瓦特與蒸汽機

詹姆士·瓦特是英國最偉大的工程師之一。工業革命初期，瓦特發明的實用性發動機便常被用來為紡織機以及礦場里的抽水泵提供動力。之后，工程師們將瓦特設計的發動機改造為適合汽車、輪船的動力引擎，最終蒸汽引擎火車頭的推廣引發了一場橫跨歐美的鐵路交通革命。

1736年1月19日，瓦特出生于蘇格蘭克萊德河畔的小鎮格林諾克（位于格拉斯哥市附近），父親為木匠兼商人，而瓦特是六個孩子中最小的一個。少年時代的瓦特沒有接受完整的正規教育，但曾就讀于格林諾克文法學校，并在父親的工廠學習技術。1755年，瓦特只身前往倫敦，在一家精密儀器制造廠當學徒。2年后，成為格拉斯哥大學儀器制造廠工人，并擁有了自己的車間。1764年，學校里的一臺紐可門蒸汽機模型出現了故障，請瓦特前去維修。在修理的過程中，瓦特意識到該類型蒸汽機的兩大弊病：首先，活塞動作不連續而且非常慢；其次，該汽缸在不斷地加熱與冷凝的過程中，能量大量流失，熱效率十分低下。

1765年，瓦特設計發明了帶有分離冷凝器的蒸汽機，克服了紐可門蒸汽機的缺陷。該設計能夠將做功后的蒸汽排入汽缸外的冷凝器，令汽缸產生真空，同時又可以始終保持汽缸處于高溫狀態，避免了在一冷一熱的過程中造成的能量消耗。據瓦特的理論計算，這種新型蒸汽機的熱效率是紐可門蒸汽機的3倍以上，因此，學校教授、蘇格蘭物理學家、化學家約瑟夫·布萊克（1728～1799年）決定資助瓦特繼續研制蒸汽機。

1767年，瓦特前往倫敦，得到化工技師約翰·羅巴克的資助，二人開始合作研制蒸汽機，但1772年他們的工廠因經營不善而破產。不過羅巴克又將瓦特介紹給自己的朋友——工程師兼企業家馬修·博爾頓（1728～1809年）。博爾頓在伯明翰附近的梭霍地區設有工廠，生產各式各樣的金屬制品，如鍍金的用具、銀紐扣與帶扣等，并且博爾頓還于1797年設計了英國新型鑄幣技術，并為此設計了專用機械。

大事記

1765年 帶分離冷凝器的蒸汽機問世

1769年 瓦特的蒸汽機獲得專利

1775年 瓦特同馬修·博爾頓合作設計制造蒸汽機

1781年 “太陽與行星齒輪”裝置問世

1782年 雙向作用蒸汽機問世

1788年 飛球離心調速傳感器問世

1775年，與博爾頓合作之后，瓦特開始按照1769年設計的原型制造蒸汽機，不過與之前的蒸汽機相比，瓦特于1776年建造的第一臺新型蒸汽機仍無顯著提高。經過5年的不斷摸索與改進，瓦特終于制造出真正意義上的實用型蒸汽機，隨后便大批量生產。在此期間瓦特還不斷地與仿冒侵權行為作斗爭，保護自己的專利。在英國西南部城市康沃爾的銅礦、錫礦中絕大多數運行了50年之久的紐可門蒸汽機都被瓦特蒸汽機所取代。

瓦特一直潛心改進蒸汽機，為了將活塞的上下往復運動轉化為旋轉運動，1781年他發明了“太陽與行星齒輪”，以及桿和曲柄聯動系統。這些改進使蒸汽機得以應用到機床、織布機與起重機上，結束了這些機械靠水能驅動的歷史。

1782年，瓦特又設計了雙向作用蒸汽機，即蒸汽能夠從活塞的每一側交替進入。這種機器在活塞的每一次運動時都利用了蒸汽力。1788年，瓦特設計了飛球離心調速器，用以控制引擎速度，這是歷史上首臺負反饋式裝置被應用于蒸汽機之上。1790年，瓦特發明的壓力計完成了瓦特式蒸汽機的歷史性飛躍。至18世紀末，世界各地共有約500臺瓦特式蒸汽機在不停地運作。

1783年，瓦特用“馬力”作為瓦特式蒸汽機的輸出功率單位，他用當時最普遍的動力源——馬匹的輸出標準作為參照。因為一匹馬能夠在1分鐘之內將453千克重的物體抬升10米，所以由此計算得出馬匹的動力為每分鐘33000尺磅（1尺磅=1.3558焦耳），相當于每秒550尺磅，瓦特稱之為1馬力。根據這個標準，普通人的功率輸出約為1/10馬力，家用汽車的功率則約為20馬力。

除了發明蒸汽機外，瓦特在其他領域亦作出過不少貢獻，如于1780年獲得專利、使用特制化學墨水復制文件的技術——膠版印刷術，以及用來復制雕塑的雕刻機等。1794年，博爾頓、瓦特以及瓦特的兒子一起開辦公司，之后瓦特的兒子慢慢接手公司事務。1800年，瓦特退休，但其仍舊醉心于發明設計。1817年，小詹姆士·瓦特為“卡列多尼亞”號遠洋蒸汽船設計制造蒸汽機，該船下水時，整個英國都為之振奮、歡呼。瓦特親眼目睹了這一場景，見證了兒子的成功。

為了紀念瓦特的貢獻，國際單位制中功率的單位被定為“瓦特”，在機械運動中，瓦特的定義是1焦耳/秒。而在電學單位制中，瓦特的定義是1伏特·安培。