瓦特的水壶，究竟带给他怎样的启发？

大家一定不陌生小学课本上瓦特和水壶的故事，但这个故事其实是由瓦特的儿子攥写的，更多地具有象征意义。那么真实的水壶事件究竟是什么样的？

撰文 | 金斯基

编辑 | 金庄维

瓦特是两百多年前英国的科学家。他小时候，有一天看奶奶做饭。一壶水开了，壶盖不停地上下跳动。瓦特觉得很奇怪，就问：“奶奶，壶盖为什么会动？”
奶奶说：“水开了，水蒸气冲出来，壶盖就动了。”
瓦特还是不明白：为什么水开了就会有水蒸气呢？为什么水蒸气能让壶盖动起来呢？
于是，他常常坐在炉边，一边看一边想。
长大后，他做了很多试验。再后来，他发明了蒸汽机，成了一位有名的科学家。

还记得这段小学课本上的故事吗？我们一提到瓦特和蒸汽机，就很自然地联想到上面的故事。在其他国家，同样的故事也出现教科书、绘画作品和广告海报上。

（左）明治时期的木版画作品，只是日本版的瓦特已是青年了。（图源：sainsbury-institute.org）

（右上）小学课本插图（图片来自网络）

（右下）R.W.Buss的《瓦特的第一个蒸汽实验》（图源：rosscollection.co.uk）

对于天才般的人物，后人在描述其生平的时候，总会将其和身边的事物联系在一起，攥写出有趣的故事。除了瓦特和水壶，著名的例子还包括伽利略和比萨斜塔，牛顿和苹果等等。这样的名人典故一方面能增加阅读的趣味性，但另一方面也容易让人信以为真。

那么真实的水壶事件是什么样的？让我们先回到蒸汽澎湃的十八世纪。

能源危机

英国是第一次工业革命的发祥地，诸多起因中有一项关键因素不容忽视，那就是自然煤炭资源的采集。英国最早利用煤炭可追溯到13世纪，彼时英国的中北部地区都在进行小规模的煤炭开采。幸运的是，这些煤矿大部分是露天矿，储量丰富，开采方便。即便如此，当时英国仍以木材资源为主要能源燃料。

到了16世纪，随着人口增长和工业发展，所需的木材燃料也不断增长，过度砍伐让英国森林数量急速下降。国家急需新能源来代替旧能源，此时煤炭作为一种容易开采、燃烧值高的能源给英国带来了新的希望。

1536年到1539年，亨利八世与罗马教廷决裂，将教会手中的财富收归王室所有，这其中就包括了大量丰富的煤矿。王室又将其中一些卖给商人，让他们经营开采。但是由于当时比较容易开采的煤矿几乎已经耗尽，为了满足不断增加的需求，人们只得不断深入开采。

众所周知，开采煤矿自古就是一个高危工作。进入地下深处采煤，除了容易对矿工生命造成威胁之外，如何高效排除矿井透水积水的问题同样重要。

最早在开采还不深入的时候，矿工将水一桶桶从井道内背出。规模扩大以后，人们制造出水车、人力或者马拉等装置，将水运出来。但无论人力还是马力，效率都极其低下，根本无法满足大量采矿的需求。

到了17世纪末期，英国的五金商托马斯纽克曼（Thomas Newcomen）独立发明了体积庞大的“蒸汽机”，准确说应该是气压机。这台机器利用蒸汽的力量制造真空来抽水，可以昼夜不停地运作，于是很快就被安装在煤矿上，作为排水机的发动机。但是纽克曼的排水机只能用在煤矿上，因为它本身需要大量煤矿供能。

“纽克曼气压机”工作示意图（图源：wikipedia）

改良蒸汽机

又过了将近半个多世纪，到了18世纪60年代，年近30的詹姆士瓦特（James Watt）登场了。

1763年，瓦特在格拉斯哥大学工作，制造各种仪器。他当时被指派去修复纽克曼发动机模型，看看能否进行改良，以提高它的效能。自此，瓦特展开了一系列实验，致力于研究蒸汽在气缸中冷凝的过程，并进一步了解蒸汽的特性。

瓦特做实验的经典“搭档”——水壶——最早出现在他的一本实验记录中：

我将一根玻璃弯管一头插入水壶嘴中，另一头插入装满冷水的实验杯中。我发现水壶中的水沸腾的时候，冷水杯中的水虽然只有少量增加，但水温有明显升高。我很吃惊，问布莱克博士，是不是变成水蒸气的水拥有更多热量？布莱克博士说这是他的理论之一......

瓦特1756年的实验笔记，画有水壶草图。（图源：Birmingham City Archives）

在早期试验中，瓦特独立发现了蒸汽冷凝过程中的潜热（水蒸气变成液态水过程中释放的热量）。后来，根据英国化学家约瑟夫布莱克的潜热学说，瓦特又重新做起相关的实验。在这些实验中，他多次用到了水壶和其他一些家用器具，甚至包括平底锅。

这些实验帮助他找到了纽克曼气压机耗能大的原因：纽克曼的机器需要将冷水灌入汽缸中，冷凝其中的水蒸气。但在蒸汽冷凝过程中，汽缸本身也被降温了。这就需要更多燃料来反复加热汽缸，造成巨大的能耗。

瓦特在回忆录中写道：“要制造出完美的蒸汽发动机，就要保持汽缸和蒸汽的温度始终一致。但为了充分发挥其威力，蒸汽的温度需要降到100摄氏度之下。”于是，瓦特产生了将冷凝过程分离出来的想法。

1765年，瓦特发明了分离式冷凝器，这一改良在蒸汽机的发展中起到了关键作用。他设计改良的蒸汽驱动机产煤的动力是纽特曼气压机的4倍，而且能在各种矿井中使用。

同时，他的蒸汽驱动机进一步提高了钢铁产量，从而降低钢铁价格。到1830年，英国的煤产量占世界的4/5，而铁产量远超世界上其他国家的铁产总量。这从根本上改变了工业规模，使得工厂代替传统的手工业，英国也由此快速走上了现代工业化的道路。

瓦特蒸汽机（图源：wikipedia）

追根溯源，我们可以了解到，成年瓦特通过利用水壶展开的一系列实验帮助他了解水蒸气的特性，从而启发他改良蒸汽机，成为英国工业革命传奇人物之一。而“少年瓦特与水壶” 的故事其实是瓦特的儿子——小詹姆士瓦特（James Watt Jr.）——收集材料后攥写的，更多地具有象征意义。小瓦特希望借这个通俗易懂的轶闻，传播父亲的独立探索精神和思想。

参考资料

[1] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%A9%B9%E5%A7%86%E6%96%AF%C2%B7%E7%93%A6%E7%89%B9

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Watt_steam_engine

[3] https://www.zhihu.com/question/46326716/answer/182226612?utm_campaign=official_account&utm_source=weibo&utm_medium=zhihu&utm_content=answer

[4] http://www.luojiji.com/thread-6430-1-1.html

[5] https://zhidao.baidu.com/question/10501137.html

[6] D.P.Miller, True myths: James Watt’s kettle, his condenser, and his chemisitry, Hist.Sci., xlii (2004)

文章头图及封面图片来源：pixabay.com

来源：赛先生

编辑：椒盐猫卷饭

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