工业革命时期蒸汽动力的应用与热力学理论的关系

王怡萌

摘 要 作为工业革命基础的技术创新虽然几乎全部出于工匠或技师之手，但并非丝毫没有得益于当时科学理论的帮助，如瓦特在改进纽科门蒸汽机时就受到了布莱克潜热理论的影响。18世纪后期，在蒸汽动力的应用所带来的革命影响下，以伯明翰月光社成员为代表的科学家们对热学研究产生了广泛兴趣。19世纪，以卡诺为代表的科学家对以蒸汽机为基础的理论研究成为热力学研究的开端。

关键词 蒸汽机 热力学 潜热 伯明翰月光社 卡诺

一 引言

麦克莱伦第三（J. E. McClellan Ⅲ）在《世界史上的科学技术》一书中这样概括工业革命时期的技术创新与科学理论之间的关系：“构成18世纪和19世纪上半叶工业革命基础的那些技术创新，准确地说都是由工匠、技师或工程师这一类人做出来的。他们中间没有多少人接受过大学教育，而且他们全都是在没有得益于科学理论的情况下取得成果的。”（[1]，页336）他指出所谓的纽科门（T. Newcomen）曾经得到过胡克（R. Hooke）的指导，或是瓦特（J. Watt）受到了布莱克（J. Black）的潜热理论的启发才想出了单独另设一个冷凝器等等这些故事，完全是虚构的。

有趣的是，一些科学史家在其著作中却明显表达出与麦克莱伦第三不同的观点。如斯蒂芬·F·梅森（S. F. Mason）在《自然科学史》中提到：相比而言，17世纪科学家对纯科学和实用科学同样感兴趣。而18世纪的两项重要发明（蒸汽机和航海计时器）中并没有体现出纯科学与实用科学的结合，例如蒸汽机的先驱者纽科门仅仅是一位铁匠。但梅森认为：“十八世纪的新纺织机和炼铁上的革新，在工艺上都是重要的发明，但是蒸汽机的发展，由于科学内容和科学方法的关系太密切了，恐怕是十九世纪以前最重要的一项科学应用。”（[2]，页259）他指出，其中一个重要的例子就是瓦特改进蒸汽机的事例：“英国科学家和工程师发展实验的和实用的科学，给予工业技术以一种直接的推动力。……布莱克研究比热和潜热的实验，立刻被实际应用到瓦特发展的新蒸汽机上。”（[2]，页262）

这两种不同观点的并立，不仅是由于两位历史学家所使用的史料不同，也与这两人对技术与科学关系认识的不同有关。通过对科学技术史的考察，麦克莱伦第三在书中明确地反对把技术当做是应用科学的观点，认为这种观点很大程度上是人们将当代科学与实际应用的密切关系迁移到历史上而造成的；麦克莱伦第三希望从历史的视角审视科学，从而得出“历史上的技术是在引导着科学”的观点，而不是相反。与此相对，梅森在开篇就提出，以技术传统和精神传统为历史根源的科学传统包含着实践和理论的两个部分，由此其取得的成果也具有技术和哲学的双重意义。

需要说明的是，对技术与科学关系的哲学讨论并不是我们讨论的核心。我们的问题是：作为麦克莱伦第三和梅森两人分歧的焦点，瓦特蒸汽机的发明与热力学理论有着怎样的关系？它是否受到了布莱克潜热理论的影响？进一步说，蒸汽机的革新与热力学理论有什么互动，反过来又对热力学理论有什么影响呢？这些问题须从历史本身角度来发掘。

二 瓦特对蒸汽机的改进与布莱克潜热理论

麦克莱伦第三曾说过，在工业革命初期成功进行技术创新的都是工匠或技师，詹姆斯·瓦特亦不例外。瓦特的父亲和祖父都从事过与机械有關的生意。尤其是瓦特的父亲老詹姆斯·瓦特，作为一名手艺精湛的造船工匠，由于顾客太多而忙不过来，他在自家后院开了一家作坊，这个作坊对瓦特日后的工作有着极为重要的意义。因为在瓦特的幼年时期，他的父亲在这个作坊中为瓦特安排了一个小的工作台，而当时的瓦特便表现出机械制造方面的天赋，并在作坊的工人之间被传为佳话。1755年，不到20岁的瓦特离开苏格兰，来到伦敦，幸运地跟随伦敦一位有名的手艺人约翰·摩根（J. Morgan）先生学习。1756年，瓦特回到了自己的家乡，但由于苛刻的行会制度，瓦特的学徒工经历达不到行会要求，没能如愿开一间属于自己的店铺。幸运的是，通过瓦特的远方舅舅米黑尔德的关系，瓦特结识了迪克博士，迪克此时负责一项给格拉斯哥大学捐赠天文仪器的工作，迪克博士把清洗仪器的工作交给了瓦特，并为他提供酬金。但更重要的是，瓦特在修理这批仪器时表现出的高超技艺，使得格拉斯哥大学的教授们留下了深刻的印象。于是，格拉斯哥大学分给瓦特一间20英尺见方的工作室，而这间工作室随后成为瓦特研究改进蒸汽机的主要场所。

