的温度范围内，其膨胀程度都是相同的。后来，杜隆和佩蒂通过进一步实验证明，这种均匀的膨胀现象适用于所有实际可测量的温度范围。道尔顿发现，1000立方英寸的空气在冰点温度下，若升温至沸点温度，其体积会变为1325立方英寸；而根据盖-吕萨克的测定，该体积应为1375立方英寸。后续研究证明后者的数值更为准确。[40] [第507页]

因此，当温度从32°升高到212°，即升高180°时，体积会增加1000份中的375份；由于膨胀是均匀的，那么每升高1°，体积的增加量则为100,000份中的2081⁄3份。为了用数学语言表达这一重要且普遍适用的定律，设v为冰点温度下弹性流体的体积，nv为在该压力下温度升高1°时该体积的增加量，V则为温度T时的体积。那么有：
V = v + nv (T − 32) = v {1 + n (T − 32)}。

若V′表示在另一温度T′下、相同压力条件下的体积，那么同样地，有：

V′ = v {1 + n (T′ − 32)}。

由此可得：

V / (1 + n (T − 32)) = V′ / (1 + n (T′ − 32))。　（6）

这一公式表达了在相同压力下、不同温度下相同气体或蒸汽的体积之间的关系。如文中所述，系数n对于同一种气体或蒸汽而言，在整个温度范围内都是恒定的。更值得注意的是，这一常数对所有气体和蒸汽来说都是相同的。因此，它必然与流体物质的气态或弹性状态有着某种本质上的关联，而与特定气体或蒸汽的独特性质无关。根据盖-吕萨克的实验，n的值为0.002083，即1/480。

为将第171页公式（97）所描述的马略特定律转化为数学表达式，设V、V′分别为相同气体或蒸汽在压力P、P′下、但相同温度下的体积，那么有：

VP = V′P′。　（7）

如果需要确定在温度和压力同时变化时相同气体或蒸汽的体积之间的关系，设V为在温度T、压力P下的体积，V′为在温度T′、压力P′下的体积，再设v为在温度T、压力P′下的体积。根据公式（7），可得：

VP = vP′。

[Pg508]

根据公式（6），我们有：

V′₁ + n(T′ − 32) = v₁ + n(T − 32)

消去v后，可得：

VP′₁ + n(T − 32) = …；
V′P₁ + n(T′ − 32)

或者，

VP₁ + n(T − 32) = …；（8.）
V′P′₁ + n(T′ − 32)

这就是相同气体或蒸汽在两种不同状态下的体积、压力与温度之间的通用关系式。将该通用公式应用于水蒸气的情况时，令T′ = 212°。实验表明，对应的P′值以磅/平方英寸为单位为14·706；而V′值以立方英寸为单位（假设蒸发的水的体积为1立方英寸）为1700。若将n的值取为0·002083，那么根据公式（8）可得：

1700 × 14·706 × {1 + 0·002083 (T − 32)} / VP = 1 + 0·002083 × 180 = 18183{1 + 0·002083 (T − 32)}。（9.）

如果利用公式（9）以及公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）中的任意一个来消去T，就可以得到V与P之间的关系式，从而计算出水在任意给定压力下转化为蒸汽时体积的变化量。不过这样的公式并不适合实际计算。通过公式（1）至（5），可以编制出压力与相应温度的表格。

这些数值一旦确定，公式（9）就足以用来计算V的值，也就是水转化为蒸汽时体积的增加量。下表中，从1到240磅/平方英寸的压力所对应的温度是通过公式（2）至（5）计算得出的；而每单位体积的水所能产生的蒸汽体积则是根据公式（9）计算得出的。机械效应可通过将压力（以磅为单位）与一立方英寸的水转化为蒸汽时的膨胀量（以英尺为单位）相乘来得到，因此它表示在给定压力下，一立方英寸的水蒸发后能使重量上升一英尺所需的力。[Pg509]

| 压力（磅/平方英寸） | 温度 | 一立方英寸水蒸发所产生的蒸汽体积 | 该压力下能使重量上升一英尺所需的力（磅） |
|-------------------|------|----------------------------------|------------------------------------------|
| 1 | 102.9| 20868 | 1739 |
| 2 | 126.1| 10874 | 1812 |
| 3 | 141.0| 7437 | 1859 |
| 4 | 152.3| 5685 | 1895 |
| 5 | 161.4| 4617 | 1924 |
| 6 | 169.2| 3897 | 1948 |
| 7 | 175.9| 3376 | 1969 |
| 8 | 182.0| 2983 | 1989 |
| 9 | 187.4| 2674 | 2006 |
| 10 | 192.4| 2426 | 2022 |
| 11 | 197.0| 2221 | 2036 |
| 12 | 201.3| 2050 | 2050 |
| 13 | 205.3| 1904 | 2063 |
| 14 | 209.1| 1778 | 2074 |
| 15 | 212.8| 1669 | 2086 |
| 16 | 216.3| 1573 | 2097 |
| 17 | 219.6| 1488 | 2107 |
| 18 | 222.7| 1411 | 2117 |
| 19 | 225.6| 1343 | 2126 |
| 20 | 228.5| 1281 | 2135 |
| 21 | 231.2| 1225 | 2144 |
| 22 | 233.8| 1174 | 2152 |

23 236.3 1127 2160
24 238.7 1084 2168
25 241.0 1044 2175
26 243.3 1007 2182
27 245.5 973 2189
28 247.6 941 2196
29 249.6 911 2202
30 251.6 883 2209
31 253.6 857 2215
32 255.5 833 2221
33 257.3 810 2226
34 259.1 788 2232
35 260.9 767 2238
36 262.6 748 2243
37 264.3 729 2248
38 265.9 712 2253
39 267.5 695 2259
40 269.1 679 2264
41 270.6 664 2268
42 272.1 649 2273
43 273.6 635 2278
44 275.0 622 2282
45 276.4 610 2287
46 277.8 598 2291
47 279.2 586 2296
48 280.5 575 2300
49 281.9 564 2304
50 283.2 554 2308
51 284.4 544 2312
52 285.7 534 2316
53 286.9 525 2320
54 288.1 516 2324
55 289.3 508 2327
56 290.5 500 2331
57 291.7 492 2335
58 292.9 484 2339
59 294.2 477 2343
60 295.6 470 2347
61 296.9 463 2351
62 298.1 456 2355
63 299.2 449 2359
64 300.3 443 2362
65 301.3 437 2365

66 302.4 431 2369
67 303.4 425 2372
68 304.4 419 2375
69 305.4 414 2378
70 306.4 408 2382
71 307.4 403 2385
72 308.4 398 2388
73 309.3 393 2391
74 310.3 388 2394
75 311.2 383 2397
76 312.2 379 2400
77 313.1 374 2403
78 314.0 370 2405
79 314.9 366 2408
80 315.8 362 2411
81 316.7 358 2414
82 317.6 354 2417
83 318.4 350 2419
84 319.3 346 2422
85 320.1 342 2425
86 321.0 339 2427
87 321.8 335 2430
88 322.6 332 2432
89 323.5 328 2435
90 324.3 325 2438
91 325.1 322 2440
92 325.9 319 2443
93 326.7 316 2445
94 327.5 313 2448
95 328.2 310 2450
96 329.0 307 2453
97 329.8 304 2455
98 330.5 301 2457
99 331.3 298 2460
100 332.0 295 2462
110 339.2 271 2486
120 345.8 251 2507
130 352.1 233 2527
140 357.9 218 2545
150 363.4 205 2561
160 368.7 193 2577
170 373.6 183 2593
180 378.4 174 2608

190 382.9 166 2622
200 387.3 158 2636
210 391.5 151 2650
220 395.5 145 2663
230 399.4 140 2675
240 403.1 134 2687

[第511页]

由于没有直接的方法来确定普通蒸汽的压力与体积之间的通用关系，不同的数学家提出了各种经验公式来表达这一关系。已故的纳维教授提出了如下公式：设S表示在压力P作用下，1单位体积的水所转化成的蒸汽体积，该压力以千克/平方米为单位。那么S与P之间的关系为：

S = a / (b + mP)

其中a=1000，b=0.09，m=0.0000484。不过，当压力低于1个大气压时，该公式与实验结果不符。因此，德庞布尔先生建议对公式中的系数进行如下调整：设压力P以磅/平方英尺为单位，此时a=10000，b=0.4227，m=0.00258，这样该公式在所有压力条件下都具有较高的准确性。对于超过2个大气压的压力，以下数值能带来更精确的计算结果：a=10000，b=1.421，m=0.0023。在本次研究中，我将采用经过调整后的公式。符号S和P的含义保持不变，其公式为：

S = a / (b + P) (10.)

其中，a = 3875969，b = 164。对于所有压力而言，这两个数值已足够精确，可用于各种类型的低压发动机，以及那些依靠膨胀原理工作的高压发动机。当压力不低于30磅/平方英寸时，以下数值更为准确：a = 4347826，b = 618。

关于蒸汽的膨胀作用：文中对蒸汽膨胀效应的阐述，旨在让那些不熟悉分析原理与术语的人能够了解那种机械效应的本质，而正是这种效应带来了膨胀原理所带来的优势。现在，我们将更准确地解释这些效应。[第512页]

任何机械作用所产生的动力效应，都可以用所克服的阻力与该阻力移动的距离的乘积来表示。设：

P = 蒸汽的压力，单位为磅/平方英尺；
S = 一立方英尺水蒸发后产生的、具有该压力的蒸汽的体积，单位为立方英尺；
E = 一立方英尺水蒸发所产生的机械效应，单位为磅·英尺。

那么有 E = PS；如果W表示在压力P下蒸发的水的体积，那么它所产生的机械效应则为WPS。根据公式(10)，我们有：

SP = a − bS。

因此，对于在压力P下蒸发的1立方英尺水所产生的机械效应，我们有

E = a − bS。 (11.)

