工业革命—正传:10.两遇贵人
上文书讲到,瓦特对蒸汽动力非常感兴趣,但是自己鼓捣了很久也没有成功。但是他这段瞎鼓捣的经历不是没用的。这段经历使得他对于蒸汽的特性有了非常深入的了解。格拉斯哥大学有一台纽可门的蒸汽机。但是坏了,送到伦敦去修理。但是修了半天也没修好。瓦特自告奋勇,拍胸脯打包票能把这台机器修好。
格拉斯哥大学
瓦特把机器拉回格拉斯哥大学,这个机器不算太大。气缸的直径两英寸,换算成公制大约5公分,活塞行程大约6英寸,换成公制大约是15公分。瓦特就开始鼓捣这玩意儿。说白了不是一个实用的蒸汽机,是个教学模型。瓦特发现这个机器的效率低的可怜,烧一锅水运行不了多久就不动了。
蒸汽机模型
瓦特开始思考,到底蒸汽的力量都消耗到哪里去了。他自己搞了个水壶做实验,他就是想了解一下,到底蒸汽的温度和体积到底能有什么样的关系。他发现,把水烧成蒸汽,体积扩大了6倍。这都是在标准大气压下测试的。那时候热力学还在萌芽状态,很多东西都没有现成的公式和单位,瓦特全靠自己鼓捣。他假定,1克水从0度加热到开锅,需要的热量为100单位。他发现1克100度的水变成100度的蒸汽,需要534单位的热量。现代测量的数值是537,瓦特的测试有误差,但是大差不差了。瓦特最奇怪的是温度完全没变化,蒸汽是100度,水也是100度。为什么那么多的热量并没有使温度提高呢?瓦特理解不了。
瓦特去求教了他的朋友布莱克教授。布莱克教授也发现了这个现象,他管这个现象叫“潜热”。(现代热力学里面已经不常用这个词了,现在用的是“相变焓”)。所以布莱克教授就告诉瓦特,水变成蒸汽的过程里,要额外的热量,因为涉及状态的变化。布莱克当然很高兴,他的理论如果对瓦特有用,能对蒸汽机有用,他当然很高兴嘛,这也算理论联系实际。
瓦特明白了这个道理,他也就明白了纽可门蒸汽机的问题出在哪里。我们再来回顾一下纽可门蒸汽机的工作原理。先在下边烧一锅水,上边架个气缸,里边放个活塞。纽可门最原始的版本,阀门都是靠人手动控制的。后来经过不断改进才变成了自动的。打开锅炉阀门,蒸汽冲进气缸。蒸汽压力不大,比大气压稍稍大一点罢了。活塞被顶起来了,这个过程,蒸汽机不做功。关闭锅炉的阀门。打开冷水阀门,冷水冲进气缸。蒸汽冷凝,体积急剧缩小。内部形成负压,大气压把活塞压回气缸底部。可以说活塞是被吸回来的。这个过程中是做功发力的。因此和我们想象的完全相反。纽可门蒸汽机不是靠蒸汽的膨胀来做功的,相反是利用冷凝收缩来做功的。因此这东西不需要承受高压,比较安全。
瓦特差点把鼻子气歪了,因为蒸汽冲进气缸,气缸好不容易热起来了,一喷冷水,气缸全凉了。冷热交替的过程里不知道要损失多少热量。不管怎么调整进气和注水的过程都没办法弥补。但是瓦特一时半会儿也没有办法,因为不把气缸冷下来,蒸汽就无法凝结,当然也就不会形成负压。
1765年的5月份的一天,天气不错,瓦特吃饱了饭在河边草地上散步。苏格兰严格规定,星期天不许工作。因此瓦特难得的可以休息一下。他脑子当然停不下来。他突然灵光一闪,想到一个办法,那就是设立一个独立的冷凝器。气缸里的蒸汽为什么要在气缸里冷凝呢?干脆排放到另外一个冷凝器里面去冷凝算了。这样的话,就实现了分工,气缸一直是热的,冷凝器一直是冷的。蒸汽反正是流体,为什么要在一个地方待着呢?