瓦特首先利用当时格拉斯哥大学的一台最新型的纽科门蒸汽机的物理教学模型进行研究。经过了反复的观察和实验，瓦特发现了潜热现象，而这个概念最初是由他的好友布莱克博士（J. Black）提出的。当时布莱克博士虽然和瓦特在同一所大学共事又研究同一课题，但他们对彼此的工作几乎一无所知。因此当瓦特发现单位质量的水受热生成的蒸汽冷凝后可以将自身质量5倍的水加热至沸点时，他无法对这种现象作出理论层面的解释：

这种现象（潜热的作用）令我感到迷惑不解，我便向好友布莱克博士提起此事，他于是向我解释了他的潜热理论，在此之前（1764年）他已经做过一段时间的研究；不过我那段时间忙着生意上的事情，即使以前就对这项理论有所耳闻，而且偶然发现了一个可以用它进行完美解释的现象，那时我也不会重视它的。（[3]，页33）

谈到这里，有必要介绍一下潜热理论及其与布莱克教授的关系。法国物理学家阿拉戈（F. Arago，1786—1853）曾指出，潜热理论在现代物理学史上占有举足轻重的位置。但需要指出的是，布莱克的潜热理论依据的是现在已经被现代热力学证明是错误的热质说。

18世纪时，人们已经抛弃了17世纪权威科学家们所明确提出的“热是由于分子的运动”这个正确的观念，取而代之的是热质说，且这个概念在18世纪末被人们普遍接受（[4]，页118—119）。依据热质说，热具有高度弹性且它的微粒彼此排斥，而这种排斥能解释热物体放出热的事实，并且假定分布在物体中的热在数量上是正比于物体与热微粒的相互吸引力（或者物体的热容量）。

尽管这个理论是错误的，人们还是依据热质说发现了某些关于热的新事实。布莱克对“潜热”的发现就是一个例子。“在1756年，他开始思考冰的溶解和水在沸腾时的消散的令人不解的缓慢。他最后断定，大量的热仅仅消耗在实现这些状态的变化方面，而温度甚至于没有丝毫的改变，这种[热的]散失的原因是在物质的微粒和称为热的细流之间的准化学组合。按照他的观点，这种热是‘潜在的……”（[4]，页120）按现代的研究，并不存在什么“潜热”，而是发生了能量转换，即热能转化为物质粒子的势能。布莱克随后和他的学生威廉·欧文（W. Owen）得到了水的汽化热值和溶解热值，不可避免的是，这些值与现代得到的数值相比有少量偏差。

而瓦特通过实验所研究的水和蒸汽之间的状态转变过程与布莱克所观察到的现象极为类似。他用两磅100℃的蒸汽接触10磅0℃的水，结果发现蒸汽完全液化且同时那10磅水被加热到了100℃。这一现象说明了两磅的蒸汽凝结为水的过程中放出的热量能够将10磅处于冰点的水加热到沸点，而这样的蒸汽接触到低温介质表面时发生状态转变所放出的热量就是布莱克所说的潜热。所以当他与布莱克讨论的时候，才发现他的好友几年前就已经开始研究潜热并将其应用到了教学当中。

这一理论对于瓦特具有重要意义。在弄清了潜热的意义后，瓦特认识到了潜热的存在正是纽科门发动机热效率低下的症结所在。纽科门发动机的工作原理是，燃烧木材或煤炭把水加热到沸点且继续加热。由此产生的蒸汽进入汽缸，推动活塞做功。但瓦特发现，其中存在的一个问题是，对汽缸的反复加热和冷却过程中，蒸汽以潜热的形式损失了80%的蒸汽热量，仅有20%用于推动活塞做功。因此瓦特要解决的根本问题是如何维持气缸温度，避免蒸汽热量在反复加热与冷却的过程中大量损失。在1765年一个安息日的午后，瓦特在散步途中产生了“分离式冷凝器”的灵感。分离式冷凝器将蒸汽排入冷凝器冷凝而不再在汽缸中冷凝，由此维持了汽缸的热度；此外，分离式冷凝器的汽缸为封闭式并配有圆形活塞，活塞杆下端通过填料函伸出来，防止蒸汽溢出，由此在汽缸内形成了真空。瓦特曾对用这样简单的设备就能解决困扰已久的难题而惊讶不已，但事实上，“现实就是这样，没有冷凝器，没有封闭式气缸，就没有现代蒸汽机”（[3]，页41）。

