瓦特成功發(fā)明蒸汽機(jī)的原因是什么 _成功

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對(duì)于18世紀(jì)的英國(guó)甚至世界而言，沒(méi)有什么比蒸汽機(jī)的問(wèn)世更具有劃時(shí)代意義。而蒸汽機(jī)的“發(fā)明者”，也一直被公認(rèn)為是蘇格蘭人詹姆斯·瓦特（James Watt）。

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事實(shí)上，瓦特或許是史上最被誤讀的發(fā)明家，其發(fā)明家的身份首先就需要打一個(gè)問(wèn)號(hào)：與其說(shuō)是瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)，不如說(shuō)是改良了蒸汽機(jī) 。即便在蒸汽機(jī)的改進(jìn)進(jìn)程中，人們也只看重其在技術(shù)上的貢獻(xiàn)，而忽視了他在吸引資本、完成技術(shù)轉(zhuǎn)化方面的貢獻(xiàn) 。
可以說(shuō)，蒸汽機(jī)得以在18世紀(jì)末問(wèn)世，除了瓦特的天賦外，還離不開(kāi)工廠主的傾囊相助，產(chǎn)業(yè)革命帶來(lái)的環(huán)境變化。蒸汽機(jī)的問(wèn)世從最初的雛形到瓦特改良完畢，究竟是技術(shù)問(wèn)題還是經(jīng)濟(jì)問(wèn)題？

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蒸汽機(jī)的不斷改良過(guò)程
蒸汽機(jī)的發(fā)明并非一蹴而就，而是經(jīng)歷了幾代人的共同努力，在一次次技術(shù)迭代后，最終形成了具有市場(chǎng)價(jià)值的蒸汽機(jī) 。瓦特并非“發(fā)明者”，也非“終結(jié)者”，他的歷史貢獻(xiàn)在于極大地改良了蒸汽機(jī)，提升了蒸汽機(jī)的熱效率。這在蒸汽機(jī)的迭代升級(jí)過(guò)程中具有里程碑意義。
一般認(rèn)為，英國(guó)人薩弗里（Thomas Savery）制成了世界上第一臺(tái)實(shí)用的蒸汽提水機(jī) 。這臺(tái)機(jī)器形似雞蛋。它的運(yùn)作原理是：先在其中充滿蒸汽，然后關(guān)閉進(jìn)汽閥，在容器外噴淋冷水使容器內(nèi)蒸汽冷凝而形成真空。打開(kāi)進(jìn)水閥，礦井底的水受大氣壓力作用經(jīng)進(jìn)水管吸入容器中；關(guān)閉進(jìn)水閥，重開(kāi)進(jìn)汽閥，靠蒸汽壓力將容器中的水經(jīng)排水閥壓出。待容器中的水被排空而充滿蒸汽時(shí)，關(guān)閉進(jìn)汽閥和排水閥，重新噴水使蒸汽冷凝。如此反復(fù)循環(huán)，用兩個(gè)蛋形容器交替工作，可連續(xù)排水。薩弗里的提水機(jī)依靠真空的吸力汲水，汲水深度不超過(guò)六米。為了從幾十米深的礦井汲水，須將提水機(jī)裝在礦井深處，用較高的蒸汽壓力才能將水壓到地面上，這在當(dāng)時(shí)無(wú)疑是困難而又危險(xiǎn)的。
18世紀(jì)初，托馬斯·紐康門(mén)(Thomas Newcomen)發(fā)明了一臺(tái)大氣蒸汽機(jī)，主要用于在礦山中抽水。紐氏蒸汽機(jī)有一個(gè)汽缸和活塞。當(dāng)蒸汽進(jìn)入氣缸時(shí)，活塞向上運(yùn)動(dòng)；活塞到達(dá)氣缸頂部時(shí)，一個(gè)裝置用冷水對(duì)氣缸降溫，充滿蒸汽的汽缸冷卻后，蒸汽凝結(jié)，在氣缸內(nèi)制造出真空，將活塞拉回底部，由此循環(huán)往復(fù)，通過(guò)一個(gè)杠桿拉動(dòng)另外一側(cè)的抽水機(jī) 。由于活塞每推動(dòng)一次，氣缸里的蒸汽都要先冷凝，拉回活塞后再加熱，進(jìn)行下一次推動(dòng)，從而使得蒸汽80%熱量都耗費(fèi)在維持氣缸溫度上，使得這款蒸汽機(jī)的效率很低。
瓦特對(duì)于蒸汽機(jī)的最大貢獻(xiàn)在于提升了機(jī)器的熱效率，他敏銳地意識(shí)到，理想的蒸汽機(jī)必須具備兩個(gè)條件：一是始終保持氣缸恒熱；二是要將蒸汽完全冷凝到100℃以下，確保其釋放全部熱量。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了分離式冷凝器，這一裝置最重要的突破就是將蒸汽的冷凝過(guò)程與氣缸分離，使蒸汽通過(guò)排氣管進(jìn)入冷凝器冷凝，從而維持氣缸熱度。