假设在压力P′下有1立方英尺的水蒸发，产生的蒸汽体积为S′，且该蒸汽处于压力P′状态。随后让这些蒸汽膨胀到体积为S、压力为P的状态；我们需要确定从体积S′膨胀到体积S过程中所产生的机械效应。设

E′ = 在压力P′下水蒸发但不发生膨胀时所产生的机械效应；
E″ = 蒸汽膨胀过程中所产生的机械效应；
E = 在压力P下水蒸发但不发生膨胀时所产生的机械效应；
E = 在压力P′下水蒸发并随后发生膨胀时所产生的总机械效应。

于是我们有

E = E′ + E″。

在膨胀过程中，设蒸汽的体积为s，相应的压力为p，蒸汽膨胀所产生的机械效应为e″。根据公式(10)，我们有

a/p = −b；
∴ de″/s = −bdS。
通过积分可得

e″ = a log s − bs + C；

[Pg513]

当 s 的取值在 s = S′ 与 s = S 之间时，有

$$
E″ = a \log\left(\frac{S}{S′}\right) - b(S - S′). \quad (12.)
$$

但根据公式 (11)，我们有

$$
E′ = a - bS′, \quad E = a - bS;
$$
$$
∵ E′ - E = b(S - S′);
$$

因此

$$
E″ = a \log\left(\frac{S}{S′}\right) - E′ + E;
$$

又因为

$$
E = E″ + E′ = a \log\left(\frac{S}{S′}\right) + E′. \quad (13.)
$$

或者，

$$
E = a(1 + \log\left(\frac{S′}{S}\right)) - bS. \quad (14.)
$$

由此可见，在压力 P 下蒸发的1立方英尺水所产生的机械效应，如果先在更高的压力 P′ 下蒸发，然后再膨胀到较低的压力 P，那么这一效应可以增加 a log(S/S′) 这个量。这些公式中的对数是双曲对数。要将这些原理应用到双作用蒸汽机的实际情况中，设：

L = 活塞的冲程，单位为英尺；
A = 活塞的面积，单位为平方英尺。

n为活塞每分钟的冲程次数。
∵ 2nAL表示活塞每分钟移动所经过的空间的立方英尺数。

设cLA为每个冲程结束时蒸汽阀与活塞之间的间隙。
∵ 每次活塞冲程时通过蒸汽阀进入的蒸汽体积为2nAL(1 + c)。

设V为活塞的平均速度，单位为英尺/分钟，
∴ 2nL = V。

因此，每分钟进入气缸的蒸汽体积为VA(1 + c)，其中用于推动活塞的部分为VA。
设W为每分钟通过蒸汽阀以蒸汽形式进入的水的体积，单位为立方英尺；
S则为1立方英尺水所能产生的蒸汽体积。

[Pg514]

于是我们有：

WS = VA(1 + c)；
VA(1 + c) / W = S  (15.)

根据(10式)，我们有：

P = −b / S  (10.)
∴ P = −b.  (16.)

当已知有效蒸发量、气缸直径以及活塞速度时，便可求出气缸内的蒸汽压力。若需表示蒸汽作用在活塞上每分钟产生的机械功，只需将作用在活塞表面的压力乘以活塞每分钟移动的距离即可。这样就能得到：

VAP = W − VAb; (17.)

1 + c

该式表示每分钟产生的机械功，单位为磅/英尺。如果让蒸汽在膨胀过程中被切断，即在活塞移动了距离e之后停止供气，那么每分钟通过阀门进入的气体体积将为VA(e + c)；而该气体体积与产生它的水的体积之比用S′表示，因此有：

VA(e + c) / S′ = W / ?

这些蒸汽随后会膨胀到VA(1 + c)的体积，其与水的体积之比为：

VA(1 + c) / S = W / ?

在蒸汽被切断之前，其压力P′为：

P′ = Wa − b. (18.)

VA(e + c)

全压蒸汽每分钟产生的机械效应E′为：

E′ = P′AVe = −AVbe / (e + c)

而蒸汽膨胀每分钟产生的效应E″则根据公式(12)为：

E″ = Wa log(e + c) / (e + c) − bVA

因此，每分钟的总效应为：

E = Wa { e + c + log(e + c) } − bVA. (19.)

如果发动机在无膨胀的情况下工作，则e = 1；此时E′ = −bVA，与之前相同。因此，通过膨胀作用每分钟可获得的效应为：

E − E′ = Wa { e + c − 1 + c + log(e + c) }; (21.)

这一数值代表了在给定蒸发功率条件下，通过膨胀作用所获得的功率大小。

在这些公式中，蒸汽的总效应是直接计算得出的，并未考虑其需要克服的阻力的性质。这些阻力可以列举如下：——

1. 发动机需要驱动的负载所产生的阻力。
2. 如果是冷凝式发动机，則为未冷凝蒸汽所产生的阻力；如果是非冷凝式发动机，则为大气压力所产生的阻力。
3. 发动机及其机械部件的阻力，包括各运动部件之间的摩擦力，以及给水泵、冷水泵等带来的阻力。其中一部分阻力在发动机是否负载的情况下都保持不变，而另一部分阻力则会根据负载的大小按一定比例增加。

当发动机处于匀速运动状态时，所有这些阻力的总和必须始终等于蒸汽作用在活塞上所产生的总力。其中，仅用于克服第一类阻力的能量才是有用的功。
设：
R = 活塞表面每平方英尺的压力，用于平衡负载所产生的阻力；
mR = 每平方英尺的压力，用于平衡与负载成正比的发动机摩擦力；
r = 每平方英尺的压力，用于平衡那些与负载不成正比的所有阻力。

因此，总阻力为 R + mR + r。当活塞的匀速运动状态保持不变时，这一数值必然等于作用在活塞上的平均压力。所以，总的机械功必然等于总阻力乘以该阻力作用所经过的距离。由此可得：

e^(1+c)/(R(1+m)+r)·VA = Wa·[e^(1+c)/e^(1+c)+log(e^(1+c)/e^(1+c))−VA(b+r)]；
∵ RVA(1+m) = Wa·[e^(1+c)/e^(1+c)+log(e^(1+c)/e^(1+c))−VA(b+r)]。

为简化表达，令

e₁ + c
e′ = a { e + c + log(e + c) }；
∵ RVA(1 + m) = We′ − VA(b + r)。 (22.)

通过解出VA，可得

VA = We′ / [R(1 + m) + b + r]；
∵ RVA = …。 (23.)
R(1 + m) + b + r

这个数值RVA实际上是电阻RA与作用在活塞表面的负载的乘积，再乘以活塞移动的距离，其值等于负载本身乘以它移动的距离。而这正是发动机所具有的有用功，我们用U来表示它，于是有

U = We′R / [R(1 + m) + b + r]。 (24.)

或者根据公式(22)：

U(1 + m) = We′ − VA(b + r)。 (25.)

这些公式计算出的有用功值将以“磅·英尺/分钟”为单位来表示，其中W为有效蒸发量，单位为立方英尺/分钟；A为活塞的面积，单位为平方英尺；V为活塞每分钟的移动距离，单位为英尺。由于33,000磅的力在每分钟移动一英尺时被称为一马力，因此显然，发动机的马力H其实就是指每分钟产生的有用功。

更大的重量或阻力单位；也就是33,000磅，而非1磅。因此我们有：

U/H = 26 / 33000

由于方程(24)和(25)中所表达的效应是由一定体积的水所产生的，该体积用W表示，那么通过将U除以W，就可以得到1立方英尺水所产生的效应。因此，如果U′表示1立方英尺水因有效蒸发而产生的效应，那么就有：

U′/U = 27 / W

如果每分钟消耗的燃料量用F表示，那么同样地，单位燃料所产生的效应——即发动机的负荷——则为：

D/U = 28 / F

如果燃料以百磅煤来表示，那么D就表示1百磅煤能使物体上升1英尺时所对应的磅数。通过解方程(24)和(25)以求出W，我们得到：

W = U{R(1 + m) + b + r} / Re′

或者

W = U(1 + m) + VA(b + r) / e′

通过利用方程(26)消去U，我们可以得到：

W = 33000 H{R(1 + m) + b + r}

Re′
1
W = {33000 H(1 + m) + VA(b + r)}. (32.)
e′

每分钟每马力所需的蒸发量可通过将H设为1来计算。[41]
可以发现，A和V这两个数值——即圆柱体的面积与活塞的速度——在所有公式中都作为同一乘积的因子出现。因此，在其他条件不变的情况下，活塞的速度总是与圆柱体的面积成反比。实际上，VA表示用于推动活塞的蒸汽体积，如果活塞的尺寸发生变化，为了使相同体积的蒸汽仍能推动活塞移动相同的距离，其速度也必须相应地发生改变。[Pg518]
文中已经提到，目前还尚未进行过能够准确确定r数值的可靠实验。在不同规格和功率的发动机中，这种阻力占发动机总功率的比例差异很大。不过一般来说，发动机越大、功率越高，这一比例就越小。
由于冷凝装置的效率、活塞的速度以及蒸汽通道的尺寸和形状不同，未冷凝蒸汽对活塞产生的阻力也会发生变化。de Pambour先生通过实验发现，气缸内的平均阻力比冷凝器中的大2.5磅/平方英寸，而冷凝器中的压力通常为1.5磅/平方英寸，因此气缸内冷凝蒸汽的平均压力约为4磅/平方英寸。不过，工程师们普遍认为，对于那些结构良好且运行正常的发动机来说，这一数值偏高了。

