英國工業革命中的蒸汽機

文章

Mark Cartwright
翻译,由晚生姓高翻译
发表于 08 February 2023
其他语言版本: 英语, 法语, 西班牙语, 土耳其语
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蒸汽動力是英國工業革命(1760-1840)最重要的發展之一。 泵最初是在 1690 年代發明的,許多發明家對設計進行調整,對機械進行修補,直到一種高效、強大的替代動力、水力和風力的替代品吸引了商業用戶。 整個 19 世紀,蒸汽機徹底改變了工業和旅遊業,帶來了同樣的好處和挑戰。

James Watt Working on the Steam Engine
詹姆斯·瓦特正在研究蒸汽機
Welcome Images (CC BY)

利用蒸汽動力

在工業革命之前,大型機器由水輪、動物或人類提供動力。 這三者都相對昂貴(至少在英國)。 這些動力源運行良好,其中水輪效果最好,但水源的必要是個限制。 水輪在寒冷下,也可能發生故障。 尤其是一個行業,需要一種新技術,才能表現得更好。 這是煤礦開採。 煤炭開採一直受到限制:礦井越深,湧入的地下水就越多,阻礙了開採。 需要的是一個強大的機器泵。 到 1700 年,英國生產了歐洲 80% 的煤炭。 煤礦是一項大生意,正是這一事實,促使投資者和發明家尋找一種廉價的解決方案,來解決淹沒的礦井,以便開採更多的煤炭。 這就是為什麼蒸汽機,雖然採用,歐洲科學家的理論,但卻是在英國發明。

到 1907 年,英國已有超過 950 萬台蒸汽動力機器。

托馬斯·薩弗里(Thomas Savery,約 1650-1715 年)首次將蒸汽動力用於泵,並於 1698 年獲得專利,但其功率有限。 第一個重要原理,是熱水產生的蒸汽量是其 1500 倍。 當蒸汽冷卻並凝結成水時,體積會急劇減小並形成部分真空。 真空產生吸力,可以用來吸入水。 用科學術語來說,人們發現外部大氣的重量及其比機器中的真空更高的壓力會產生一種能量,可以用來將物體從一個地方移動到另一個地方。

伽利略(1564-1642)和伊万傑利斯塔·托里拆利(1608-1647)等科學家,在17 世紀就知道了真空和大氣壓力的原理,但問題是建造一個足夠堅固,以抵抗所涉及壓力的發動機裝置。 如果可以利用並增加壓力,它就可以用來吸入活塞,而不僅僅是像薩弗里的蒸汽泵那樣吸入水。 活塞進入真空的向下運動是一個動力衝程,可用於提升槓桿梁。 就像蹺蹺板一樣,活塞下降,連接的橫樑上升。 然後上升的橫梁可以舉起另一台機器。 當使用閥門釋放蒸汽來清空真空罐時,梁由於重力而回落到其自然位置,因此活塞被從真空罐中拉回,準備重複循環。

Newcomen Steam Engine Diagram
紐科門蒸汽機圖
Emoscopes (CC BY-SA)

1710 年,達特茅斯的鐵匠托馬斯·紐科門(Thomas Newcomen,1664-1729) 通過調整薩弗里的設計,找到了前進的道路,從本質上提高了冷凝過程的速度(通過注入冷水),從而提高了功率。 另一個關鍵創新是,沒有使用直活塞桿(如果稍微彎曲就很容易卡住),而是使用了鏈條。 紐科門的蒸汽機泵於 1712 年,首次在中部達德利的煤礦中使用。該機器每小時可從 153 英尺(46.6 米)深的礦井中吸出 5,000 加侖(22.7 千升)的水。 紐科門的“常壓發動機”在加熱所需的煤炭方面效率不高,但由於它在煤礦中運行,這不是問題。 要想在其他地方使用這樣的機器,並且價格又不至於過高,則需要進行更多的工程調整。

蒸汽機比以前更強大,但使用的燃料更少,運行成本也更低,幾乎可以在任何地方使用。

早期蒸汽機的效率,在蘇格蘭儀器製造商詹姆斯·瓦特(James Watt,1736-1819)的幫助下於 1769 年和 1778 年在馬修·博爾頓(Matthew Boulton,1728-1809)的幫助下提高。 瓦特將機器的熱部件和冷部件分開,這些部件會干擾冷凝作用的效率。 因此,他的機器通常被稱為分離式冷凝器。 瓦特還確保蒸汽在真空,將活塞拉入的同時,將活塞向下推動,從而增加功率(以“馬力”為單位測量,這是瓦特創造的術語)。 瓦特隨後求助於大砲製造專家,約翰·威爾金森和威廉·威爾金森的技藝。 威爾金森男孩可以為瓦特的蒸汽機,提供更好的鐵零件,這確保了很少有蒸汽從活塞機構中意外逸出。 瓦特繼續修補他的機器,直到他的蒸汽機只消耗,紐科門蒸汽機四分之一的煤炭。 現在蒸汽泵可以用於煤炭昂貴的錫礦和銅礦。