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此外，瓦特還設(shè)計(jì)了一個(gè)封閉式氣缸，氣缸上配備了圓形的活塞，活塞桿下端通過(guò)填充料，可以有效防止蒸汽溢出。這種改良看似簡(jiǎn)單，卻在紐氏蒸汽機(jī)問(wèn)世半個(gè)世紀(jì)以來(lái)一直沒(méi)人想到過(guò) 。瓦特對(duì)此也感到不可思議，他問(wèn)自己：“這就可以了嗎？也太簡(jiǎn)單了吧？怎么一切看起來(lái)都是那么順理成章？”卡內(nèi)基在《瓦特傳》對(duì)此的評(píng)價(jià)是：現(xiàn)實(shí)就是這樣，沒(méi)有冷凝器，沒(méi)有封閉式氣缸，就沒(méi)有現(xiàn)代蒸汽機(jī) 。[1]
比發(fā)明更難的經(jīng)營(yíng)推廣問(wèn)題
相比較對(duì)于蒸汽機(jī)的改良，過(guò)往的論者往往忽略了其對(duì)于蒸汽機(jī)的推廣和經(jīng)營(yíng) 。就筆者看來(lái)，他對(duì)蒸汽機(jī)產(chǎn)業(yè)化的貢獻(xiàn)，絲毫不亞于改良蒸汽機(jī)本身。對(duì)于這兩者的關(guān)系，保爾·芒圖(Paul Mantoux)說(shuō)得很清楚：“發(fā)明是一回事，會(huì)經(jīng)營(yíng)利用發(fā)明物卻是另一回事。”[2] 幸運(yùn)的是，在這方面瓦特遇到了多位貴人相助。
瓦特的第一位貴人是物理學(xué)家與化學(xué)家約瑟夫·布萊克（Joseph Black）。瓦特和布萊克的友情始于格拉斯哥大學(xué)工作期間，瓦特曾為布萊克制作過(guò)一臺(tái)風(fēng)琴，布萊克對(duì)瓦特的幫助則猶如“及時(shí)雨”，正如前文所述，他不僅給瓦特講授了“潛熱”理論，每當(dāng)瓦特在遭遇瓶頸或是走投無(wú)路時(shí)，他總是給予最慷慨和無(wú)私的幫助。

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瓦特的第二位貴人是企業(yè)家約翰·羅巴克（John Roebuck）。1765年，經(jīng)格拉斯哥大學(xué)教授布萊克的介紹，瓦特結(jié)識(shí)了羅巴克。那時(shí)的瓦特幾乎一文不名。由于負(fù)擔(dān)不起蒸汽機(jī)昂貴的研制費(fèi)用，他幾乎放棄了對(duì)蒸汽機(jī)的改良，改行在卡爾多尼亞運(yùn)河工地當(dāng)一名測(cè)量員。在這一過(guò)程中，他結(jié)識(shí)了羅巴克，后者當(dāng)時(shí)剛剛?cè)〉昧烁Ｋ购佑野恫┝_斯托內(nèi)斯煤礦的開(kāi)采權(quán) 。正如前文所說(shuō)，當(dāng)時(shí)蒸汽機(jī)最主要的用途就是在煤礦抽水。羅巴克敏銳地嗅到了蒸汽機(jī)未來(lái)的市場(chǎng)前景，他與瓦特簽訂了一份合同，羅巴克負(fù)責(zé)向瓦特的債權(quán)人償付1000英鎊債務(wù) 。作為交換，瓦特將未來(lái)蒸汽機(jī)利潤(rùn)的三分之二交給羅巴克。保爾·芒圖稱，“這份合同在蒸汽史上創(chuàng)造了一個(gè)時(shí)代，蒸汽機(jī)正是從那個(gè)時(shí)候走進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室” 。這位《十八世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命》的作者稱，瓦特總是遲疑、猶豫、不滿意自己，他需要一個(gè)人去鼓勵(lì)、鞭策他前進(jìn)，羅巴克以無(wú)比的熱情扮演了這個(gè)角色。
瓦特的第三位貴人是馬修·博爾頓（Matthew Boulton）。就像布萊克將瓦特介紹給羅巴克一樣，瓦特是通過(guò)羅巴克結(jié)識(shí)了博爾頓。相比羅巴克，博爾頓此時(shí)已經(jīng)是英格蘭頗為顯赫的實(shí)業(yè)家。當(dāng)他通過(guò)羅巴克獲悉了瓦特正在改良蒸汽機(jī)時(shí)，很快對(duì)這個(gè)項(xiàng)目產(chǎn)生了濃厚的興趣。彼時(shí)，博爾頓也在為如何提升蒸汽機(jī)在礦山中的效率發(fā)愁，先后請(qǐng)教過(guò)本杰明·富蘭克林和伊拉茲馬斯·達(dá)爾文博士，但都未能如愿。