对于功率在40马力及以上、在平均负荷下运行的冷凝式低压发动机，通常认为机器摩擦所产生的阻力以及驱动泵所需的力大约为每平方英寸活塞表面2磅。因此，前述公式中用r表示的整个阻力值，对于这类较大的低压发动机而言，应视为低于每平方英寸活塞表面6磅，即每平方英尺活塞表面864磅。不过需要再次强调的是，这一数值仅属于非常粗略的估算；它只是某个会因不同发动机之间的差异，甚至同一台发动机在不同时间、不同状态下的差异而发生很大变化的量的平均值而已。在同一类发动机中，间隙的大小通常约为气缸容积的二十分之一，因此c=0.05。而与负荷成正比的那一部分阻力，也是前述公式中m值的决定因素，它的变化更为显著，且取决于发动机的结构、尺寸以及各部件的布置方式，因此无法给出其通用数值，必须针对具体情况来确定。在实际应用这些公式于冷凝式发动机时，我们有：[Pg519] a=3875969，b=164，c=0.05；e=1.05，e′=3875969{(e+0.05+log(e+0.05))}/。而对于那些不进行冷凝、因而使用高压蒸汽的发动机，则有：a=4347826，b=618，c=0.05；e=1.05，e′=4347826{(e+0.05+log(e+0.05))}/。

为便于计算，下面表格列出了从 e = –10 到 e = –90 的所有 e 值对应的 e′ 值：
e 凝缩型发动机 e′值 非凝缩型发动机 e′值
–10 10126265 11359029 –51 5966367 6692708
–11 9956867 11169008 –52 5903837 6622565
–12 9793136 10985344 –53 5842288 6553525
–13 9634926 10807875 –54 5781693 6485552
–14 9482029 10636364 –55 5722024 6418619
–15 9334219 10470560 –56 5663251 6352693
–16 9191251 10310186 –57 5605353 6287745
–17 9052888 10154978 –58 5548297 6223742
–18 8918896 10004675 –59 5492064 6160662
–19 8789043 9859014 –60 5436628 6098478
–20 8663120 9717760 –61 5381969 6037166
–21 8540918 9580682 –62 5328065 5976699
–22 8422242 9447559 –63 5274896 5917057
–23 8306916 9318193 –64 5222444 5858219
–24 8194770 9192396 –65 5170684 5800159
–25 8085644 9069984 –66 5119605 5742860
–26 7979392 8950796 –67 5069186 5686304
–27 7875870 8834674 –68 5019410 5630469
–28 7774952 8721468 –69 4970263 5575340
–29 7676514 8611048 –70 4921727 5520894
–30 7580447 8503284 –71 4873790 5467121
–31 7486640 8398056 –72 4826434 5414000
–32 7394990 8295250 –73 4779648 5361519
–33 7305407 8194760 –74 4733417 5309659
–34 7217807 8096496 –75 4687728 5258408
–35 7132097 8000352 –76 4642569 5207751
–36 7048206 7906249 –77 4597928 5157676
–37 6966058 7814100 –78 4553794 5108170
–38 6885585 7723832 –79 4510155 5059218
–39 6806720 7635365 –80 4466999 5010808
–40 6729408 7548642 –81 4424317 4962931
–41 6653578 7463580 –82 4382096 4915569
–42 6579187 7380132 –83 4340332 4868720
–43 6506174 7298230 –84 4299010 4822368
–44 6434491 7217822 –85 4258120 4776500
–45 6364099 7138858 –86 4217658 4731113
–46 6294944 7061285 –87 4177613 4686192

·47 6226989 6985058 ·88 4137974 4641728
·48 6160190 6910126 ·89 4098737 4597713
·49 6094510 6836450 ·90 4059893 4554140
·50 6029916 6763992

[第520页]

在无需膨胀作功的发动机中，有：
a e′ = 1/c。

对于无需膨胀作功的冷凝式发动机，则有：
e′ = 3691399 / 1.05；(33.)

而对于非冷凝式发动机，则有：
e′ = 4140787 / 1.05；(34.)

由于发动机气缸的直径通常以英寸为单位，因此活塞的对应面积则以平方英尺表示，具体数值见下表，这样就可以方便地得出A的值：
直径　面积　直径　面积
英寸　平方英尺　英寸　平方英尺
10　07545　48　127566
11　07660　49　137095
12　07785　50　137635
13　07922　51　147186
14　17069　52　147748
15　17227　53　157321
16　17396　54　157904
17　17576　55　167499
18　17767　56　177104
19　17969　57　177721
20　27182　58　187348
21　27405　59　187986

22 27640 60 197635
23 27885 61 207295
24 37142 62 207966
25 37409 63 217648
26 37687 64 227340
27 37976 65 237044
28 47276 66 237758
29 47587 67 247484
30 47909 68 257220
31 57241 69 257967
32 57585 70 267725
33 57940 71 277494
34 67305 72 287274
35 67681 73 297065
36 77069 74 297867
37 77467 75 307680
38 77876 76 317503
39 87296 77 327338
40 87727 78 337183
41 97168 79 347039
42 97621 80 347907
43 107085 81 357785
44 107559 82 367674
45 117045 83 377574
46 117541 84 387485
47 127048 85 397406

直径。面积。直径。面积。
英寸。平方英尺。英寸。平方英尺。
86 407339 124 837863
87 417283 125 857221
88 427237 126 867590
89 437202 127 877970
90 447179 128 897361
91 457166 129 907763
92 467164 130 927175
93 477173 131 937599
94 487193 132 957033
95 497224 133 967479
96 507265 134 977935
97 517318 135 997402
98 527382 136 1007880
99 537456 137 1027369

100 547542 138 1037869
101 557638 139 1057380
102 567745 140 1067901
103 577863 141 1087434
104 587992 142 1097977
105 607132 143 1117532
106 617283 144 1137097
107 627445 145 1147674
108 637617 146 1167261
109 647801 147 1177859
110 657995 148 1197468
111 677201 149 1217088
112 687417 150 1227719
113 697644 151 1247361
114 707882 152 1267013
115 727131 153 1277676
116 737391 154 1297351
117 747662 155 1317036
118 757944 156 1327732
119 777236 157 1347439
120 787540 158 1367157
121 797854 159 1377886
122 817180 160 1397626
123 827516 161 1417377

[第521页]

以下示例将展示上述公式的实际应用。
**示例：**
有一台缸径为36英寸、冲程为5.5英尺的圆柱形发动机，其锅炉每小时可有效蒸发60立方英尺的水，活塞每分钟做20次往复运动且无膨胀现象。求该发动机的功率以及气缸内的蒸汽压力。
假设r = 6 × 144 = 864，m = 0.1。由于该发动机为冷凝式发动机，故b = 164，e′ = 3691399。根据公式(25)和(26)，可得：
H = We′ − VA(b + r)。

33000(1 + m)

根据已知数据，有

W = 1，A = 7·069伏特，2nL = 40 × 5·5 = 220，

将这些数值代入公式后，得到

H = 3691399 − 220 × 1028 × 7·069 / 33000 × 1·1；
而H的值为57·6。

由于e = 1，根据公式(18)，气缸内蒸汽的压力为

P = −b/VA。

因此，

P = 3691399 / (1555·18) ≈ −164 = 2210磅/平方英尺；
而1平方英寸对应的压力则为151/3磅/平方英寸。

2. 要确定使用同一台发动机产生80马力所需的有效蒸发量，同时还要在活塞速度不变的情况下求出气缸内蒸汽的压力。根据公式(32)并代入上述数值，可得

W = 33000 × 80 × 1·1 + 220 × 7069 × 1028 ≈ 1·22·3691399。

由此可见，蒸发功率仅增加了22%，而发动机的做功功率则增加了近40%。

气缸内的压力P仍如公式(18)所示。

1·22 × 3691399
P = −164 = 2732；
1555·18

该数值相当于每平方英寸19磅的压强。[Pg522]

3. 要使气缸能够以100马力的功率工作，且锅炉每小时可蒸发70立方英尺的水，活塞的平均速度为每分钟240英尺，同时蒸汽在活塞行程的一半处被切断，那么气缸的直径应是多少？另外，蒸汽作用在活塞上的最大压强又是多少？
与之前的例子一样，取m = 0·1，b = 164，r = 864，则有：

H = 100 W = 7⁄6 V = 240，

根据第519页中关于冷凝式发动机的表格，可得e′ = 6029916，其中e = 0·50。将这些值代入公式We′ = 33000 H(1 + m) + VA(b + r)后，可得：

(7⁄6) × 6029916 = 3300000 × 1·1 + 240 × 1028 × A。

由此可解出A = 13·8；
根据第520页的表格，相应的气缸直径为501⁄3英寸。
如果P′为蒸汽的最大压强，那么根据公式(18)，有：

Wa
P′ = −b.
VA(e + c)

进行适当的替换后，我们得到：
7/6 × 3875969，P′ = −164 = 2318；
240 × 13.8 × 0.55。
这些数值的单位是磅/平方英尺，因此每平方英寸的压力为161/10磅。

脚注：
[40] M. de Pambour指出，体积的增加量为1364立方英寸。
[41] M. de Pambour在其所著的《蒸汽机理论》一书中给出了与前述公式等价的诸多公式。这些数学细节在原理上并无新意，只不过是将已知的普通力学原理应用到这种特定的机器上而已。M. de Pambour反对该国工程师们通常采用的计算蒸汽机实际性能的方法。正如我在本书中所说的，他们对于因摩擦、冷凝不完善等因素造成的功率损失的估算十分模糊，充其量只能算是非常粗略的近似值；不过，在其计算方法所受的限制条件下，这些方法的缺陷并不像M. de Pambour所认为的那么严重。他通过将这些方法应用于英国工程师根本不会使用的场景，来证明其准确性不足。不过，那些希望将不同类型蒸汽机的性能用通用代数公式来表示的人，会发现M. de Pambour的著作具有很大的参考价值。

索引。[第523页]

