蒸汽机与工业革命的影响-《通识物理》成果

18 世纪初，自从物理学在热机理论方面取得重大突破后，人们就一直尝试根据热机的工作原理来制造现实中的热机——“蒸汽机”。然而遗憾的是，当时的蒸汽机的工作效率十分低下，一台蒸汽机车还跑不过一匹马，甚至一辆马车。因此，如何才能提高蒸汽机的工作效率，就成为当时的物理学家和工程师们面临的关键问题。在这个过程中，有两个人对蒸汽机的改进做出了至关重要的贡献。

首先，法国物理学家卡诺对改进蒸汽机的工作效率做出了重要的理论贡献。卡诺毕业于法国大革命时期创建的巴黎综合工业学校，他长期从事热机研究。1824 年，卡诺设计了一个特别的热力学循环，也就是著名的“卡诺循环”（图6.9），通过分析这个循环，卡诺逐渐认识到热机的工作效率存在理论极限。在研究中，卡诺把热机与水轮机相比，认为蒸汽机的锅炉（高温区）与冷凝器（低温区）之间的温度差与水轮机上下的水位差相似。对于水轮机，我们显然知道：当水从高处落向低处时可以推动轮机做功，且轮机做功的大小与水位差的大小成正比。那么类似地，蒸汽机的热量从锅炉流入冷凝器时，也可以推动活塞做功，且活塞做功的大小与锅炉和冷凝器之间的温度差成正比。根据这个想法，卡诺从热机工作效率公式出发，结合热力学第一定律，最终推导出了热机的最高理论工作效率，其数学表达式为：

其中，T1和T2分别指热机的锅炉（高温区）和冷凝器（低温区）的温度。从这个公式我们可以得出两个方面的重要结论：首先，热机的最高理论工作效率与高温热源和低温热源的温度有关，任何一个热机的实际工作效率都不可能超过最高理论效率；其次，要想有效提高热机的实际工作效率，并使之趋近于1，就需要尽量提高高温热源（锅炉）的温度T1，或者降低低温热源（冷凝器）的温度T2。

图6.9　卡诺循环与蒸汽机效率公式(www.xing528.com)

卡诺的理论研究结果很好地启发了英国工程师瓦特，他对蒸汽机采取了两个方面的改进措施：一方面，瓦特改进了锅炉的供气和排气系统，通过提高燃烧效率和保温性能来增加高温热源锅炉的温度；另一方面，如图6.10 所示，瓦特还创新性地在锅炉旁加装了一个采用水作为冷却介质的冷凝器。通过这个设计，瓦特在提高高温热源温度的同时，还有效地降低了低温热源的温度，并因此而极大地提高了蒸汽机的实际工作效率。我们过去常说“瓦特是蒸汽机之父”，其实，瓦特并非发明了蒸汽机，其贡献主要在于从根本上提高了蒸汽机的工作效率，并使之具有了实际应用价值。

图6.10　瓦特给蒸汽机加装水冷型冷凝器

在瓦特对蒸汽机做出改进之后，高效的蒸汽机开始被广泛地用作生产动力机。1803 年，美国的富尔顿利用蒸汽机作为动力发明了蒸汽轮船，这使得越洋航行变得更加安全和快捷；而英国的史蒂芬孙则发明了铁路蒸汽火车，这使得人类首次具有了远距离、大装载量且成本低廉的运输手段；此外，蒸汽机还被作为动力机广泛地用于矿山冶炼、机械加工以及棉纺织业，这些技术进步直接导致了18—19世纪欧洲国家的第一次工业革命的产生。