当然，第一台带有分离式冷凝器的蒸汽机样机与真正成型的蒸汽机之间还存在很大差别。瓦特对这台存在很多缺陷的機器并不满意，并着手制造一台更大功率的蒸汽机。在此之后他遇到的大多是技术和资金的问题。他先与罗巴克（J. Roebuck）先生合作，在罗巴克破产后又结识了伯明翰索荷制造厂的拥有者博尔顿（M. Boutlon）先生。在博尔顿的坚定支持和索荷制造厂一流的设备和技术工人的帮助下，1776年，博尔顿-瓦特蒸汽机在布鲁姆菲尔德煤矿首次向公众展示，因其良好的性能，该产品的咨询和订货者络绎不绝。

三 蒸汽机的应用对热力学理论的影响

1. 瓦特与伯明翰月光社的热学研究

1767年，瓦特经原来的资助者的罗巴克的介绍来到伯明翰与博尔顿先生见面。由于博尔顿外出，与博尔顿同为月光派（Lunar Circle）成员的达尔文（E. Darwin）和斯莫尔（W. Small）带领瓦特参观了索荷制造厂。很快，博尔顿从罗巴克手中购买了瓦特的专利权，瓦特也加入了月光派，在1767—1774年他定居伯明翰的七年间，瓦特成为月光派的一个非常驻成员。

月光派在1775年时改名为月光社（Lunar Society），成为一个位于伯明翰的、由自然哲学家和工业学家组成的学会，其成员包括博尔顿、瓦特、斯莫尔、达尔文、韦奇伍德（J. Wedgwood）、普里斯特利（J. Priestley）、埃奇沃思（R. L. Edgeworth）等人。罗伯特·E·斯科菲尔德（R. E. Schofield）在其著作《伯明翰月光社：18世纪英格兰地方性科学和工业的社会史》（Lunar Society of Birmingham： A Social History of Provincial Science and Industry in Eighteenth-Century England）一书中指出，在当时的学会中，月光社不是第一个也不是最后一个，但却是在科学上最为重要的地方性学会。也有人评价：“月光社和地方性学会的迅速发展，有力地推动了英国工业革命的兴起。”[5]

李斌在其论文《月光社的历史及其影响》中提道：“1781年至1791年这十年是月光社活动最有规律、最富成效的阶段。” [6]在这段时间中，博尔顿与瓦特继续合作，继续改进蒸汽机，将其用于更广的领域，如1786年他将双作用式发动机安装在伦敦的阿尔比恩碾磨厂。而根据斯科菲尔德的著作，在瓦特移居伯明翰之后，热学研究已经成为月光社的共同兴趣。

月光社成员之一韦奇伍德进行了关于热问题的实验，并于1782年发明了著名的韦奇伍德高温计，为18世纪及以后的科学提供了一个标准的高温测量方法。韦奇伍德在1782年5月15日写信给瓦特，称当时许多化学家和哲学家对这样的温度计完全满意。随后布莱克又写信给瓦特，称对韦奇伍德测量温度的实验存在怀疑。但是，“瓦特并没有顾及这种怀疑，他接受了拉瓦锡和拉普拉斯的数据来进行空气比热的粗糙计算，但是，瓦特没有对比热进行测量，他对于热的兴趣主要在应用方面”[6]。

加入月光社之后，瓦特继续进行热学实验，并发明了能够显示蒸汽机一个冲程内压力变化平均值的压容图。在这一时期，瓦特与布莱克仍然保持着频繁的通信，根据伊拉斯谟·达尔文的儿子查尔斯·达尔文（C. Darwin）1777年的一封信，瓦特曾宣称，在蒸发这一部分，他所作的工作比布莱克还要多[6] 。

月光社其他成员在这一时期也在热学领域中有所建树：1776年，月光社成员之一的维特赫斯特在《哲学汇刊》（Philosophical Transactions）上发表了一篇关于热是否有重量的论文；伊拉斯谟·达尔文描述了绝热过程，并明确和详细地进行了绝热实验；普里斯特利通过进行不同空气的热膨胀实验，粗略地计算出了气体恒定压力下的膨胀系数。

2. 蒸汽机与热力学的开端

卡约里在《物理学史》中谈到蒸汽机与热力学开端的关系：“热力学这门科学起源于企图从数学上判定蒸汽机能作出多大的功。”（[4]，页208）梅森在《自然科学史》中说道：“（19世纪）法国人正在研究控制蒸汽机把热变为机械能的各种因素。这些因素在英国人那里并没有进行过充分的研究，虽然那时在英国使用蒸汽机已经超过了一百年。……英国的工程师，如瓦特，大都是自学出来的，但是十九世纪早期的法国工程师则是在多种工艺学院和理论科学家一同受到训练的，所以倒是他们比较能够从事蒸汽机理论和一般机器理论的研究。”（[2]，页459）根据梅森的观点，正是理论科学家和实用工程师对蒸汽机理论的共同研究，促进了19世纪法国热问题研究的发展。