目录
空气的弹性，28；
通过加热可使空气部分从容器中排出，44。

美国：蒸汽航行最早在此地出现，487；
促成这一发展的各种因素，488；
菲奇与拉姆西试图将单作用发动机用于船舶推进，489；
霍博肯的史蒂文斯开始进行蒸汽航行方面的实验，489；
利文斯通与富尔顿的实验，489；
富尔顿制造的第一艘船，490；
哈德逊河上的蒸汽航行，491；
内河航行的发展与改进，492；
美国的蒸汽船，494；
它们与欧洲蒸汽船的区别，494；
哈德逊河上的蒸汽船，494；
美国的明轮船，495；
用于远洋航行的美国蒸汽船，496；
美国蒸汽船所能达到的速度，497；
湖泊上的蒸汽船，499；
密西西比河及其支流，499。

在河上航行的蒸汽船，500；
它们的结构与机械装置，500；
新奥尔良港，503；
蒸汽拖船，503。

大气层，38；
其重量，39。

大气中的空气的力学性质，38；
其成分，253。

所谓由托马斯·纽科门发明的往复式发动机，62；
关于纽科门最初设计的该发动机的描述，67；
该发动机的运作原理，69；
它常常被优先于现代蒸汽机使用，72；
相比萨弗里的发动机，它具有哪些优势，73；
贝顿对该发动机进行了大幅改进，75；
约翰·斯米顿对这种发动机进行了研究，76；
布林德利为该发动机的改进获得了专利，76；
布里斯托尔的钱皮恩利用该发动机提水，181；
该发动机具备一定的适应性，但能力有限，151；
解决这一问题的方法，151；
纽科门所使用的动杆、气缸和活塞，322。

丹尼斯·帕潘将大气压力转化为一种机械动力，38；
测量大气压力的方法，39。

奥托·格利克提出了利用真空或部分真空来驱动气缸内活塞运动的想法，73。
气压计，272。
巴顿的活塞装置，248。
贝顿对其大气动力机的改进，75。
布莱克博士的潜热理论，93。
布拉斯科·德·加雷设计的用于推动船只的装置，16；该装置很可能与赫罗的装置相同，17。
布林肯索普设计的机车发动机，337。
吹气箱，429。
西沃德提出的吹气方法，454。
排气阀，452。
锅炉的类型及最理想的形态，255；瓦特所采用的火车用锅炉，255；炉子，256；燃料供给方式，257；气体在烟道中的燃烧过程，260；威廉姆斯先生提出的处理从炉栅中逸出并进入烟道中的未燃气体的方法，260；炉栅与灰坑的结构，261；锅炉的受热表面积，262；锅炉的容量必须与需要蒸发的水量相称，263；锅炉中的水空间与蒸汽空间，263。

锅炉中水与空气的比例及其调节方法，264；
烟道的位置，264；
给水方式，265；
给水量应等于蒸发的水量，265；
用于检测锅炉内水位的不同方法，266；
水位计，266；
自动调节给水装置，267；
另一种布置方式，269；
蒸汽压力表，270；
温度计式仪表，271；
气压计式仪表，272；
瓦特发明的用于测量活塞平均作用力的装置，274；
瓦特设计的计数器，278；
安全阀，279；
高压锅炉中使用的熔断塞，280；
自动调节风门，281；
布伦顿发明的自动调节炉，283；
锅炉的功能，294；
机车引擎用锅炉，351；
格尼式蒸汽马车的锅炉结构，423；
所有锅炉都需要定期清洁，427；
格尼清除锅炉内沉积物的方法，427；
丘奇博士设计的铜制发动机锅炉，439；

船舶发动机中的锅炉，449；
海水对锅炉的影响，450；
相应的解决办法，451；
用铜替代铁的使用，460；
瓦特采用的用毛毡包裹锅炉的方法，463。

布斯先生关于机车发动机的报告，361。

博尔顿与瓦特关于发动机马力的实验，288。

乔瓦尼·布兰卡发明的利用蒸汽推动轮子转动的机器，22。

詹姆斯·布林德利获得了大气式发动机改进技术的专利，76；
他试图在纽卡斯尔-安德-莱恩建造一台这样的发动机，76；
但因种种阻碍而放弃计划，76。

布罗厄姆勋爵所写的关于瓦特性格的描述，313；
他为威斯敏斯特教堂内的瓦特纪念碑所写的铭文，320。

缓冲装置，404。

卡特赖特设计的利用酒精蒸汽驱动活塞的发动机，245；
他的活塞设计，247。

考利与纽科门获得了大气式发动机的专利，64。

钱皮恩将大气式发动机用于提水，181。

查普曼公司生产的机车发动机，337。

瓦特在漂白过程中引入的氯元素，310。
丘奇博士及其蒸汽机，439；由铜制成的锅炉，439。
煤炭：蒸汽赋予它的优点与作用，6；一蒲式耳煤炭通过蒸汽机所能完成的功量与马力的比较，7；煤炭的成分，252；煤炭的燃烧过程，252。
煤矿：关于煤炭资源会耗尽的担忧其实毫无根据，8。
旋塞阀的摩擦现象，240。
旋塞阀与阀门，227。
烟气中的气体燃烧现象，260。
通过注入方式实现冷凝的现象及其偶然发现，69。
气缸内的冷凝现象不利于燃料的有效利用，120。
冷凝原理：促使萨弗里发现这一原理的背景，47。
萨弗里发动机中的冷凝管，52。
从气缸中排出冷凝物，120。
冷凝喷射现象，191。
圆锥形蒸汽阀，228。
冰转化为水的过程，103。

水变为蒸汽的温度为105度。
瓦特发明的复印机，302页。
康沃尔式的检验制度，297页。
康沃尔式发动机的改进，298页；其发展历程的详细记载，299页。
威尔金森用于精确加工圆柱内表面的机器，149页。
D型阀门，230页。
道尔顿与盖-吕萨克提出的关于弹性体压力的定律，171页。
迪克森先生——据说正是他提出了在机车发动机中用黄铜替代铜管的做法，370页。
双作用阀，228页。
偏心装置，225页；改变其位置的两种方法，379页。
发动机的作用，285页。
弹性流体：道尔顿与盖-吕萨克发现的、描述其压力随温度上升而变化的定律，171页。
水及其他液体的蒸发现象，以及与之相关的物理和机械原理，97页。
普通蒸汽的膨胀效应，173页。
蒸汽的膨胀作用，159页；瓦特在给斯莫尔博士的信中对此有所阐述，157页。

其原理说明，158；
由此产生的机械效应，161；
在冲程的不同阶段切断蒸汽时的计算结果，162；
与动力强度变化相关的条件，163；
平衡动力的方法，164；
布尔顿和瓦特所设计的发动机中膨胀原理的局限性，165；
该原理在康沃尔式发动机中的更广泛应用，165；
平衡动力的各种方法，174；
霍恩布洛尔为这一目的设计的发动机介绍，174。

膨胀原理在船舶发动机中的应用，466。

法里关于蒸汽发动机的论述，其中涉及萨弗里发动机的内容，58；
他在下议院作的证词，435。

菲尔德所设计的双桨结构，478。

菲奇与拉姆西试图将单作用发动机用于船舶推进，489。
烟道的位置，264。

流体有两种类型，25；
流体的机械性质，25；
弹性流体，27；
实验表明流体会在各个方向上施加相同的压力，41。
飞轮，205。

四通阀，239；其缺点，240。
船舶炉中节省燃料的方法，463。
富尔顿与利文斯通在蒸汽航行方面的实验，489。
富尔顿的第一艘船，490。
由布伦顿发明的自动调节炉，283。
高压锅炉中使用的易熔塞，280。
加洛韦所设计的明轮，476。
气体的弹性，28。
盖-吕萨克与道尔顿关于弹性体压力的定律，171。
调速器的改进，209。
梯度限制，411；梯度分布应保持均匀，415。
大西部铁路，拉德纳博士在该铁路上的实验，408。
德斯古利耶斯提到的在煤矿中排水的方案，64。
格尼的蒸汽马车，423；该马车的锅炉结构，423；他清除锅炉内沉积物的方法，427；他在普通道路上的实验，432。
霍尔所设计的冷凝器，458。

汉考克及其蒸汽马车，436页；
其与格尼的蒸汽马车的区别，437页。

哈里斯博士在《技术词典》中提到了萨弗里的发动机，56页。

热量对水的影响，29页；
大气引擎中的热量损耗，89页；
持续向液态水施加热量所产生的类似效应的研究，102页；
热量的辐射，254页。

瓦特提出的利用蒸汽进行加热的技术，303页。
“赫克拉”号上的相关实验，412页。

亚历山大的赫罗对其发明的描述，12页。

高压引擎的描述，321页；
最早的蒸汽引擎形式之一，322页；
《发明世纪》中对这类引擎的模糊描述，322页；
特雷维西克与维维安先生们设计的第一款高压引擎，324页。

胡克指出了帕潘方案的错误之处，64页。

马车与蒸汽动力的比较，435页。

蒸汽引擎的马力，288页；
斯米顿对蒸汽引擎马力的估算，288页；
博尔顿与瓦特关于蒸汽引擎马力的实验，288页。

霍华德对其海洋用引擎的描述，464页。
哈德逊河上的蒸汽航行，491页。

乔纳森·赫尔：他将蒸汽机应用于水轮机的技术，180页。
汉弗莱：他所设计的海洋用发动机，470页。
赫斯基森先生：其去世消息，329页。
氢气，253页。
印度：通过蒸汽船进行航运的情况，483页。
瓦特发明的指示器，274页。
杰弗里勋爵：他对瓦特性格的描述，315页。
金尼尔：对瓦特所设计的实验用发动机的描述，131页。
湖上蒸汽船，499页。
拉德纳博士：1832年在曼彻斯特铁路上的实验，357页；他1838年的实验，406页；在大西部铁路上的实验，408页。
洛普德的发动机：对其的描述，323页。
液位计，266页。
瓦特发明的用于蒸汽烘干亚麻的机器，303页。
利物浦与曼彻斯特之间的铁路：蒸汽运输引入后带来的影响，329页；在发动机制造方面缺乏经验的问题，329页；赫斯基森先生的去世，329页；董事会的会议记录，342页。