蒸汽機不斷發展。 一個重要的改進是膨脹發動機,它在蒸汽完全膨脹之前,基本上關閉了熱源,使膨脹自然繼續,從而節省燃料。 使用閥門控制蒸汽膨脹,又向前邁出了一步。 更好的是設計使動力衝程,成為圓形運動(旋轉運動),它可以為飛輪提供動力,比直桿或鏈條更通用,也更穩定。 隨著材料的發展,和其他設計師的投入(他們經常分享他們的發現),到 1800 年,僅利用過程中的蒸汽部分,而不必擔心冷凝部分成為可能。 蒸汽機比以前更強大,但使用的燃料更少,運行成本也便宜得多,現在幾乎可以在任何地方使用。

A Rotary Motion Steam Engine Model
旋轉運動蒸汽機模型
Tamorlan (Public Domain)

蒸汽機有各種尺寸,現在是一種極其複雜的機械。 在工業革命的奇特互助中,機器被用來改進其他機器,以便蒸汽機為切割和金屬加工機器提供動力,以生產出更好、更強的零件,零件可用於未來的蒸汽機。 到 1800 年,英國擁有超過 2,500 台蒸汽機,其中大部分用於礦山、棉紡廠和製造工廠。 這些發動機以煤炭為燃料,由於它們的成功,煤炭開採蓬勃發展。 蒸汽機現在也被用於,其他歐洲國家的煤礦,特別是比利時、法國、德國和荷蘭。

整個 19 世紀,機器無處不在,這意味著每天,與機器一起工作的人們,需要不斷改進。 例如,1845 年,William McNaught 大大增加了他的機器的壓力和功率。 這種演變最終,在第一台蒸汽渦輪機中達到頂峰,它將能量轉化為帶有薄葉片的輪子,就像一個巨大的風扇。 它由 Charles Parsons(1854-1931)於 1884 年發明,他用它為 Turbina 船提供動力,使其達到 34.5 節的驚人速度。 到 1907 年,英國已有超過 950 萬台蒸汽動力機器。 這是在內燃機和電力,成為主要動力源之前蒸汽機發展的終結。 然而,在整個 19 世紀,蒸汽動力已經從煤礦,走出了很長一段路,並在各個主要工業中,得到了廣泛的應用。

蒸汽火車

英國的運河系統,長期以來,一直是將貨物從一地,運輸到另一地,的最佳方式,但他們的地位,即將受到一種更便宜、更快捷的替代方案的挑戰:鐵路。 1801 年,理查德·特雷維希克 (Richard Trevithick,1771-1833) 在開發高壓蒸汽機(低壓發動機根本不具備驅動車輛所需的動力)後,發明了第一輛蒸汽動力公路車輛。 他的機器非常好,但由於道路質量差,而令人失望。 1803年,特雷維西克發明了第一台蒸汽鐵路機車,可以在自己專門建造的軌道上運行。 1825 年 9 月 27 日,喬治·史蒂芬森 (George Stephenson,1781-1848) 發明的 Locomotion 1 號列車,將第一批鐵路乘客,從斯托克頓運送到,英格蘭東北部的達靈頓。 1829 年,喬治·史蒂芬森的兒子羅伯特·史蒂芬森 (1803-1859) 創造了火箭,並參加了雷恩希爾試驗賽。 試驗賽旨在尋找最適合用於 1830 年開通,的連接曼徹斯特和利物浦的新鐵路線的機車。1838 年,伯明翰與倫敦相連;1838 年,伯明翰與倫敦連接起來。 1841年,乘客可以乘坐火車從首都前往布里斯托爾。 鐵路蓬勃發展。

Stephenson's Rocket
史蒂芬森的火箭
National Railway Museum, UK (CC BY)

鐵軌在英國迅速傳播,這種現像被稱為“鐵路狂熱”。 到 1870 年,鐵路線已超過 15,000 英里(24,000 公里)。 對於許多目的地來說,乘客不再需要乘坐緩慢且不舒服的馬車,而馬車以前是長途旅行,的唯一交通工具。 速度和舒適,現在是旅行者的期望。

蒸汽動力船

蒸汽和運輸似乎是天生一對。 船舶設計是蒸汽機出現,帶來革命性變化的另一個領域,但存在一個根本問題。 由於蒸汽機需要大量的煤炭和純淨淡水(不會損壞機構)才能運行,任何使用蒸汽驅動明輪,提供動力的船舶,都需要將其大部分負載能力,用於這些必需品。 由於這些原因,早期的蒸汽動力船往往是小型船隻,僅限於短途旅行,通常沿著河流。 長途蒸汽船需要更高效的發動機,因此工程師們開始工作。 再一次,需求推動了發明。 新的蒸汽機現在捕獲廢棄的廢蒸汽,並包括多個活塞或曲柄。 功率和效率的提高,意味著需要更少的燃料,帆船的主導地位,最終可能受到挑戰。