而第一位“从数学上判定蒸汽机能作出多大的功”的热力学先驱就是一位法国人卡诺（N. Carnot， 1796—1832）。他对热力学的最大贡献就是他于1824年发表的论文“关于火的动力的研究”（Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu）。麦克莱伦第三称，这篇论文也是首次对蒸汽机的工作原理作出的科学分析（[1]，页336）。体积进一步缩小、热效率进一步提高的沃尔夫蒸汽机于1820年前后被引进到法国，这场蒸汽机带来的革命吸引着卡诺进行热机理论的研究。而之所以称卡诺为蒸汽机原理的第一人，主要在于他在研究中用理论热机代替了实际热机，摆脱了热机的各种具体结构和工作介质的差异。“卡诺敏锐地注意到，一个蒸汽机所产生的机械功，在原则上有赖于锅炉和冷凝器之间的温度差。”（[7]，页56）通过这种科学抽象的方法，卡诺建立了理想化的模型，即“卡诺热机”。接着卡诺在描述蒸汽机原理时引入了两个热力学的基本概念：完备性与可逆性。卡诺运用这两个概念证明了工作于相同高温及低温热源之间的所有热机中，以可逆卡诺热机效率最高，即“卡诺定理”。

然而这本书出版后并未立即引起反响。1834年克拉珀龙（B. Clapeyron）应用我们之前所提到的瓦特发明的压容图对卡诺热机进行了解析。1848年，威廉·汤姆逊发表一系列为卡诺辩护的论文，其中证明了卡诺的循环变换原理导致了绝对热力学温标的出现，此时卡诺的贡献才被人们普遍承认。1850年，克劳修斯（R. Clausius）证明了卡诺理论的正确性并将卡诺循环中的“热没有消失”这一观点修正为“消失的热已转化成功”，并于同年在卡诺定理的基础上提出了热力学第二定律。

库恩在《必要的张力》中十分强调蒸汽机对热力学理论研究的影响：“在九个使转化过程定量化而获得部分或完全成功的先驱者当中，除了迈尔和赫尔姆霍茨以外，都受过工程师教育，或者当他们对能量守恒作出贡献时正在直接从事蒸汽机方面的工作。在各自独立计算出能量转化系数值的六个人当中，除了迈尔以外，都是当时正在从事设计蒸汽机，或过去受过这种训练。……‘功这一概念，正是由于19世纪人们关注蒸汽机而对能量守恒所作的最有决定性的贡献。”（[8]，页78—79）

四 小结

综上所述，我们发现瓦特改进纽科门蒸汽机时遇到的关键问题的解决确实是在热学研究者布莱克的帮助下完成的。而瓦特与月光社成员对蒸汽机改进成果的密切交流，又促进了月光社成员在18世纪下半叶对热学的研究，其中很多工作成为19世纪热力学研究开展的基础。19世纪，蒸汽机的广泛应用及其所带来的革命的巨大影响力，吸引了大批科学家和工程师开展了以蒸汽机为基础的热力学研究，这些成为为热力学第一、第二定律的理论基础。曾有人指出，卡诺等人的理论又反过来促进了对蒸汽机的改变，证据是1800—1864年间，蒸汽机的功率和热效率都提高了数倍（[7]，页16）。由此可见，作为技术范畴的蒸汽动力的应用与作为科学理论的范畴的热力学理论在工业革命时期有广泛又复杂的交互联系。

参考文献

[1] 麦克莱伦第三. 世界史上的科学技术[M]. 王鸣阳译. 上海： 上海科技教育出版社， 2003.

[2] 梅森. 自然科學史[M]. 上海外国自然科学哲学著作编译组译. 上海： 上海人民出版社， 1977.

[3] 卡内基. 瓦特传： 工业革命的旗手[M]. 王铮译. 南昌： 江西教育出版社， 2012.

[4] 卡约里. 物理学史[M]. 戴念祖译. 桂林： 广西师范大学出版社， 2008.

[5] Schofield， Robert E. Lunar Society of Birmingham： A Social History of Provincial Science and Industry in Eighteenth-Century England[M]. London： Oxford University Press， 1963.

[6] 李斌. 月光社的历史及其影响[J]. 科学文化评论， 2007， 4（1）： 26—52.

[7] 李斌. 从蒸汽机到热力学的兴起[A]. 中国科学技术协会学会学术部. 新观点新学说学术沙龙文集（10）·发明与发现上升到科学理论的条件和过程[C]. 2007.

[8] 库恩. 必要的张力： 科学的传统和变革论文选[M]. 北京： 北京大学出版社， 2004.