他们为最优秀的发动机所给出的报价为344；
试验用发动机，344。

利文斯通与富尔顿在蒸汽航行方面的实验，489。

机车引擎的发展历史，328；
布林肯索普的引擎，337；
查普曼的引擎，337；
可移动式引擎，337；
斯蒂芬森先生在基林沃思设计的引擎，339；
该引擎的缺陷，341；
“火箭”引擎的描述，345；
“无与伦比”号引擎，347；
“新颖”号引擎，349；
“火箭”引擎的优势，350；
后来对机车引擎的改进，352；
通过将烟道分成多个管道来提高燃料效率的表格，354；
采用“火箭”结构设计的引擎存在的两个主要缺陷，354；
这些缺陷的解决办法，355；
通过使用更紧凑的燃烧管来进一步改进引擎，356；
拉德纳博士在1832年进行的实验，357；
采用黄铜管道，361；
布斯先生的报告，361；
经过最大程度改进的机车引擎的详细描述，364；
迪克森先生提出的用黄铜替代铜管的做法，370。

史蒂芬森设计的驱动轮没有法兰结构，383；
锅炉内的蒸汽压力由两个安全阀控制，402；
缓冲装置，404；
汽笛，404；
水箱，404；
机车引擎的功率，405；
锅炉的蒸发现象，406；
拉德纳博士在1838年进行的实验，406；
铁路列车行驶时所遇到的阻力，407；
拉德纳博士在大西部铁路上的实验，408；
坡度限制，411；
“赫克拉”号机车的相关实验，412；
坡度应保持均匀，415；
克服陡坡的方法，415；
在普通道路上使用的蒸汽机车，419；
铁路用蒸汽机与用于收费公路上驱动马车的蒸汽机的区别，422；
格尼的蒸汽马车，423；
该蒸汽马车的锅炉结构，423；
利物浦路线上机车产生的蒸汽泄漏问题，428；
鼓风装置，429；
分离器，430；
蒸汽机车在普通道路上实际使用时面临的困难，432；
格尼在普通道路上的实验，432；
人们对在普通道路上使用机车引擎的偏见，432。

其对道路的破坏程度并不比马拉的车厢更大，433；
下议院委员会的报告，433；
蒸汽车厢的重量，433；
将机车用于普通道路的两种方式，434；
与马拉车厢的比较，435；
费里在下议院作的证词，435；
因爆炸而导致事故的风险极低，435；
汉考克的蒸汽车厢，436；
它与格尼的蒸汽车厢有何不同，437；
奥格尔的蒸汽车厢，438；
他在下议院作的证词，439；
丘奇博士的蒸汽机，439；
锅炉由铜制成，439。

月球协会，博尔顿和瓦特是其核心成员，302。

海洋用发动机，其结构与布局，441；
海洋用发动机与陆地用发动机的区别，443；
发动机舱的布局，446；
锅炉在发动机舱中的位置，449；
海水对锅炉的影响，450；
相应的解决办法，451；
排气阀，452；
检测盐度的仪器，452；
西沃德的检测仪器，454；
他的排气方法，454。

莫兹利与菲尔德公司用于保持锅炉内水质新鲜的方法，456；
盐水泵，457；
瓦特所采用的管式冷凝器，457；
霍尔式冷凝器，458；
用铜替代铁制锅炉，461；
加煤流程，462；
船用炉子，463；
瓦特提出的在锅炉上涂覆毛毡的方案，463；
节约燃料的方法，463；
霍华德发动机的结构描述，464；
膨胀原理在船用发动机中的应用，466；
莫兹利与菲尔德公司的最新改进，467；
汉弗莱发动机，470；
普通明轮，472；其缺陷，474；
带叶片的明轮，474；
加洛韦式明轮，476；
菲尔德式分体式明轮，478；
功率与吨位的比例，480；
铁制蒸汽船，482。

与压力相关的马略特定律，171。

莫兹利与菲尔德公司保持锅炉内水质新鲜的方法，456；
盐水泵，457；
他们在船用发动机方面的最新改进，466。

金属活塞，244；
卡特莱特发动机，245；
巴顿对其进行的改进，248。

蒸汽机在磨坊中的应用，斯图尔特的相关研究，182。

矿井的排水问题，瓦特致力于完善蒸汽机在其中的应用，178。

密西西比河及其支流，499；
该河流上的蒸汽船，500；
它们的结构与机械装置，500。

塞缪尔·莫兰德爵士，他将蒸汽技术用于提水，34；
他被认为是多种巧妙发明的创造者，34；
他关于提水技术的法文著作，35；
该著作的摘录，35；
伊夫林对他到访情况的描述，36。

默里的滑阀，229。

托马斯·纽科门，所谓大气压力发动机的发明者，62；
他与胡克博士的交情，62；
他了解帕潘的著作，64；
他的发动机之所以出色，主要得益于其机械结构与设计，73；
他与考利一起获得了大气压力发动机的专利，64；
他重新采用传统方法，即用普通泵来从矿井中抽水，65；
实现这一目标的办法，66。

大气引擎的最初构想，66；
他对大气引擎构造的描述，67；
提出了一种比在气缸外表面喷冷水更有效的冷凝方法，69；
他放弃了使用外部气缸的设计，69；
将工作梁、气缸和活塞应用于大气引擎中，322。

新奥尔良港，503。

关于一种新型机车引擎的“新颖性”描述，349。

奥格尔及其蒸汽马车，438；
他在下议院作的证词，439。

奥托·格里克关于大气压力的见解，73。

奥克斯利首次尝试利用蒸汽引擎驱动水轮机，182。

对桨轮的描述，472；
桨轮的缺陷，474；
带羽毛结构的桨叶，474；
加洛韦设计的桨轮，476；
菲尔德设计的分体式桨叶，478。

美国蒸汽船所使用的桨轮，495。

丹尼斯·帕潘提出了将大气压力转化为机械动力的想法，37；
对他所发明装置的描述，37。

他发现的蒸汽凝结现象，45；
其著作中关于这一发现的引文，45；
对这一重要发现的解释，46；
他发现了通过蒸汽凝结来制造真空的方法，178；
他对蒸汽机应用前景的设想，178；
他提出的利用大气压力驱动引擎的构想，62；
在得知萨弗里引擎的原理与结构后，他放弃了这一计划，62；
他对自己设计的引擎的描述，62；
他的这一计划其实不过是沃里克侯爵引擎的复制版而已，63；
胡克揭露了他计划的谬误，64；
他关于通过蒸汽凝结在活塞下方制造真空的方案被发表在《学者纪事》上，64。

平行运动，195。

物理科学的飞速发展，8。

活塞，242；
常见的麻质填充物，242；
伍尔夫在不打开气缸盖的情况下收紧填充物的方法，244；
这种方法的进一步简化，244；
金属制活塞，244；
卡特莱特设计的引擎，245；
卡特莱特设计的活塞，247。

瓦特发明的用于测量平均有效力的指示器，274。
双作用发动机中活塞杆与横梁的连接方式，193。
克利夫顿的气动装置，瓦特是该装置的创始人之一，310。
汉弗莱·波特及其设计的阀门操作装置，71；通过采用塞式结构对该装置进行了改进，72。
海洋发动机中功率与吨位的比例关系，480。
蒸汽机的功率与做功量，287。
瓦特就水的成分问题写给普里斯特利的信，307。
利用真空产生的力的示例——泵，43。
按钮式阀门，144。
齿条与扇形齿轮，194。
铁路上列车的行驶速度与普通公路上马车的行驶速度之比较，7。
铁路运输的影响，328、330。
铁路与石路之间的比较，420。
内河航运的扩展与改进，492。
“火箭”式机车引擎的描述，345；采用这种结构的引擎存在两个主要缺陷，354；这些缺陷已得到解决，355；通过采用更紧凑的喷管结构对该引擎进行了改进，356。

罗巴克博士与瓦特的合作关系，130页。
利用太阳轮和行星轮产生旋转运动的方法，187页。
萨弗里并未采用安全阀，57页；该装置由帕潘发明，57页；对其的描述，57页；德萨古利埃首次将安全阀应用于萨弗里的发动机上，58页。
关于“Sanspareil”型机车发动机的描述，347页。
托马斯·萨弗里获得了用于提水的发动机专利，47页；促使他发现冷凝原理的背景，47页；对其发动机的介绍，49页；关于以蒸汽作为动力源的工作装置的描述，51页；其发动机在《矿工之友》一书中有所描述，56页；哈里森博士在其《技术词典》中提及了它，56页；摘自他向皇家学会发表的演讲的内容，56页；摘自他向英格兰矿工们发表的演讲的内容，57页；布拉德利在其《种植与园艺的改进》一书中也提到了它，57页；他并未采用安全阀，57页；德萨古利埃首次将安全阀应用于他的发动机上，58页；费雷对蒸汽发动机的评价，58页；德萨古利埃进一步对发动机进行的改进，58页；其发动机的缺陷，59页；其发动机被用于矿井的排水系统，59页。

其他缺陷，60；
第一个提出用马力来表示发动机功率的人，61；
其发动机在排水作业中的故障，61；
高压会逐渐削弱并破坏管道的倾向，72；
其发动机的功率受限，73；
大气压力驱动的发动机更具优势，73；
从他的发动机中借鉴的锅炉、压力管及调节装置，73；
提议将他的发动机作为各种机械的动力源，180。

