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瓦特的水壶:神话与真实

作者:- 文章来源:- 点击数: 更新时间:2018年09月10日

  瓦特的“水壶”是一个耳熟能详的“神话”故事,我们可能听过这个故事的许多版本。大致上说的是:瓦特小时候就充满好奇心,关注到水壶烧开水后水蒸气顶起壶盖的景象,开动脑筋,从此萌发了利用蒸汽动力的想法。
  这个故事显然是虚构的。它至少有两大漏洞:首先瓦特并不是蒸汽机的首创者,类似的引擎早就流行了几十年,瓦特不需要从水壶中重新发现蒸汽的力量,而是针对现成的钮可门蒸汽机进行微小改良。其次,瓦特和钮可门的蒸汽机,都不是利用蒸汽膨胀而顶出来的压力,而是正相反,利用蒸汽冷凝之后“缩回去”的力,原理和蒸汽顶开壶盖完全不同。
  和牛顿的苹果一样,瓦特与水壶的故事也是诸多科学史的虚构故事之一,基本套路无非是“好奇—观察—灵感—发现”等等,突出的是科学家天赋异禀的创造力。许多故事最初甚至是科学家本人或其亲属虚构出来的,目的是强调自己的“优先权”。后人也确实或多或少地因为这些虚构的故事而产生误会,忽略了那些创新的“肩膀”,仿佛那些发明都是源自对自然现象的直接把握,凭空就创造出来了。
  一只苹果把胡克从万有引力的发现史中抹掉了,而一只水壶也把钮可门和萨弗里的蒸汽机掩盖了。事实上,牛顿也好,瓦特也罢,他们的工作都是在前人的肩膀上完成的。
  利用蒸汽动力的技术,最早可以追溯到希腊化时期的希罗,他记录了一种“汽转球”装置,利用喷出蒸汽时的反作用力带动一个空心铜球旋转。类似的装置在后来的阿拉伯世界还有人做过。这倒是更接近于“壶盖”的原理了。但是瓦特前后的蒸汽机并不是基于希罗的汽转球发展而来的。
  17世纪初,托里拆利、波义耳等人就揭示出“真空”的力量,著名的马德堡半球实验也发生于那段时期。在17、18世纪,科学日益走向大众。所谓的实验科学,最初主要就是公共表演,而真空泵又是最具观赏效果的仪器之一,所以说到了18世纪,在欧洲的知识阶层对大气压力的认识应当已经是常识了。
  用各种方式利用大气压力的努力也一直就有,关键是如何制造真空的问题。真空泵是利用抽气筒来制造真空,这本身需要消耗机械动力,再让真空泵反过来提供动力显然没多大实用意义。而蒸汽的冷凝就是更好的制造真空的方法,让蒸汽充满容器之后使之冷凝,真空就形成了,至于蒸汽的制造,消耗燃料就可以了。
  这种利用蒸汽把燃料转化为动力的努力,萨弗里也不是第一个,只不过萨弗里的蒸汽泵于1698年取得专利,第一个成功实现商业化应用,在煤矿用来抽水,稍后的钮可门蒸汽机增加了活塞,产生往复机械运动。
  瓦特的贡献不是在如何制造蒸汽方面,而是在如何让蒸汽冷凝。瓦特发明了独立的冷凝缸,而不需要在汽缸内冷凝,因此汽缸可以始终是热的,而冷凝缸始终是冷的,这样大大减少了能量浪费,把钮可门蒸汽机的效率提升了3到4倍。
  总之,瓦特改良蒸汽机是站在前人的肩膀上,他的创新之处主要是设立了独立的冷凝缸。因此,被蒸汽顶开的壶盖无论从理论上还是实践上都不能成为瓦特蒸汽机的源泉。
  但瓦特的工作是不是与水壶毫无关系呢?也未必如此。
  事实上,水壶故事不是晚近的发明,早在19世纪初,就已经有所传播了。最早的版本应该是由瓦特的儿子小詹姆斯·瓦特转述,据称是由瓦特姨妈讲述的。当然,即便这个故事是由瓦特本人讲述的,也未必能证明它是真的。除了真伪问题,更值得注意的是这个故事在传播过程中的版本变化。
  瓦特之子最初讲述这个故事时,按照他的理解做了订正,他认为瓦特关注的不该是“蒸汽的力量”,而是“蒸汽的性质”。在水壶故事的另一个版本中,小瓦特并不是在观察蒸汽顶开壶盖,而是拿着一支银汤匙放在壶口附近,观察蒸汽冷凝的现象。
  无论真相如何,这个冷凝版的故事似乎更加合理,因为这一兴趣确实对应了瓦特最后对蒸汽机的改进(冷凝环节),同时,也与瓦特毕生的兴趣更加吻合。
  除了仪器维修之外,瓦特对理论科学也充满兴趣,化学是他一贯的研究焦点,特别是关于水的成分的问题。瓦特对水和气体有着长期的兴趣,他曾经发表过两篇理论科学方面的论文,一篇是关于水的组成问题,另一篇则是讨论“人造气体的药用价值”。科学史家麦克莱伦认为,这两篇论文“都是用燃素化学来论述,与他的蒸汽技术毫无联系”,但这种判断显然非常轻率,事实上,燃素说固然错误,但未尝不能产生积极的启发。我们可以合理地想象:瓦特对燃素化学的长期兴趣,促使他密切关注水蒸气的冷凝现象,最终才能够想到在蒸汽机中通过改善冷凝而省热这一关键环节。
  除了燃素化学这一方面,“水壶”还标志着瓦特蒸汽机的另一个基础,那就是“实验”。那时候的蒸汽机都是非常巨大的,瓦特在研究和设计之初,并不能真正造出一架实际的蒸汽机再来“调试”,他是在实验室里进行模拟实验的。
  事实上,水壶正是瓦特进行水的化学实验的关键仪器。有证据证明,瓦特的确在其实验室中使用水壶作为产生水蒸气的装置。在1765年——也就是改进蒸汽机的那一年,瓦特的一页手稿就清晰地绘制了一个小水壶。
  可见,“水壶”的确为瓦特的发明创造提供了某种启发,但却与流行故事所讲述的不大一样。以现在的眼光来看,热质说自然是错误的,瓦特的实验数据恐怕也是错误的,但这些现在看来过时的过程,对瓦特的工作带来的推动和激励却是真实的。

作者:胡翌霖 文章来源:科技日报

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