几种蒸汽机的比较
瓦特开始了新的实验,分离式冷凝器能不能试验成功呢?他自己心里也没底。他做了一个小模型,这个小模型的确是可以运行的,但是因为冷凝器太小了,很快温度就上去了没法有效冷凝蒸汽,所以这个小模型运行了几圈以后也就停了。但是这至少证明原理可行,瓦特很受鼓舞,他就开始玩命研究冷凝器。
瓦特的实验也引起了很多教授的关注。不管是不是研究物理学或者机械的。即便是研究文科的教授也喜欢到这里来看看瓦特的工作。一个道德哲学教授偶尔也到瓦特这里来溜达,时不时还聊两句。可能他们万万也想不到,日后他们两个人的塑像将会并列矗立在格拉斯哥大学的校园里。这位教授的名字叫亚当·斯密。他写的《国富论》,其伟大意义怎么评价都是不为过的。亚当·斯密和瓦特都是苏格兰人,也算是老乡吧。日后苏格兰还将贡献一位擎天白玉柱,架海紫金梁,他叫麦克斯韦,这是后话,此处按下不表。
就在瓦特鼓捣蒸汽机的时代,那个钟表匠哈里森也在研究他的航海钟。他要把计时精度提高到过去不敢想象的程度。瓦特自己也是个优秀的仪器工匠。在当时,能工巧匠是一个新崛起的阶层,他们手艺精湛。而且他们也获得了科学界的认可。他们个个都把技术诀窍当做祖传秘方,轻易不告诉别人。他们鼓捣的都是桌面上小型化的精巧仪器。与工厂里傻大黑粗的生产设备完全不是一码事。工厂里的那些工程师虽然也挂名叫工程师,听着还挺好听。说白了就是些打铁的铁匠。大型机器的加工精度是很差的。把那些傻大黑粗的机器和精巧的实验仪器摆在一起,你很难相信这是同一个时代的产品。
瓦特虽然自己做的模型还工作的不错。但是当他要生产大型化的实用化的蒸汽机的时候,他发现自己力不从心,找好的工匠需要花钱。自己要攻克一系列的技术难题也还需要资金支持。当时瓦特遇到的一个很大的问题就是气缸活塞到处漏气,阀门也不过关,加工精度太低,难免跑冒滴漏。我们提到工业革命,总是想到煤炭、钢铁。好像有了这些就可以造蒸汽机了。其实大家忽略了另一个战略性的材料,这种材料叫做“橡胶”。在没有橡胶的年代,解决漏气的问题都是一件让人头痛不已的大难题。研读技术史,我们会发现,一个技术的广泛应用,一定是各方各面的条件全都凑齐了才行。条件凑不齐,再天才的想法也都是空中楼阁。因为你根本造不出来嘛。
还有一个大问题,那就是钱,工业革命绝不是发明家工程师单打独斗就能搞定的,没钱是万万不能的。瓦特需要寻找投资人。他急切需要一位头顶光环,背后扇着翅膀的天使投资人来到身边。
罗巴克
很快,他就碰上了一生中第一位贵人。布莱克教授介绍了一位朋友给瓦特,这人就是号称苏格兰工业革命之父的罗巴克。人家是一位大企业家,而且还有博士头衔呢。罗巴克一开始是学医的,后来自己开业行医。不过他的主要兴趣点是在化工上。当时化工产业也开始兴起了。罗巴克开办的第一家企业是生产硫酸的化工厂。后来又开了一家更大的硫酸厂,赚了不少钱。后来从伯明翰迁到了苏格兰,跟人一起开钢铁厂。选来选去找了一个风水宝地,就在卡伦河畔建了这个厂。工业需要的水源、铁砂、石灰、焦炭全都不缺。
卡伦炼铁厂生产的大炮
第一座高炉于1760年元旦开炉。他们第一年里炼出了 1500 吨铁,后来又有几座高炉建成投入生产,产量稳步增长。由于苏格兰的铁砂特别适合炼铁,所以实际上这一产量全部都是铸铁,卡伦炼铁厂后来以铸造大炮而驰名,尤其是专门制造的大口径短炮,在1779 年同法国舰队的战斗中,这种炮是大显神威啊。
罗巴克的下一个步骤,是要租借汉密尔顿公爵在博尼斯附近的一块地。他就在这块地上安了家,他看中的是地下的煤炭。别看这个罗巴克生意越做越大,每次投资都赚的盆满钵满,这次彻底栽了。这地方底下有煤倒是不假,可惜地下水太多了。矿井挖下去,水咕嘟咕嘟的冒出来了,连最大功率的纽可门蒸汽机都甘拜下风。所以这个罗巴克听说了瓦特在研究蒸汽机的时候,他很有兴趣。