沃尔特·斯科特爵士，他对瓦特性格的描述，314。

雕塑领域，瓦特发明的用于复制作品的机器，318。

美国远洋蒸汽船，496。

海水对锅炉的影响，450。

西沃德制造的滑动装置，235；
盐度检测仪，454；
他的吹扫方法，454。

自动调节式阻尼器，281；
炉子，283。
分离器，430。

单作用发动机，瓦特所设计的型号，133、144。
单阀，227。

单缸发动机，238。
滑阀，229；由默里先生发明的滑阀，229。
约翰·斯米顿对大气引擎进行了研究，76；他致力于改进风车和水车，181；他对引擎马力的估算，288。
所罗门·德·考斯的装置描述，17；阿拉戈认为他也有蒸汽机发明的功劳，21；艾萨克·德·考斯的著作经过补充后重新出版，22。
伍斯特侯爵爱德华·萨默塞特——蒸汽机的发明被归功于他，23；对其发明装置的描述，23；他的《百项发明》，24；本书中对他的引擎的简要介绍，31；将其发明与德·考斯的发明进行比较，33；他的许多发明都被复制并得到广泛应用，34。
蒸汽无法直接用于任何实用目的，必须通过机械装置来加以利用，11；古人们仅以模糊笼统的方式认识到蒸汽的弹性力，14；阿拉戈提到，过去蒸汽的力量曾被用于满足迷信需求，15；有一则轶事展现了古人对蒸汽机械力的了解，15；帕潘发现了蒸汽的冷凝现象，45。

由弹性力的直接压力产生的机械能，这一观点由德·考斯和伍斯特勋爵提出，73；
其潜热为107；
该弹性力本身的特性，115；
瓦特早期关于此现象的实验，87；
对其膨胀作用的发现，157；
瓦特在给斯莫尔博士的信中描述的膨胀作用，157；
其原理的解释，158；
由此产生的机械效应，161；
该现象的各类性质，168；
常压蒸汽与过热蒸汽，168；
它们的压力与温度，171；
常压蒸汽的温度与其压力及密度之间的关系，172；
常压蒸汽膨胀所产生的效应，173；
其带来的机械效应，173；
平衡膨胀蒸汽变化力的一些方法，174；
通过蒸汽冷凝来制造真空的方法，由帕平发现，178；
将蒸汽用于驱动机械，179；
蒸汽压力表，270；
瓦特提出的利用蒸汽进行加热的技术，303；
瓦特发明的用于烘干亚麻的机器，303；
蒸汽从利物浦路上的发动机中排出的方式，429。

由瓦特发明的蒸汽箱或夹套，124。

蒸汽机——一个广受关注的话题，3；

其对人类福祉所产生的影响，4；
它值得英国人民特别关注，5；
它是英国人智慧的结晶，5；
它为煤炭带来的种种优势与功能，6；
水是激发这些功能的媒介，6；
它被用于康沃尔矿区的排水工作，7；
其与人类劳动力的效能比较，8；
对其起源的探究，10；
它是多种装置的组合体，也催生了多项发明，12；
在詹姆斯·瓦特之前，它的效能极为有限，12；
该发明被认为是由伍斯特侯爵所创造，23；
关于萨弗里所发明的装置的相关描述，49；
法里的相关论述，58；
德萨古利耶斯所做的改进，58；
该装置被应用于矿区的排水工作，59；
汉弗莱·波特所设计的装置，72；
大气式发动机相较于萨弗里式发动机的优势，73；
大气式发动机的发展历程，75；
帕潘所设计的发动机的描述，62；
斯米顿所做的改进，76；
瓦特的首次实验及后续的改进，83；
瓦特对高压下蒸汽力量的研究，83；
瓦特发现了大气式发动机存在的重大缺陷，85。

大气式发动机中的热量浪费问题，89；
布莱克博士关于潜热的理论，93；
对瓦特在基尼尔设计的实验性发动机的描述，131；
对其单作用式发动机的描述，133；
与旧式发动机相比，大气式发动机的缺点，150；
促使大气式发动机得到应用的种种措施，152；
瓦特为改进索霍地区的发动机制造技术所做的努力，155；
新式发动机中燃料的效率，156；
霍恩布洛尔设计的发动机，175；
伍尔夫设计的发动机，176；
瓦特为将这种发动机用于矿井排水而做出的努力，178；
帕潘提出的将该发动机加以应用的方案，178；
萨弗里提议将他的蒸汽机作为各种机械的动力源，180；
乔纳森·赫尔将该发动机用于水轮机上的应用，180；
用于驱动水轮机的蒸汽机，182；
奥克斯利首次尝试将此类发动机用于实际应用，182；
斯图尔特将该发动机用于磨坊作业中的应用，182；
瓦斯布罗夫对飞轮和曲柄的运用，183；
瓦特的单作用式发动机为何无法实现连续均匀的旋转运动，184；
瓦特的第二项专利，186；
双作用式发动机中的阀门，189；
冷凝喷射装置，191。

双作用发动机中活塞杆与曲梁的连接方式，193；
齿条与扇形齿轮，194；
平行运动，195；
连杆与曲轴，202；
飞轮，205；
节气阀，207；
调速器的调整，209；
将双作用发动机视为一个整体，216；
其工作过程的研究，217；
偏心轮，225；
旋塞阀与阀门，227；
单瓣阀，227；
双瓣阀，228；
锥形蒸汽阀，228；
滑阀，229；
默里式滑阀，229；
D型阀，230；
西沃德式滑阀，235；
单旋塞阀，238；
四通旋塞阀，239；
活塞，242；
发动机的总效果与实用效果，285；
发动机的功率与性能，287；
发动机的马力，288。

用于驱动上述各类引擎的机械动力传递方式，290；
引擎制造商遵循的通用规则，292；
引擎的功率，294；
功率与作用力的区别，295；
活塞行程与气缸直径的比例，295；
康沃尔式的引擎检测方法，297；
康沃尔式引擎的改进，298；
康沃尔式引擎发展历程的详细记载，299；
高压引擎，321；
勒普尔德所设计的引擎，323；
特雷维西克与维维安夫妇设计的第一款高压引擎，324；
蒸汽机首次被用于推动铁路上的列车，328；
通过用蒸汽机替代马力可节省多少粮食的计算，332；
船舶用引擎的构造与设计，441；
船舶用引擎与陆地用引擎的区别，443；
霍华德先生所设计的专利引擎，464；
汉弗莱所设计的引擎，470。
利用蒸汽动力进行印度航程的探索，483；
蒸汽动力运输在美洲的首次应用，487；
促使这一技术得以发展的各种因素，488；
菲奇与拉姆西试图将单作用引擎用于船舶推进的尝试，489；
霍博肯的史蒂文斯开始相关实验，489。

利文斯通与富尔顿的实验，489；
富尔顿的第一艘船，490；
依靠蒸汽在哈德逊河上航行，491；
河流航道的扩展与改进，492；
美国的蒸汽船，494；
它们与欧洲蒸汽船的区别，494；
哈德逊河上的蒸汽船，494；
用于远洋航行的美国蒸汽船，496；
美国蒸汽船所能达到的速度，497；
湖泊上的蒸汽船，499；
密西西比河上的蒸汽船，500。

蒸汽拖船，503。

陡坡的跨越方法，415。

史蒂芬森及其在基林沃思制造的机车引擎，339；
该引擎的缺陷，341；
他设计的驱动轮没有法兰结构，383。

霍博肯的史蒂文斯开始进行蒸汽航行方面的实验，489。

斯图尔特将蒸汽机应用于磨坊作业，182。

加煤过程，462。
填料箱的构造，147。
太阳轮与行星轮——产生旋转运动的方法，187。

温度计的填充工艺，44。

原理说明，98；
水银温度计的构造，98；
刻度标定方法，99。

温度计表盘，270。

节流阀的描述，207。

特雷德戈尔德关于纽科门蒸汽机的评论，73。
特雷维西克与维维安设计的蒸汽机，325。

真空：通过真空产生的力，43；
泵作为这一现象的实例，43。
双作用式发动机中的阀门，189。

沃斯布罗对飞轮与曲柄的应用，183。

水：一品脱水的蒸发所能产生的机械力，6；
在磁场与电场作用下水的分解与重组过程，类似于汽化与凝结现象，8；
水沸腾时的恒定温度其实会发生变化，108；
用于说明这一现象的实验，109；
显示水在不同大气压力下沸腾温度的表格，113；
一立方英寸水转化为蒸汽时所具有的机械力，118；
水的成分被发现，303；
这一发现的功绩由卡文迪许、拉瓦锡和瓦特共同享有，305；
水的潜热，101。

冰的转化，103。
水箱，404。
水轮——用于驱动蒸汽机的装置，182。
瓦特（詹姆斯）：出生时间，77；童年时期，78；与他的相关轶事，78；少年时代，79；前往伦敦，80；返回格拉斯哥，80；被任命为大学的数学仪器制造师，81；亚当·斯密是他最早的朋友和支持者之一，81；布莱克和罗伯特·西姆森也是他的支持者，81；罗比森未发表的手稿中关于他的性格的描述，82；他最初的蒸汽实验，83；他发现了大气压力引擎的缺陷，84；他首次尝试通过使用木制圆筒而非铁制圆筒来改进该引擎，85；他用来确定在水压低于大气压时水沸腾温度的方法，86；他早期的蒸汽实验，87；他注意到了大气压力引擎中的热量浪费现象，89；他通过实验来确定水在变成蒸汽时体积变化的程度，90；他发现了蒸汽的潜热，91；他学习了关于潜热的理论，93。

他写给布鲁斯特博士的信，解释了导致其发现成果被误认为是布莱克所取得的种种原因，93页；
他发现气缸内的冷凝现象会妨碍燃料的有效利用，120页；
他提出了将冷凝过程移出气缸的设想，120页；
他发现了单独的冷凝装置，121页；
他发明了空气泵，122页；
他用蒸汽压力替代了大气压力，123页；
他发明了蒸汽套件或夹套结构，124页；
他为实现这些发明而进行的初步实验，125页；
他的实验设备，126页；
将改进后的发动机投入实际使用的困难，128页；
他从事土木工程师的工作，129页；
他对克莱德河进行了勘测，129页；
他与罗巴克博士的合作关系，130页；
他的第一项专利，130页；
他对基尼尔地区所设计的实验用发动机的描述，131页；
他搬到了索霍区，131页；
关于延长其专利有效期的议会法案的摘要，132页；
他对单作用式发动机的描述，133–144页；
他设计的通过注入方式驱动的冷凝装置，146页；
表面冷凝方式存在的缺陷，146页；
活塞结构的改进，147页；
这些改进是通过一种名为填封盒的装置实现的，147页；
密封方法，148页。

