論蒸汽機的發明對18世紀工業技術的促進作用

自然科學簡史結課論文

——《論蒸汽機的發明對18世紀工業技術的促進作用》

論蒸汽機的發明對18世紀工業技術的促進作用

詹姆斯·瓦特是英國著名的發明家，是工業革命時期的重要人物。英國皇家

學會會員和法蘭西科學院外籍院士。他對當時已出現的蒸汽機原始雛形作了一系

列的重大改進，發明了單缸單動式和單缸雙動式蒸汽機，提高了蒸汽機的熱效率

和運行可靠性，對當時社會生產力的發展作出了杰出貢獻。他改良了蒸汽機、發

明了氣壓表、汽動錘。后人為了紀念他，將功率的單位稱為瓦特，常用符號“W”

表示。瓦特是國際單位制中功率和輻射通量的計量單位，常用符號“W”表示。

蒸汽機的發明背景：

人類對蒸汽的認識和利用，經歷了一個漫長的歷史過程。早在公元前二世紀，

古希臘人就制造過一種利用蒸汽噴射的反作用的發動機。1690年，法國人巴比

首先發明了第一臺活塞式蒸汽機，但他未能制成實用的蒸汽機。1698年，英國

的一位技師塞萊斯發明了實用的無活塞式蒸汽機。這種機器在礦井中得到應用，

被稱為“礦山之友”，但受當時材料和技術的限制，無法推廣。后來經過改進，直

到18世紀，英國的鐵匠紐科門才制成第一臺能把熱能轉變為機械能的較原始的

蒸汽機。這種機器綜合了巴本機和塞萊斯機的優點，不需高壓蒸汽即可排水，效

率也有較大提高。但是，這種蒸汽機結構不合理，耗煤多，活塞只能作往復運動，

不能作旋轉運動，因此熱效能較低。

蒸汽機的改進：

隨著工業發展對新動力的需求日益突出，推動了對蒸汽機作進一步的改進。

從18世紀60年代起，英國的工程師斯米頓開始研究改進紐可門蒸汽機，他測

量了一百多種當時的蒸汽機的部件和效率，并對所得資料進行了系統的比較分

析。斯米頓本人沒有對蒸汽機的結構做任何改進，但是他積累的數據為改進蒸汽

機提供了方便。與此同時，瓦特也開始研究改進蒸汽機。

瓦特在大學修理儀器期間，學校曾經把一臺舊式的紐可門蒸汽機交給他修

理。他通過大量實驗以及根據格拉斯哥大學教授布萊克提出的潛熱、比熱理論進

行分析，對舊式蒸汽機進行深入研究，找出了舊式機器效率低的主要原因：除了

漏汽、散熱等造成熱量的浪費外，主要缺陷在于每一沖程都要用冷水將汽缸冷卻

一次，從而耗了大量熱量，使絕大部分蒸汽沒有被有效利用。針對這一缺陷，瓦

特提出了減少蒸汽消耗，提高熱機效率的兩項措施：一、為了使汽缸始終保持蒸

汽所必須具有的溫度，必須在汽缸外加上絕熱外套或通以蒸汽或用其他方法對汽

缸加熱；二、使作功后的蒸汽盡可能快地冷卻，液化成水并要使這一過程在汽缸

外進行，為此必須設置一個獨立于汽缸的冷凝器，在機械傳動方面也要改進。他

決心自己制造一臺新的蒸汽機，來改進舊機器的不足。

瓦特自籌資金，租了間地下室，買了必要的設備，反復實驗，經歷了無數次

挫折和失敗，在工人的幫助下，終于發明了與汽缸分離的冷凝器，解決了制造精

密汽缸、活塞的工藝問題，同時采用油潤滑活塞，汽缸外附加絕熱層等措施，制

成單動作蒸汽機。后經繼續試驗，又在1782年，發明了具有連桿、飛輪和離心

調速器的雙動作蒸汽機，制成了新的可實用的蒸汽機。這種雙動作式蒸汽機，把

閥門安裝得可利用蒸汽的壓力來推動活塞，既可向前又可向后。并借助連桿和飛

輪把活塞的直線運動變成了圓周運動。為了保持蒸汽機的勻速運轉，他把一個離

心調速器連接在進汽活門上，使其自動調節進汽量。這種裝置是最早在技術上使

用的自動控制器。他設計了一個和汽缸分離的冷凝器，將高溫蒸汽從氣缸中導出

并冷卻，使得主要汽缸能保持一定溫度。同時他提高了汽缸的精密度，把活塞和

閥門也做得光滑、嚴密。從而比紐科門蒸汽機大大提高了熱效率和可靠性。由于

這種蒸汽機把往復的直線運動變成為連續而均勻的圓周運動，因而可以經過傳動

裝置帶動一切機器運轉，成為能普遍用于工業和交通運輸業的“萬能動力機”。這

種高效率的蒸汽機很快取代了舊式的蒸汽機，被各工業部門迅速采用。從此，動

力機、傳動機和工作機組成了機器生產系統，成為產業近代化的核心。

蒸汽機的發明與應用對工業技術的影響：

到19世紀30年代，蒸汽機廣泛應用到紡織、冶金、采煤、交通等部門去，

很快引起了一場技術革命。美國人富爾頓發明了用瓦特蒸汽機作動力的輪船；英

國人史蒂芬遜發明了用瓦特蒸汽機作動力的火車。瓦特的蒸汽機成為真正的國際

性發明，它有力地促進了歐洲18世紀的產業革命，推動世界工業進入了“蒸汽時

代”。蒸汽機的應用具有劃時代的意義,對人類社會的各個方面都產生了極其深遠

的影響，到了20世紀乃至今天也沒有完全失去其作為動力機的意義。正如馬克

思所說，蒸汽機的發明與應用，在短時間內改變了整個世界的面貌。