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【瓦特成功發(fā)明蒸汽機(jī)的原因是什么】
1767年，瓦特路過(guò)伯明翰時(shí)，參觀了博爾頓在索霍的工場(chǎng)，對(duì)當(dāng)?shù)氐囊苯鸸I(yè)印象深刻，兩人一拍即合。而陷入經(jīng)營(yíng)困難瀕臨破產(chǎn)的羅巴克也愿意成人之美，在羅巴克的見(jiàn)證下，博爾頓成為了瓦特此前專利技術(shù)的受讓人。對(duì)于蒸汽機(jī)的發(fā)展前景，博爾頓看得更長(zhǎng)遠(yuǎn)，他說(shuō)：“我的意見(jiàn)是在我的運(yùn)河邊上建立一個(gè)工廠，在那里我想安置制造機(jī)器所必需的全套設(shè)備，而且這個(gè)工廠可以提供給世人各種大小的機(jī)器……僅僅為是哪個(gè)郡制造，那就不值得費(fèi)事了。值得費(fèi)事的，是為全世界制造。”而瓦特一如既往地癡迷于改良蒸汽機(jī)，就像他之前在寫(xiě)給朋友的信中所說(shuō)：“我的全部精力都集中在這臺(tái)蒸汽機(jī)上，對(duì)其他事情毫無(wú)興趣。”[3]當(dāng)一個(gè)癡迷于設(shè)計(jì)的“發(fā)明家”與一個(gè)堅(jiān)信其市場(chǎng)前景的實(shí)業(yè)家相結(jié)合，兩者的合力是巨大的，無(wú)怪乎50英鎊背面將二位并列，分別引用了兩人的一句名言，瓦特：“除了這臺(tái)機(jī)器，我別無(wú)所思” 。博爾頓：“先生們，我在這里出售的是全世界都渴望得到的——?jiǎng)恿?。”

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不是煤炭，而是經(jīng)濟(jì)
有趣的是，經(jīng)歷了瓦特的改良后，蒸汽機(jī)并沒(méi)有如想象中那樣迅速在英國(guó)和歐洲世界鋪開(kāi)，而是經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的踟躕，最終在19世紀(jì)中期才逐漸取代原先的動(dòng)力模式，成為英國(guó)工業(yè)革命的引擎。
之所以蒸汽機(jī)不受當(dāng)時(shí)英國(guó)人待見(jiàn)，也不難理解，因?yàn)檎羝麢C(jī)的效率太低，比不上18世紀(jì)英國(guó)普遍使用的水能動(dòng)力，但耗費(fèi)又非常高昂。舉例而言，在瓦特改良蒸汽機(jī)之前，蒸汽機(jī)每產(chǎn)生1馬力需要消耗30磅煤，在瓦特改良蒸汽機(jī)后，這一數(shù)字下降到12.5磅，渦輪蒸汽機(jī)則進(jìn)一步減少到5磅。對(duì)于資本家來(lái)說(shuō)，產(chǎn)出與成本的比例是生命線。瓦特蒸汽機(jī)產(chǎn)生1馬力的成本達(dá)到33英鎊，經(jīng)過(guò)30年改進(jìn)下降到20英鎊，而渦輪蒸汽機(jī)只有4英鎊，終于超越了水能等其他動(dòng)力來(lái)源。
這其中最生動(dòng)的案例莫過(guò)于在紡織領(lǐng)域蒸汽機(jī)對(duì)于水能的替代。
1765年，詹姆斯·哈格里夫斯（James Hargreaves）發(fā)明了多軸紡紗機(jī)（即珍妮紡紗機(jī)），并很快在英格蘭北部流傳開(kāi)來(lái) 。在技術(shù)革新的刺激下，英國(guó)的紡織業(yè)完成了從小作坊生產(chǎn)向大工廠生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型。但無(wú)論是小作坊還是大工廠，紡織機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)都離不開(kāi)驅(qū)動(dòng)力，這種動(dòng)力必須能驅(qū)動(dòng)數(shù)臺(tái)、數(shù)十臺(tái)，乃至數(shù)百臺(tái)的紡織機(jī)同時(shí)工作，在18世紀(jì)中期，瓦特改良的蒸汽機(jī)尚不成熟，主要的動(dòng)力來(lái)源仍是水力。
位于瓦特家鄉(xiāng)蘇格蘭低地的拉納克恰好蘊(yùn)藏著豐沛的水力資源，克萊德河從拉納克南邊流過(guò)，上游處有幾處落差頗大的瀑布，河水順流而下，為拉納克提供了豐沛的水能資源。
在18世紀(jì)末，歐洲三大空想社會(huì)主義者羅伯特·歐文決定建設(shè)新拉納克的時(shí)候，水力仍是紡織機(jī)最主要的動(dòng)力來(lái)源，但這時(shí)，“蒸汽機(jī)”已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入到了他的視野。一開(kāi)始，蒸汽機(jī)只是水力機(jī)的輔助工具。1780年左右，理查德·阿克萊特在他曼徹斯特的工廠內(nèi)開(kāi)始使用紐康門(mén)的抽水機(jī) 。兩年后，一些英格蘭的紗廠主請(qǐng)求瓦特給他們提供一批蒸汽機(jī) 。當(dāng)時(shí)瓦特對(duì)待這批訂貨相當(dāng)冷淡。他在寫(xiě)給博爾頓的信中寫(xiě)道：“這些人寫(xiě)給我的信以及他們派到這里的人，使我懷疑他們的能力。如果你經(jīng)過(guò)曼徹斯特回來(lái)，請(qǐng)你不要尋找紗廠的訂貨，我聽(tīng)說(shuō)那么多的工廠設(shè)在北部水流的岸邊，這項(xiàng)工業(yè)不久就一定會(huì)過(guò)多了。我們會(huì)有徒勞無(wú)獲的風(fēng)險(xiǎn) 。”但僅僅兩年后，瓦特就不得不承認(rèn)：“當(dāng)工廠能對(duì)燃料的消費(fèi)量和成本做出抵償時(shí)，蒸汽機(jī)就一定能用于紗廠” 。[4]到了19世紀(jì)初期，蒸汽機(jī)不僅在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的英格蘭大行其道，就連在蘇格蘭也漸趨流行。這樣一來(lái)，僅憑水能為動(dòng)力的新拉納克棉紡廠在蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)的工廠面前變得毫無(wú)優(yōu)勢(shì)，從此一蹶不振。