改进的圆柱体钻孔方法，149；
他就此问题写给斯米顿的信，149；
使用铅尘作为润滑剂，149；
这种做法会导致圆柱体磨损，149；
与旧式发动机相比，大气压力驱动式发动机的缺点，150；
燃料利用率大幅提升，151；
为推动大气压力驱动式发动机得到应用而采取的措施，152；
他与博尔顿的通信，153；
他与斯米顿的通信，154；
为改善索霍地区的发动机制造水平所做的努力，155；
新式发动机中的燃料效率，156；
为完善蒸汽机在矿山排水中的应用所做的努力，178；
他的单作用发动机为何无法实现连续均匀的旋转运动，184；
他对罗比森博士关于蒸汽机文章的笔记，184；
他的第二项专利，186；
他的第三项专利，189；
他对飞轮的应用，205；
他对节流阀的应用，207；
他对调速器的改进，209；
其双作用发动机整体结构分析，216；
对其工作原理的研究，217；
偏心装置，225；
阀门，227；
单作用阀，227。

双瓣阀，228；
锥形蒸汽阀，228；
滑阀，229；
他所采用的机车锅炉，225；
发明了压力计，274；
他设计的计数器，278；
瓦特和博尔顿作为核心成员的月球协会，302；
发明了复印机，302；
他在伯明翰的朋友与合作伙伴，302；
他提出的蒸汽加热方法，303；
他发明的用于用蒸汽烘干亚麻的机器，303；
他在发现水的成分方面的贡献，303；
他就此主题写给普里斯特利的信，307；
关于他发明天赋的轶事，309；
他率先将氯气用于漂白过程，310；
克利夫顿气动机构的创始人之一，310；
他的第一次婚姻，310；
他的私人生活，311；
他第一任妻子的去世，311；
他的第二次婚姻，311；
他退出商业领域，311；
他小儿子的去世，311；
他书信中的摘录，312；
他的去世，313；
布罗厄姆勋爵对他性格的描述，313。

沃尔特·斯科特爵士所著，314页；
杰弗里勋爵所著，315页；
晚年的工作，318页；
雕塑复制机的发明，318页；
他的最后岁月，318页；
纪念碑，319页；
由布罗厄姆勋爵撰写的威斯敏斯特教堂纪念碑上的铭文，319页；
他对管状冷凝器的应用，457页；
他用毛毡包裹锅炉的巧妙方法，463页。

威尔金森设计的用于精确加工圆柱体内部的机器，149页。

威廉姆斯处理从炉栅中逸出并经过烟道的气体的方法，260页。

伍尔夫的发动机，176页；
伍尔夫设计的活塞，243页。

里士满桥。

完。

伦敦：
由A. Spottiswoode在New-Street-Square印刷。

誊写者注：
誊写者自行设计了封面图像，并将其置于公共领域中。
原文的拼写与语法大多得以保留，例如“Cyclopœdia”、“cyclopædia”、“Encyclopædia”等不同写法均被保留下来。
图示从段落内部移至段落之间。
脚注已重新编号并移至章节末尾。
原页码以“[Pg135]”等形式标注在文本中。
目录中加入了索引链接。
在目录中，“MM. Dulong and Arrago”被改为“MM Dulong and Arago”；“Blinkinsop”改为“Blinkensop”；“Wasborough’s”改为“Wasbrough’s”。
图4、图5和图6被合并为同一张图片。图4中的两个管子被错误地标记为T′，其中一个已被划掉并改为T；图6中的两个管子也被错误地标记为G，其中一个已被划掉并改为G′。需注意，图4、图5、图6在正文中出现在不同页面上，这一特点也得以保留。
第10页：“it s already”改为“it is already”。
第43页：“Thu if heat”改为“Thus if heat”。
第45页：“had a diameter of only one square foot”改为“had a diameter of only one foot”。
第47页：“immedate”改为“immediate”。
第51页：“a a level”改为“a level”；同时，“A gauge, pipe is inserted”这句话中的逗号也被删除。
第53页：“proportionally”重复出现，此处仅保留一次。

第79页：开头为“He was not fourteen”的那段文字中出现了三个双引号，这显然是错误。正确的格式应该是两个双引号和两个单引号。

第80页：“S’. Gravesande”这一表述被保留了下来，但实际上它应该指的是名为“’s Gravesande”的人。

第103页：“gases n general”改为“gases in general”。

第122页：“process may, be continued”中的逗号已被删除。

第123页：“two thin pipes F G of tin”改为“two thin pipes F, G of tin”。

第172页：“empyrical”改为“empirical”。

第187页，图32：原文提到的是“连接杆的端点I”，但图中该位置标记为L。现在该L已被划掉，替换为I。

第285页：“surrounding the boiler with iron-conducting substances”中的“iron-”改为“non-”。

第308页：“exeitement”改为“excitement”。

有一些较长的引文，例如从第312页开始的那些，每行都以引号开头，每段结尾也有引号。在本版中，这些段落通过缩进来标示，且每段中除第一个和最后一个引号之外的所有引号都已被删除。

第362页：“acomplish”改为“accomplish”。

第366页：原本位于第385页至399页之间的图97-104实际上是整页大小的插图。但从编号上看，它们应属于图96和105之间，也就是第366页至369页之间。因此，它们被移到了第367页的两段文字之间。

第368页：“rivetted”改为“riveted”。

第419页：章节标题中的“TREVITHECK’S INVENTION”改为“TREVETHICK’S INVENTION”。不过，关于Trevethick的提及实际上出现在之前的章节，大约在第324页左右。

第468页：句子“[...] piston is at the bottom of its stroke”的末尾添加了句号。

第490页：句子“[...] therefore one eighth of its capacity”的末尾也添加了句号。

第494页和497页：那些较大的数据表被分成了三部分。

第505页：原本给出的对数表达式为log x = “[=1]·82340688193”，其中“[=1]”表示带横线的数字1。现在该表达式被改为log x = “0·82340688193 − 1”，因为这才是该符号的含义。

第513页：“formulæ are hyberbolic”改为“formulæ are hyperbolic”。

符号∵（Unicode十六进制值为2235，意为“因为”）在附录中出现频率很高，但并非所有字体都支持该符号。

第520页：活塞面积与活塞直径相关的表格被分成了两个表格。

*** 古腾堡电子书项目《蒸汽机详解与图解》（第七版）结束 ***

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第1节：古腾堡计划电子作品的一般使用条款及再分发规则

1.A. 通过阅读或使用古腾堡计划电子作品的任何部分，即表示您已阅读、理解并同意接受本许可证以及相关知识产权（商标/版权）协议中的所有条款。如果您不同意遵守本协议的各项条款，则必须停止使用，并归还或销毁您所拥有的所有古腾堡计划电子作品副本。如果您为获取某份古腾堡计划电子作品或访问权限而支付了费用，且不同意受本协议条款的约束，可根据1.E.8段的规定向您付款的机构或个人申请退款。

1.B. “古腾堡计划”是一项注册商标。只有那些同意遵守本协议条款的人才能将其用于电子作品上，或以任何方式与电子作品关联使用。即便不遵守本协议的全部条款，您仍可以对大多数古腾堡计划电子作品进行某些操作，详情见1.C段。如果您遵守本协议条款并协助确保未来人们能够继续免费获取古腾堡计划电子作品，那么您可以对其进行更多操作，详情见1.E段。

1.C. 古腾堡计划文学档案基金会（简称“该基金会”或PGLAF）拥有古腾堡计划电子作品合集的汇编版权。该合集中的几乎所有单部作品在美国都属于公共领域作品。如果某部作品在美国不受版权法保护，那么……

我们位于美国，但只要删除所有与古腾堡计划相关的标识，我们就不会阻止您复制、分发、表演、展示该作品或基于它创作衍生作品。当然，我们也希望您能遵守本协议的条款，通过自由分享古腾堡计划的作品来支持其推动电子作品免费获取的宗旨，从而让古腾堡计划的名称继续与这些作品联系在一起。如果您在免费与他人分享这些作品时，仍保持其原有的格式并附上完整的古腾堡许可证，那么就很容易遵守本协议的条款了。

1.D. 您所在国家的版权法也规定了您可以使用该作品的权限。大多数国家的版权法都在不断变化中。如果您不在美国，那么在下载、复制、展示、表演、分发该作品或基于它及其他古腾堡计划作品创作衍生作品之前，请先了解您所在国家的法律以及本协议的条款。对于美国以外的其他国家的作品的版权状况，本基金会不作任何声明。

1.E. 除非您已删除所有与古腾堡计划相关的标识：

1.E.1. 每当有人访问、展示、表演、查看、复制或分发任何古腾堡计划的作品（即任何标有“古腾堡计划”字样或与“古腾堡计划”相关的作品）时，都必须明确标注以下句子，并提供通往完整古腾堡许可证的链接或直接访问路径：

本电子书可供美国及世界其他大部分地区的任何人免费使用，几乎没有任何限制。您可以根据随附在本电子书中的古腾堡计划™许可证，或通过www.gutenberg.org上的相关许可，复制、赠送或重新使用该作品。如果您不在美国，那么在使用本电子书之前，必须先了解您所在国家的法律。