1.促進了交通運輸業的革新。蒸汽動力的應用，根本改變了交通運輸技術的

面貌，直接導致了蒸汽機車、輪船的發明,帶動了鐵路的出現，美國人富爾頓建

成的汽船開創了世界航運史上的新時代.英國人斯蒂芬遜制成的蒸汽機車，開辟

了陸上運輸的新紀元。19世紀40年代后英國出現了鐵路建設的熱潮，美、法、

德、俄等國也著手興建鐵路，很快形成了全國鐵路網。為社會生產和人們交往提

供了更為快捷便利的條件。

2.帶動了許多工業部門的發展。不但首先在紡織、采礦業中得到廣泛應用，

而且還被推廣到冶金、印染、機械、化工等一系列工業部門，加快了工業革命的

步伐,從而引發了人類歷史上科學技術的第四次重大進步(有史以來的第四次產

業革命)。

3.促進了近代城市的興起. 蒸汽機的廣泛使用，帶動了機器技術體系的成熟

及各類產業組織數量的增加,產業技術及機器生產向城市聚集,吸收了大量農業人

口流入城市, 開始了近代意義上的城市化進程. 19世紀以來，英國的城鎮數量和

城市人口的增加非常迅速，近代城市大量興起，城鎮化運動加速,促進了城鄉的

經濟文化交流。19世紀中期俄國的農奴制改革、美國的西進運動和內戰、德意

的統一及日本的明治維新使這些國家的城市化進程加快。

4.推進了生產力的發展.蒸汽機的應用是人類認識和利用自然力的一個大突

破,是真正由原始社會征服火之后而征服自然力的第二次革命。它改變了人類以

人力、畜力、水力作為主要動力的歷史，使各種機器有了新的強大動力，從根本

上改變了生產的面貌，提高了勞動效率,極大地解放了生產力，導致了人類歷史

上的第一次技術革命,完成了資本主義社會生產力的第一次飛躍.使人類社會開始

進入以蒸汽為動力的時代。

5.推動了生產方式的進步.蒸汽機的應用為實現由工場手工業向機器大工業

的變革提供了強大杠桿。英國，法國、德國、荷蘭、瑞典等國先后實現了從手工

作坊到機械化大生產的變革,這是人類勞動組織形式的重大改變，在這之后才有

了真正意義上的社會化大生產。工廠代替工場成為工業化生產的主要組織形式,

不僅提高了生產管理的效率,而且使大批農民和手工業者成為雇傭勞動者，從而

確立了資本主義的生產方式,人類社會也由農業經濟時代進入工業經濟時代。

6.引起了社會結構的變革.蒸汽機的應用和機械工業的發展，既造就了龐大

的無產者隊伍,同時也養肥了資本家,使社會階級關系發生了重大變化,日益分裂

成兩大對立的階級：工業無產階級和資產階級.無產階級的貧困化使市場的擴張

趕不上生產的增長，這就使“生產過剩”的經濟危機不可避免。這種危機使失業工

人激增，在業工人工資降低。為了反抗剝削和壓迫，19世紀的英法等國爆發了

憲章運動、里昂起義等工人運動,無產階級革命運動高漲。

7.加快了世界一體化進程.由于輪船、火車的應用并延伸到世界各地，使世

界真正認識到鐵路運輸和輪船航運是工農業生產和社會交往的動脈,具有巨大優

越性。這就把過去分散、孤立的地區和國家聯結起來，加強了世界各國各地區間

的相互聯系,使人類生活世界的空間距離大大縮小,使全球經濟聯成一體,促進了

資本主義世界市場的形成,極大地推進了世界經濟的發展。

8.導致了世界格局的變化.蒸汽機的應用壯大了工業資產階級的力量，使資

產階級有能力按照自己的意愿去征服世界. 西方國家對弱小國家或民族的殖民

征服,使殖民地半殖民地被卷入資本主義世界體系,造成了東方從屬于西方的國際

關系格局.19世紀中期形成了以英國等少數國家為中心，以亞、非、拉廣大地區

為邊緣地帶的世界格局。

9.推動了政治領域的變革.蒸汽機的應用促進了資本主義經濟的發展,引發出

一系列的革命與改革，資產階級革命和改革運動成為世界歷史發展的主流（1848

年歐洲革命、俄國農奴制改革、德、意統一、美國內戰、明治維新）。

10.給東方國家造成雙重性影響.一是加劇了東方的貧困落后，給當地人民帶

來禍害和苦難,引發了民族解放運動.二是破壞了東方傳統的社會經濟結構，傳播

了新興的資本主義生產方式和思想觀念，有利于社會的進步。以蒸汽機為動力的

近代軍事工業和民用工業創辦起來;以蒸汽機為動力的輪船與軍艦出現,外商企

業、洋務企業、民族資本主義工業等近代經濟成份相繼出現

總之，蒸汽機有很大的歷史作用，它曾推動了機械工業甚至社會的發展。隨

著它的發展而建立的熱力學和機構學為汽輪機和內燃機的發展奠定了基礎；汽輪

機繼承了蒸汽機以蒸汽為工質的特點，和采用凝汽器以降低排汽壓力的優點，摒

棄了往復運動和間斷進汽的缺點；內燃機繼承了蒸汽機的基本結構和傳動形式，

采用了將燃油直接輸入汽缸內燃燒的方式，形成了熱效率高得多的熱力循環；同

時，蒸汽機所采用的汽缸、活塞、飛輪、飛錘調速器，閥門和密封件等，均是構

成多種現代機械的基本元件。