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從這個(gè)案例中我們不難發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是蒸汽機(jī)的改良還是后期的推廣，其核心問(wèn)題并不是技術(shù)問(wèn)題，而是經(jīng)濟(jì)學(xué)問(wèn)題：發(fā)明蒸汽機(jī)固然不是一件容易的事，但在18世紀(jì)中后期，限制其發(fā)展的所有技術(shù)瓶頸其實(shí)都已經(jīng)解決。制約蒸汽機(jī)改良和推廣的，已經(jīng)不再單純是技術(shù)因素，而是成本與產(chǎn)出的關(guān)系。
當(dāng)外部的經(jīng)濟(jì)環(huán)境發(fā)生改變，新技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上的應(yīng)用價(jià)值對(duì)傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)造成沖擊時(shí)，新技術(shù)和新設(shè)備推廣的臨界點(diǎn)就已經(jīng)到來(lái) 。這就像一顆火星一樣，點(diǎn)燃了技術(shù)革命的引擎，從而帶動(dòng)了蒸汽機(jī)時(shí)代的到來(lái) 。
因此，蒸汽機(jī)的問(wèn)世，與其說(shuō)是一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，不如說(shuō)是一個(gè)經(jīng)濟(jì)學(xué)問(wèn)題。從這個(gè)角度看，推動(dòng)蒸汽機(jī)發(fā)展的“燃料”不是煤炭，而是資本。

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參考文獻(xiàn)：
1.[美]安德魯·卡內(nèi)基：《瓦特傳：工業(yè)革命的旗手》，南昌：江西教育出版社，2012年
2.[英]歐內(nèi)斯特?莫斯納、伊恩·辛普森·羅斯編：《亞當(dāng)·斯密通信集》，林國(guó)夫、吳良健等譯,北京：商務(wù)印書(shū)館，2012年
3.[法]保爾·芒圖：《十八世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命》，北京：商務(wù)印書(shū)館，2016年版
4.金志霖：《英國(guó)行會(huì)史》，上海社會(huì)科學(xué)出版社，1996年版

注釋：
[1][美]安德魯·卡內(nèi)基：《瓦特傳：工業(yè)革命的旗手》，第41頁(yè) 。
[2][法]保爾·芒圖：《十八世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命》，第287頁(yè) 。
[3][美]安德魯·卡內(nèi)基：《瓦特傳：工業(yè)革命的旗手》，第45頁(yè) 。
[4] [法]保爾·芒圖：《十八世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命》，第298-299頁(yè) 。