1.E.2. 如果某部Project Gutenberg电子作品源自不受美国版权法保护的文本（且未附有表明该作品已获得版权所有者许可的说明），则可以无需支付任何费用即可将其复制并分发给美国的任何人。如果要在分发或提供访问该作品时使用“Project Gutenberg”这一名称，就必须遵守1.E.1至1.E.7段中的规定，或者按照1.E.8或1.E.9段的要求获得使用该作品及Project Gutenberg商标的许可。

1.E.3. 如果某部Project Gutenberg电子作品是经版权所有者许可而发布的，那么其使用与分发必须同时符合1.E.1至1.E.7段的规定以及版权所有者所规定的其他条款。所有经版权所有者许可发布的作品，其相关的附加条款都会链接在位于该作品开头的Project Gutenberg许可证中。

1.E.4. 不得将完整的Project Gutenberg许可证条款从该作品中删除，也不得从包含该作品部分内容或其他与Project Gutenberg相关的作品中移除这些条款。

1.E.5. 在复制、展示、表演、分发或重新分发此电子作品或其任何部分之前，必须明确显示1.E.1段中所规定的内容，并提供可直接访问完整Project Gutenberg许可证条款的链接。

1.E.6. 可以将此作品转换为各种二进制格式、压缩格式、标记格式、非专有格式或专有格式进行分发，包括各种文字处理格式或超文本格式。但是，如果以不同于“纯ASCII格式”或Project Gutenberg官方网站（www.gutenberg.org）上提供的官方版本所使用的格式来提供该作品的副本或允许他人访问该作品，那么就必须在不给用户带来额外成本的情况下，提供该作品的原始“纯ASCII格式”版本或其它格式的副本，或是提供获取此类副本的途径。任何替代格式都必须包含1.E.1段中规定的完整Project Gutenberg许可证内容。

1.E.7. 除非符合1.E.8或1.E.9的规定，否则不得对访问、查看、展示、表演、复制或分发任何古腾堡计划作品收取费用。

1.E.8. 在满足以下条件的情况下，您可以对古腾堡计划的电子作品副本的提供、访问或分发收取合理的费用：

• 您需按照自己用于计算税款的相同方法，就使用古腾堡计划作品所获得的毛利润的20%作为版税支付给古腾堡计划商标的所有者。不过该所有者已同意将此条款规定的版税捐赠给古腾堡计划文学档案基金会。版税必须在您编制定期纳税申报表的日期之后的60天内支付。这些版税款项必须明确标注为版税，并寄送到第4节“关于向古腾堡计划文学档案基金会捐款的说明”中指定的地址。

• 如果有用户在使用作品后30天内以书面形式（或电子邮件）告知您其不同意古腾堡计划™许可协议的条款，您必须全额退还该用户已支付的费用。您还必须要求该用户归还或销毁其所拥有的所有实体介质形式的作品副本，并停止使用及访问其他古腾堡计划™作品的副本。

• 如果在收到电子作品后的90天内发现其存在缺陷并告知您，您必须根据1.F.3条的规定，全额退还该作品或替代副本的费用。

• 您还需遵守本协议中关于免费分发古腾堡计划™作品的所有其他条款。

1.E.9. 如果您希望以不同于本协议规定的条件来收取费用或分发古腾堡计划™的电子作品或作品集，您必须获得古腾堡计划文学档案基金会的书面许可，该基金会是该计划的管理方。

Gutenberg™为注册商标。如需联系相关方，请按照下文第3节所述方式操作。

1.F.

1.F.1. 为打造Gutenberg™作品集，Gutenberg项目的志愿者和员工付出了大量努力，他们会对那些不受美国版权法保护的著作进行版权状况调查、转录并校对这些作品。尽管如此，Gutenberg™电子作品及其存储介质仍可能存在各种“缺陷”，包括但不限于数据不完整、不准确或损坏、转录错误、版权或其他知识产权侵权问题、有缺陷或已损坏的磁盘或其他存储介质、计算机病毒，以及那些会损害您的设备或导致其无法读取的计算机代码。

1.F.2. 有限保修与责任免除——除1.F.3段中所述的“更换或退款权利”外，作为Gutenberg™商标所有者的Gutenberg文学档案基金会，以及根据本协议分发Gutenberg™电子作品的任何其他方，均不对您因任何损失、成本或开支（包括法律费用）承担任何责任。您同意，对于因过失、严格责任、违反保修条款或合同违约而产生的损失，您除了可依据1.F.3段的规定获得赔偿外，别无其他救济途径。您还同意，即使您已告知可能出现的此类损失，该基金会、商标所有者以及根据本协议进行分发的任何方仍无需对您所遭受的任何实际损失、直接损失、间接损失、衍生损失、惩罚性损失或附带损失承担责任。

1.F.3. 有限的更换或退款权利——如果您在收到该电子作品后的90天内发现其中存在缺陷，您可以向提供该作品的人士发送书面说明，从而获得相应款项的退款（如有）。如果您是通过实体介质获取该作品的，则必须将该介质连同书面说明一并退回。提供有缺陷作品的一方可以选择提供替代副本而非退款。如果您是通过电子方式获取该作品的，那么提供该作品的一方……

您可以选择获得第二次机会以电子形式接收该作品，以此代替退款。如果第二份副本仍有缺陷，您有权书面要求退款，且不再有解决该问题的机会。

1.F.4. 除1.F.3段中规定的有限更换或退款权利外，本作品按“原样”提供，不附带任何形式的明示或暗示担保，包括但不限于适销性担保或适用于某种用途的担保。

1.F.5. 某些州不允许免除某些暗示担保，或限制某些类型的赔偿。如果本协议中的任何免责条款或限制违反了适用于本协议的州法律，则该协议应被解释为采用该州法律所允许的最大程度的免责或限制。本协议中任何条款的无效或不可执行性不会导致其余条款失效。

1.F.6. 赔偿责任——您同意为基金会、商标所有者、基金会的任何代理人或员工、根据本协议提供古腾堡计划™电子作品副本的任何人，以及参与古腾堡计划™电子作品的制作、推广和分发工作的志愿者，承担因您的行为或过失而直接或间接产生的所有责任、成本和费用，包括律师费：(a) 分发本作品或任何古腾堡计划作品；(b) 对任何古腾堡计划作品进行修改、添加或删除内容；(c) 由您造成的任何缺陷。

第2节：关于古腾堡计划使命的信息

古腾堡计划代表着以各种计算机都能读取的格式免费分发电子作品，这些计算机包括那些已经过时、老旧或较新的计算机。它的存在正是基于这一理念。

数百名志愿者的辛勤付出，以及来自各行各业人士的捐助，共同推动了这一项目的进展。

志愿者们以及为他们提供所需支持的财政援助，对于实现古腾堡计划的目标至关重要，也只有这样，古腾堡计划所收藏的书籍才能一直免费供后人使用。2001年，古腾堡文学档案基金会应运而生，旨在为古腾堡计划及未来的世代创造一个稳定且可持续的发展环境。如需了解更多关于古腾堡文学档案基金会的信息，以及您如何通过自己的努力和捐助来提供帮助，请参阅www.gutenberg.org网站上的第3节和第4节，以及基金会的相关介绍页面。

第3节：古腾堡文学档案基金会简介

古腾堡文学档案基金会是一家非营利性501(c)(3)教育机构，根据密西西比州的法律成立，并获得了美国国税局的免税资格。该基金会的联邦税号为64-6221541。根据美国联邦法律及您所在州的法律规定，向古腾堡文学档案基金会捐款可在一定范围内享受税收减免。

该基金会的办公地址位于美国新泽西州蒙特克莱尔市Watchung Plaza 41号516室，邮编07042，电话：+1 (862) 621-9288。电子邮箱地址及最新的联系方式可在www.gutenberg.org/contact网站上找到。

第4节：向古腾堡文学档案基金会捐款的说明

古腾堡计划依赖于公众的广泛支持与捐助，没有这些支持，它就无法继续履行自己的使命——增加可免费以机器可读格式分发的公共领域及授权作品的数量，让尽可能多的人能够获取这些作品。

包括那些已经过时的设备。许多金额不大的捐赠（1美元至5,000美元）对于维持该机构在IRS处的免税地位而言尤为重要。

该基金会致力于遵守美国50个州中与慈善机构及慈善捐赠相关的法律。这些法规的要求各不相同，要满足并持续符合这些要求需要付出大量努力、处理大量文书工作并支付诸多费用。在没有收到相关合规性确认函的地区，我们不会寻求捐赠。如需捐款或了解某个特定州的合规状况，请访问www.gutenberg.org/donate。

虽然我们无法也不会在那些尚未满足相关要求的州寻求捐赠，但据我们所知，并没有规定禁止接受来自这些州的自愿捐赠者所提供的捐款。

我们非常欢迎国际上的捐赠，但对于从美国境外收到的捐赠的税务处理问题，我们无法给出任何说明。仅美国的法律就足以让我们的少量工作人员应接不暇。

请查看Project Gutenberg网站上的页面，以了解最新的捐赠方式及地址。除了现金捐赠外，还可以通过支票、在线支付或信用卡等方式进行捐赠。如需捐款，请访问：www.gutenberg.org/donate。

第5节：关于Project Gutenberg电子作品的一般信息

迈克尔·S·哈特教授是Project Gutenberg这一理念的提出者，他设想创建一个可以自由分享给所有人的电子作品图书馆。四十年来，他在仅有少量志愿者支持的条件下持续制作并分发Project Gutenberg电子书。

Project Gutenberg电子书通常是由多个印刷版本整理而成的，而这些版本在美国均被确认为不受版权保护，除非……

其中包含了版权声明。因此，我们并不一定需要让电子书与相应的纸质版保持一致。

大多数人都是从我们的网站开始使用的，该网站提供了主要的PG搜索功能：www.gutenberg.org。

该网站还提供了有关古腾堡计划的各种信息，包括如何向古腾堡文学档案基金会捐款、如何为新的电子书的制作提供帮助，以及如何订阅我们的电子邮件通讯以了解新发布的电子书信息。

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