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                                        瓦特的水壺:神話與真實
                                        2018-05-18 閱讀次數:

                                          瓦特的“水壺”是一個耳熟能詳的“神話”故事,我們可能聽過這個故事的許多版本。大致上說的是:瓦特小時候就充滿好奇心,關注到水壺燒開水后水蒸氣頂起壺蓋的景象,開動腦筋,從此萌發了利用蒸汽動力的想法。
                                          這個故事顯然是虛構的。它至少有兩大漏洞:首先瓦特并不是蒸汽機的首創者,類似的引擎早就流行了幾十年天天彩票,瓦特不需要從水壺中重新發現蒸汽的力量天天彩票,而是針對現成的鈕可門蒸汽機進行微小改良。其次,瓦特和鈕可門的蒸汽機天天彩票,都不是利用蒸汽膨脹而頂出來的壓力,而是正相反,利用蒸汽冷凝之后“縮回去”的力,原理和蒸汽頂開壺蓋完全不同天天彩票。
                                          和牛頓的蘋果一樣天天彩票,瓦特與水壺的故事也是諸多科學史的虛構故事之一,基本套路無非是“好奇—觀察—靈感—發現”等等,突出的是科學家天賦異稟的創造力天天彩票。許多故事最初甚至是科學家本人或其親屬虛構出來的,目的是強調自己的“優先權”天天彩票。后人也確實或多或少地因為這些虛構的故事而產生誤會,忽略了那些創新的“肩膀”,仿佛那些發明都是源自對自然現象的直接把握天天彩票,憑空就創造出來了天天彩票。
                                          一只蘋果把胡克從萬有引力的發現史中抹掉了,而一只水壺也把鈕可門和薩弗里的蒸汽機掩蓋了天天彩票。事實上,牛頓也好,瓦特也罷,他們的工作都是在前人的肩膀上完成的天天彩票。
                                          利用蒸汽動力的技術,最早可以追溯到希臘化時期的希羅天天彩票,他記錄了一種“汽轉球”裝置,利用噴出蒸汽時的反作用力帶動一個空心銅球旋轉。類似的裝置在后來的阿拉伯世界還有人做過。這倒是更接近于“壺蓋”的原理了天天彩票。但是瓦特前后的蒸汽機并不是基于希羅的汽轉球發展而來的。
                                          17世紀初天天彩票,托里拆利、波義耳等人就揭示出“真空”的力量,著名的馬德堡半球實驗也發生于那段時期天天彩票。在17、18世紀,科學日益走向大眾。所謂的實驗科學,最初主要就是公共表演,而真空泵又是最具觀賞效果的儀器之一,所以說到了18世紀,在歐洲的知識階層對大氣壓力的認識應當已經是常識了。
                                          用各種方式利用大氣壓力的努力也一直就有,關鍵是如何制造真空的問題。真空泵是利用抽氣筒來制造真空,這本身需要消耗機械動力,再讓真空泵反過來提供動力顯然沒多大實用意義。而蒸汽的冷凝就是更好的制造真空的方法,讓蒸汽充滿容器之后使之冷凝,真空就形成了天天彩票,至于蒸汽的制造,消耗燃料就可以了。
                                          這種利用蒸汽把燃料轉化為動力的努力,薩弗里也不是第一個,只不過薩弗里的蒸汽泵于1698年取得專利,第一個成功實現商業化應用天天彩票,在煤礦用來抽水天天彩票,稍后的鈕可門蒸汽機增加了活塞,產生往復機械運動。
                                          瓦特的貢獻不是在如何制造蒸汽方面,而是在如何讓蒸汽冷凝。瓦特發明了獨立的冷凝缸,而不需要在汽缸內冷凝,因此汽缸可以始終是熱的,而冷凝缸始終是冷的,這樣大大減少了能量浪費天天彩票,把鈕可門蒸汽機的效率提升了3到4倍。
                                          總之,瓦特改良蒸汽機是站在前人的肩膀上,他的創新之處主要是設立了獨立的冷凝缸。因此,被蒸汽頂開的壺蓋無論從理論上還是實踐上都不能成為瓦特蒸汽機的源泉。
                                          但瓦特的工作是不是與水壺毫無關系呢天天彩票?也未必如此。
                                          事實上天天彩票,水壺故事不是晚近的發明,早在19世紀初,就已經有所傳播了。最早的版本應該是由瓦特的兒子小詹姆斯·瓦特轉述,據稱是由瓦特姨媽講述的。當然天天彩票,即便這個故事是由瓦特本人講述的天天彩票,也未必能證明它是真的。除了真偽問題,更值得注意的是這個故事在傳播過程中的版本變化。
                                          瓦特之子最初講述這個故事時天天彩票,按照他的理解做了訂正,他認為瓦特關注的不該是“蒸汽的力量”,而是“蒸汽的性質”。在水壺故事的另一個版本中,小瓦特并不是在觀察蒸汽頂開壺蓋天天彩票,而是拿著一支銀湯匙放在壺口附近,觀察蒸汽冷凝的現象。
                                          無論真相如何,這個冷凝版的故事似乎更加合理,因為這一興趣確實對應了瓦特最后對蒸汽機的改進(冷凝環節),同時,也與瓦特畢生的興趣更加吻合。
                                          除了儀器維修之外天天彩票,瓦特對理論科學也充滿興趣天天彩票,化學是他一貫的研究焦點,特別是關于水的成分的問題。瓦特對水和氣體有著長期的興趣,他曾經發表過兩篇理論科學方面的論文天天彩票,一篇是關于水的組成問題,另一篇則是討論“人造氣體的藥用價值”??茖W史家麥克萊倫認為天天彩票,這兩篇論文“都是用燃素化學來論述,與他的蒸汽技術毫無聯系”,但這種判斷顯然非常輕率,事實上天天彩票,燃素說固然錯誤天天彩票,但未嘗不能產生積極的啟發。我們可以合理地想象:瓦特對燃素化學的長期興趣,促使他密切關注水蒸氣的冷凝現象,最終才能夠想到在蒸汽機中通過改善冷凝而省熱這一關鍵環節天天彩票。
                                          除了燃素化學這一方面,“水壺”還標志著瓦特蒸汽機的另一個基礎,那就是“實驗”。那時候的蒸汽機都是非常巨大的,瓦特在研究和設計之初,并不能真正造出一架實際的蒸汽機再來“調試”,他是在實驗室里進行模擬實驗的。
                                          事實上,水壺正是瓦特進行水的化學實驗的關鍵儀器。有證據證明,瓦特的確在其實驗室中使用水壺作為產生水蒸氣的裝置。在1765年——也就是改進蒸汽機的那一年,瓦特的一頁手稿就清晰地繪制了一個小水壺。
                                          可見,“水壺”的確為瓦特的發明創造提供了某種啟發天天彩票,但卻與流行故事所講述的不大一樣。以現在的眼光來看,熱質說自然是錯誤的,瓦特的實驗數據恐怕也是錯誤的,但這些現在看來過時的過程,對瓦特的工作帶來的推動和激勵卻是真實的。

                                         

                                         

                                        作者:胡翌霖 文章來源:科技日報
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