罗巴克和瓦特成了合伙人。罗巴克占了2/3的股份,他是投资人。1769年,瓦特拿到了第一个专利,也就是分离冷凝器的专利。罗巴克不是有家钢铁厂吗,瓦特到他的工厂去了一趟,看看这个工厂能不能在气缸和活塞的制造方面能够有个突破。可惜这个厂最好的产品也都是不合格的。没办法达到瓦特的要求。瓦特最头痛的就是气缸活塞漏气,阀门也漏气。
有一次出差去伦敦,路过伯明翰,见到了达尔文的爷爷,也就是伊拉兹马斯·达尔文。双方以前如故,后来经常还通信。估计就是这一次,他和伯明翰月亮会的人接上了关系,他进了人家的朋友圈了。
后来罗巴克经商失败,赔的倾家荡产。当然也就没有能力继续资助瓦特了。瓦特为了维持生计,到运河上去当测量员。改进蒸汽机的工作,那也就暂时搁下了。如果没有后来的机缘巧合,瓦特可能也就是老婆孩子热炕头,老老实实当个运河测量员。也许以瓦特的才华,他会在这个领域内有所成就。但是历史就是垂青瓦特,他运气真是好啊。他遇到了一生里最重要的一个贵人,此人就是马修·博尔顿。
博尔顿和瓦特被印在了钞票上
博尔顿是伯明翰的大企业家。也是月光社的成员,他家就是月光社的聚会地点嘛。瓦特路过伯明翰的时候去了他的工厂参观,可惜没见到这个人。当时马修·博尔顿不在家。马修·博尔顿拥有一家大型工厂,当时建厂就花了两万英镑,雇佣的工人就达到了1000人。当时在伯明翰都算是首屈一指了。以当时英国的地位,这个厂很可能是全世界首屈一指的厂家。
那博尔顿生产啥呢?一方面是傻大黑粗的钢铁煤炭之类的,另一方是小五金,金属纽扣啊、装饰品啦镀金的盘子啦,伯明翰就是靠钢铁和小五金发家的。曼彻斯特的纺织业,伯明翰的钢铁工业都是出了名的。
博尔顿也有烦心事儿,他的工厂是建立在河边的,全靠水轮机当做动力。水轮机就是工业的原动机,通过皮带齿轮传动到各个加工机械上。每年夏天霍克利的溪流水位很低的时候,他的工厂就停滞了。博尔顿最头痛的就是这事儿。他不得不依靠马拉抽水机,人工拉高水位来维持生产。大家也知道,马拉效率很低,没多久马就累得不行了,必须停下来休息吃东西。1766年,他打算安装一台纽可门蒸汽机来抽水。后来从朋友嘴里听到了瓦特的事儿,他当然非常感兴趣。他认准了,瓦特的想法是能成功的。
后来博尔顿见到了瓦特,带着他参观自己的工厂。瓦特简直着了迷,这座工厂的工艺水平让瓦特非常惊喜。简直是一切工艺条件都具备了。博尔顿打算和瓦特合作。但是瓦特和罗巴克是有协议的。博尔顿说这好办啊,罗巴克不是破产了嘛。现在正穷着呢,博尔顿找到罗巴克,收购了他所拥有的股份。这不就皆大欢喜嘛。
威尔金森的镗床
博尔顿对蒸汽机非常痴迷,对瓦特是无条件支持。没有博尔顿也就没有瓦特最后的成功。而且博尔顿很有商业头脑,先是为一座煤矿建造了一台50英寸气缸的蒸汽机。后来又帮一个铁器制造商威尔金森建造了一台30英寸的蒸汽机。巧了,威尔金森在1774年发明了一种镗床,专门用来生产高精度的炮管。刚好能满足瓦特对于气缸的加工精度要求。瓦特这两台蒸汽机大获成功,耗煤量不到其他蒸汽机的三分之一。
当瓦特蒸汽机的耗煤量下降到了这个程度,原本用蒸汽机不划算的矿山就已经变得划算了。要知道很多金属矿山也需要抽水啊,但是他们那里又不见得产煤。因此用老版本的纽可门蒸汽机来抽水是不合算的。可是换用瓦特的蒸汽机,这些矿山就变得合算了。瓦特的蒸汽机恰好跨过了一个门槛,打开了一个新的市场。
最近博尔顿收到了一大堆来自于康沃尔郡的订单。因为康沃尔郡就属于缺少煤炭的地区。博尔顿创新性的提出了一种收费模式,咱们不仅仅要收蒸汽机的钱,咱们还要收专利费,毕竟瓦特的蒸汽机是有独家专利的。相对于纽可门蒸汽机,瓦特的蒸汽机能省下很多煤,少花很多钱啊。咱们就按照节省量取一定的比例来收钱。说白了博尔顿要收月租费。
博尔顿的这个行为造成了他完全想不到的后果,康沃尔地区不但是盗版蒸汽机横行,还逼出了世界上第一台火车头。咱们下回再说……