第一艘蒸汽動力渡輪是 Hibernia,它在威爾士霍利黑德和愛爾蘭都柏林之間運送乘客。 其他國家也同時開發了蒸汽動力船舶,特別是在美國,從 1811 年開始沿著俄亥俄河和密西西比河航行。更大的船舶出現,甚至橫渡大西洋,但發動機和煤炭的空間問題仍然意味著,存在沒有足夠的空間容納貨物或乘客。 因此,這些早期的船隻在商業上不可行。 由於燃料成本的原因,長途海上航行,實在太昂貴了。 有必要重新思考一艘船應該有多大。

偉大的工程師伊桑巴德·金德姆·布魯內爾(Isambard Kingdom Brunel,1806-1859 年)使用蒸汽機為他的巨型船舶SS Great Western(1838 年)、創新型螺旋槳驅動的SS Great Britain( 1843 年)和SS Great Eastern(英國最大的船舶)提供動力。長692 英尺(211 m)的船舶於1858 年竣工。這些船舶和其他船舶,比以往任何時候都更快地橫渡大西洋(10 天,而僅航行需要32 天),並且很快就建立了通往印度和澳大利亞,的雄心勃勃的新航線。 第一艘使用蒸汽動力的貨船是 1852 年建造的 John Bowes 號。

SS Great Eastern
SS 大東方號
Charles Parsons (Public Domain)

航海時代,至少對於大型船舶而言,即將結束。 輪船不依賴風,可以直線行駛(帆船必須逆風航行),從而減少了航程長度。 速度成為海洋旅行者,的新優先考慮因素。 蒸汽船更快、更便宜地提供了,,新的資源和全球消費市場,推動工業生產更多的商品,這反過來又導致了更多蒸汽動力機器的生產。

蒸汽動力機器

到1789 年,蒸汽動力棉織機開始在紡織廠使用,該機器首先由埃德蒙·卡特賴特(Edmund Cartwright) 在1784 年至1786 年間發明,並首先在棉花大亨理查德·阿克萊特(Richard Arkwright)(1732-1792 年)擁有的工廠中有效使用。 卡特賴特的機器使生產速度提高了一倍,但效率並不高。 隨後的發明家成功地解決了這個問題。 到 1835 年,大約 75% 的棉紡廠使用蒸汽動力。 蒸汽動力工廠不需要建在水源附近,因此可以選擇更好的地點,那里人口較多,而且附近有煤炭等自然資源。

污水泵使用蒸汽動力,城鎮噴泉也使用蒸汽動力,清除積水區域以使其用於農業的發動機也是如此。 現在硬幣是由蒸汽動力機器鑄造的。 印刷機由蒸汽驅動,其效率使報紙在 19 世紀倒數第二個十年,變得更加便宜。 即使在仍然有許多手工完成的工作中,所使用的工具通常是使用蒸汽驅動的機器製造的。 簡而言之,任何需要推、拉、舉、壓的工作都可以通過蒸汽動力機器,變得更加高效。 明星機器,當然也是最大的機器,是蒸汽錘。

1839年,詹姆斯·納斯米斯(James Nasmyth,1808-1890)發明了蒸汽錘。 它被用來將非常大的鐵塊,塑造成諸如用於運輸的螺旋槳軸之類,的機器部件。 錘子利用蒸汽動力升起很大的重物,然後將其垂直落到要彎曲的金屬上。 至關重要的是,該機器控制重量的下降,無論是在速度還是精度方面,都可以均勻地生產型鐵或鋼。 後來,蒸汽動力也減輕了重量,這意味著幾乎任何尺寸的金屬都可以成型。 蒸汽錘的尺寸非常巨大,有些高超過 35 英尺(10.6 米),重 90 噸,這意味著它們會產生巨大的噪音,整個城鎮都可以聽到。

British Showman's Engine
英國表演者的引擎
Emslichter (Public Domain)

蒸汽動力發動機的一大優點是,它們可以移動到任何需要的地方。 這對於農業和脫粒機等裝置特別有用。 蒸汽機現在看起來像一輛小火車,但它們不是運輸車輛;它們是運輸工具。 它們的設計目的是讓蒸汽動力,到達任何需要的地方。 遍布全國的遊樂場是蒸汽動力,的另一個受益者,用於運行機械遊樂設施。 為這些博覽會開發了,一種獨特的便攜式蒸汽機,即表演者的發動機,它們本身就成為裝飾精美的景點。

