蒸汽机的发明和普遍使用,给人们的生活带来了哪些方便?

蒸汽机的发明和普遍使用,给人们的生活带来了哪些方便?
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世界上第一台蒸汽机是由古希腊数学家亚历山大港的希罗（Hero of Alexandria）于1世纪发明的汽转球（Aeolipile）,不过它只不过是一个玩具而已. 约1679年法国物理学家丹尼斯·巴本在观察蒸汽逃离他的高压锅后制造了第一台蒸汽机的工作模型.约与此同时萨缪尔·莫兰也提出了蒸汽机
　　[詹姆斯·瓦特]
　　詹姆斯·瓦特
　　的主意.1698年托马斯·塞维利、1712年托马斯·纽科门和1769年詹姆斯·瓦特制造了早期的工业蒸汽机,他们对蒸汽机的发展都做出了自己的贡献.1807年罗伯特·富尔顿第一个成功地用蒸汽机来驱动轮船.瓦特并不是蒸汽机的发明者,在他之前,早就出现了蒸汽机,即纽科门蒸汽机,但它的耗煤量大、效率低.瓦特运用科学理论,逐渐发现了这种蒸汽机的毛病所在.从1765年到1790年,他进行了一系列发明,比如分离式冷凝器、汽缸外设置绝热层、用油润滑活塞、行星式齿轮、平行运动连杆机构、离心式调速器、节气阀、压力计等等,使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的3倍多,最终发明出了现代意义上的蒸汽机.
　　16世纪末到17世纪后期,英国的采矿业,特别是煤矿,已发展到相当的规模,单靠人力、畜力已难以满足排除矿井地下水的要求,而现场又有丰富而廉价的煤作为燃料.现实的需要促使许多人,如英国的帕潘、萨弗里、纽科门等就致力于“以火力提水”的探索和试验.
　　最初的真空蒸汽机被用来将矿井里的水抽出来.纽科门的蒸汽机将蒸汽引入气缸后阀门被关闭,然后冷水被撒入汽缸,蒸汽凝结时造成真空.活塞另一面的空气压力推动活塞.在矿井中联结一根深入竖井的杆来驱动一个泵.蒸汽机活塞的运动通过这根杆传到泵的活塞来将水抽到井外.
　　第一个巨大的改善是将气缸与凝结缸通过一个阀门分开.瓦特在伯明翰发明了这个改进.这个改进提高了蒸汽机的效率.下一个改进是将阀门的操作自动化.
　　这些早期的真空蒸汽机的效率有限,但它们比较安全,因为它们的压力比较低,在物质发生损坏的情况下机器向内收缩,而不是向外爆炸.它们的效率受外部气压、气缸变形、燃烧和沸腾的效率和凝结能力的限制.理论最高效率受水在普通大气压下比较低的沸腾温度限制.使用高温高压的蒸汽为蒸汽机的效率带来了巨大的提高.但这种蒸汽机比真空蒸汽机危险得多.锅炉和机器的爆炸造成了许多大事故.安全阀在这里带来了很大的改进,在压力过高的情况下安全阀放气减压.但真正保证安全只有依靠建造、运行和维护的经验和安全规则.
　　萨弗里制成的世界上第一台实用的蒸汽提水机,在1698年取得标名为“矿工之友”的英国专利.他将一个蛋形容器先充满蒸汽,然后关闭进汽阀,在容器外喷淋冷水使容器内蒸汽冷凝而形成真空.打开进水阀,矿井底的水受大气压力作用经进水管吸入容器中；关闭进水阀,重开进汽阀,靠蒸汽压力将容器中的水经排水阀压出.待容器中的水被排空而充满蒸汽时,关闭进汽阀和排水阀,重新喷水使蒸汽冷凝.如此反复循环,用两个蛋形容器交替工作,可连续排水.
　　萨弗里的提水机依靠真空的吸力汲水,汲水深度不能超过六米.为了从几十米深的矿井汲水,须将提水机装在矿井深处,用较高的蒸汽压力才能将水压到地面上,这在当时无疑是困难而又危险的.
　　纽可门及其助手卡利在1705年发明了大气式蒸汽机,用以驱动独立的提水泵,被称为纽科门大气式蒸汽机.这种蒸汽机先在英国,后来在欧洲大陆得到迅速推广,它的改型产品直到19世纪初还在制造.纽科门大气式蒸汽机的热效率很低,这主要是由于蒸汽进入汽缸时,在刚被水冷却过的汽缸壁上冷凝而损失掉大量热量,只在煤价低廉的产煤区才得到推广.
　　[蒸汽机火车头]
　　蒸汽机火车头
　　1764年,英国的仪器修理工詹姆斯·瓦特为格拉斯哥大学修理纽可门蒸汽机模型时,注意到了这一缺点,并于1765年发明了设有与汽缸壁分开的凝汽器的蒸汽机,并于1769年取得了英国的专利.初期的瓦特蒸汽机仍用平衡杠杆和拉杆机构来驱动提水泵,为了从凝汽器中抽除凝结水和空气,瓦特装设了抽气泵.他还在汽缸外壁加装夹层,用蒸汽加热汽缸壁,以减少冷凝损失.
　　瓦特的创造性工作使蒸汽机迅速地发展,他使原来只能提水的机械,成为了可以普遍应用的蒸汽机,并使蒸汽机的热效率成倍提高,煤耗大大下降.因此瓦特是蒸汽机的改良者.
　　自18世纪晚期起,蒸汽机不仅在采矿业中得到广泛应用,在冶炼、纺织、机器制造等行业中也都获得迅速推广.它使英国的纺织品产量在20多年内(从1766年到1789年)增长了5倍,为市场提供了大量消费商品,加速了资金的积累,并对运输业提出了迫切要求.
　　在船舶上采用蒸汽机作为推进动力的实验始于1776年,经过不断改进,至1807年,美国的富尔顿制成了第一艘实用的明轮推进的蒸汽机船“克莱蒙”号.此后,蒸汽机在船舶上作为推进动力历百余年之久.
　　1800年,英国的特里维西克设计了可安装在较大车体上的高压蒸汽机.1803年,他把它用来推动在一条环形轨道上开动的机车,找来喜欢新奇玩意儿的人乘坐,向他们收费,这就是机车的雏型.英国的史蒂芬孙将机车不断改进,于1829年创造了“火箭”号蒸汽机车,该机车拖带一节载有30位乘客的车厢,时速达46公里/时,引起了各国的重视,开创了铁路时代.
　　19世纪末,随着电力应用的兴起,蒸汽机曾一度作为电站中的主要动力机械.1900年,美国纽约曾有单机功率达五兆瓦的蒸汽机电站.
　　蒸汽机的发展在20世纪初达到了顶峰.它具有恒扭矩、可变速、可逆转、运行可靠、制造和维修方便等优点,因此曾被广泛用于电站、工厂、机车和船舶等各个领域中,特别在军舰上成了当时唯一的原动机.
　　需要特别注意的是,许多教科书上（历史书、物理书）说瓦特是蒸汽机的发明者.这是误传.蒸汽机是英国人萨维利（Savery）于1698年、纽可门（Newcomen）于1705年各自独立发明的,用于矿井抽水.当时效率很低.1765年,瓦特在修理纽可门机的基础上,对蒸汽机做了重大改进,使冷凝器与汽缸分离,发明曲轴和齿轮传动以及离心调速器等,使蒸汽机实现了现代化,大大提高了蒸汽机的效率.瓦特的这些发明,仍使用在现代蒸汽机中,为纪念瓦特的贡献,功率的单位名称以其姓氏命名.（《物理学（第五版）》）