結果

蒸汽動力可能降低了生產成本,提高了利潤,並使大規模生產的消費品變得更便宜,但這些好處是有代價的。 手工編織等傳統工業,幾乎因蒸汽動力工廠的到來而被摧毀。 驛站馬車、郵政馬車、驛站以及飼養和照料馬匹的人,都因火車搶走了他們的業務,而遭受了嚴重損失。 許多人失去了他們及其父母和祖父母賴以生存的生計。 尤其是男性,因為工廠主更願意僱用更便宜的女性和童工而失去了工作。 城市的生活變得擁擠,空氣明顯不那麼乾淨。

一些人對這些變化提出抗議,特別是在約克郡、蘭開夏郡和諾丁漢郡等,大型製造業城市。 1811 年至 1816 年間對於工廠主來說問題尤其嚴重。 更暴力的抗議者闖入工廠,砸毀奪走他們生計的機器,以他們的神話領袖內德·路德(Ned Ludd)的名字被稱為“勒德分子”。 建制派進行了反擊。 對於提供有關勒德分子的信息,或抓獲勒德分子的信息,政府會提供豐厚的獎勵,並召集軍隊來保護工廠。 那些被捕的抗議者,面臨嚴厲的處罰,包括絞刑或驅逐到澳大利亞。

The First Industrial Revolution, c. 1760 - 1840
第一次工業革命,. 1760 - 1840
Simeon Netchev (CC BY-NC-SA)

蒸汽革命導致許多人失業和動盪,但也創造了新的就業機會。 機械允許建造更大的工廠,這需要更多的工人,因此更多的人開始居住在城鎮中。 機器需要大量的煤炭,而它們製造的新產品,需要更多的鋼鐵,這導致了更多的礦山和更多的就業機會。 機器為金屬的使用,提供了新的可能性,因此隧道、橋樑和鐵路等大型建設項目,帶來了更多的就業機會。 鐵路需要工程師、司機、工人、站長和搬運工。 由於城市工人比以前有了更多的錢,他們可以花在來自大英帝國,各地的有趣商品上,商店蓬勃發展。 由於火車旅行,海濱度假勝地蓬勃發展。 英國幾個世紀以來的農業統治即將結束,許多人開始了一種全新的生活方式。

蒸汽動力、機器和勞動力集中還有另一個持久的後果。 擁有重型機械的工廠又熱又吵,工人們不得不長時間工作。 這些惡劣的條件促成了工會運動,旨在保護工人的權利免受無良工廠主的侵害。 工會成立後,他們就可以向會員籌集資金,並幫助那些生病或受傷且無法工作(因此沒有工資)的工人。 業主們不喜歡這些對他們利潤的限制,政府在 1799 年至 1824 年間禁止了工會,但保護工人的運動不可能無限期地停止。

與此同時,蒸汽動力機器不斷擴展,到新的地理和工業領域。 蒸汽機遍布大英帝國和其他地方,由於燃料效率的巨大飛躍,甚至將創新傳播,到煤炭更昂貴的地方。 其他國家很快就趕上了英國。 由蒸汽驅動的工業革命,已成為一種不可阻擋且自我延續的全球現象。

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问题与解答

誰發明了蒸汽機?何時發明的?

蒸汽機是托馬斯·紐科門 (Thomas Newcomen) 於 1712 年發明的,用於排出煤礦中的水。

蒸汽機是用來做什麼的?

蒸汽機首次用於,從煤礦被淹的豎井中抽水(1712 年)。 後來蒸汽機被用於棉織機、錘子、火車、船舶以及農業和工廠中的任何重型機械。

关于译者

晚生姓高
高先生目前擔任加州就業部的首席翻譯,是聯合國美國協會的前董事會成員,也是英文雜誌《美華論壇》的現任董事會成員和前副主編

关于作者

Mark Cartwright
马克是一位全职作家、研究人员、历史学家与编辑,他对艺术、建筑,以及研究所有文明共有的思想尤为感兴趣。马克拥有政治哲学硕士学位,目前担任WHE出版总监一职。

引用本作品

APA 风格

Cartwright, M. (2023, February 08). 英國工業革命中的蒸汽機 [The Steam Engine in the British Industrial Revolution]. (. 晚生姓高, 翻译). World History Encyclopedia. 取自 https://www.worldhistory.org/trans/zh/2-2166/

芝加哥风格

Cartwright, Mark. "英國工業革命中的蒸汽機." 翻译 晚生姓高. World History Encyclopedia. 最后修改 February 08, 2023. https://www.worldhistory.org/trans/zh/2-2166/.

MLA 风格

Cartwright, Mark. "英國工業革命中的蒸汽機." 翻译 晚生姓高. World History Encyclopedia. World History Encyclopedia, 08 Feb 2023. 网络. 23 Jun 2024.