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水 力 发明纺纱机和自动织布机以后的若干年，机器的动力是靠水车供应的。18 世纪 70 和 80 年代，棉纺厂像雨后春笋般沿着湍急的溪河兴起。到 1788 年英国已有 143 座水力棉纺厂。但到该世纪末，水车开始被一个新的动力来源，即蒸汽机所代替了。
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33.3 詹姆斯·瓦特和蒸汽机
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早期的蒸汽机 詹姆斯·瓦特一般被称为蒸汽机的发明者，但实际上他不过是改进了它。甚至在他出生前，各种类型的蒸汽机已经发明了，其中一种用于英国煤矿，用来把时常淹没煤坑的水抽出。它在 1705 年为托马斯·纽科门所发明。当一个矿井抽水时常用的纽科门式发动机被拿来让詹姆斯·瓦特（1736—1819 年）修理时，他是爱丁堡大学科学仪器的制作员和修理员。瓦特注意到这发动机浪费很多热量和时间，因为活塞每冲击一次，汽缸里的蒸汽要靠冷却来凝聚，然后为了下一次冲击，须再把汽缸加热。对这个问题苦思了一些时候以后，他决定让蒸汽通过一个阀门进入一个单独的经常保持冷却的冷凝室，同时主要的汽缸依旧保持热度。
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图 33-2 蒸汽机的发明，标志着人类进入了“蒸汽时代”
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瓦特的“恶魔” 当瓦特试造这种发动机时，他遇到了一些可使大多数人气馁的困难。似乎没有一个铁匠熟练到足以把汽缸做得完全圆形，或是把活塞杆做得绝对光滑笔直，或是把阀门做得严密。正当他打算放弃试验的时候，一个有钱的朋友认为这个新机器或许会对他自己的煤矿有利，所以为瓦特偿还了债务，并劝他再试试。最后，在 1769 年，瓦特完成了他的第一台蒸汽机。它被很恰当地称为“恶魔”（Beezlebub），因为它不但吞吐烟火，而且动作像个魔王。
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甚至那时瓦特仍似乎注定要失败，因为他的朋友不再能给他钱了。但幸运的是，伯明翰一个富有的五金制造商马修·博尔顿对这项发明发生了兴趣，把“恶魔”带到他的工厂去修理，并与瓦特合伙制造了蒸汽机。
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蒸汽机的使用 博尔顿和瓦特出售的第一批发动机是用来从煤矿里抽水或向鼓风炉打气的。但是，瓦特继续改进他的发动机，最后发明了一种方法，把在一条直线上前后移动的活塞连到一个轮子上，这样可以转动磨石，或开动棉纱厂的机器。他的最大改进之一是在 1782 年，用新的方法安置阀门，使蒸汽的压力可用来使活塞既向前，又向后推动。
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印刷和运输 在蒸汽机的许多新的应用中，一种是在 1814 年把它应用在印刷机的操作上。这件事很重要，因为它使书籍和报纸的印刷便宜得让普通人都能享受。在更早些时候，蒸汽火车和汽船已经开始了它们划时代的事业。以后我们将进一步学习这些。
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33.4 煤和铁
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机器和开动它们的发动机的发明可以看作是工业革命的决定因素。和这密切相连的是煤和铁使用的增加。工业革命以前的时期可称为“木材时代”，木材被广泛地用作燃料和工具。只有少量的煤被开采。铁是昂贵而稀少的，因为冶炼的方法粗劣。所以并不奇怪，第一批机器用木材而不用铁来制造。
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新的燃料 走向“煤铁时代”最初的大步伐之一是在冶铁炉中以煤代替木炭。冶铁就是熔化原矿和将金属与渣滓分开的过程。
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有大量的煤可供开采，而木炭的木材供应却正在枯竭；因此，早在 17 世纪，一个英国人看到这种情况，就尝试用煤代替木炭。这是一个有效的主意，但在那时却没试验成功。一个世纪以后，另外一个名叫达比的英国铁匠把煤炼成焦炭后使用，取得了较好的结果。但是焦炭火不能烧得很热，除非用一股强烈的空气来吹燃，因此“鼓风炉”发展了起来。为了“鼓起风来”，达比使用了一对由水轮转动的大风箱。
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斯米顿的鼓风机 在熔炉里产生强气流的一种更好的方法是在 1760 年由约翰·斯米顿发明的，他是一个苏格兰铸铁车间里雇用的工程师，在那里使用焦炭的效果不算好。斯米顿用一个具有 4 个大铁汽缸的气泵来代替旧式的皮风箱，汽缸装上活塞和阀门，并用水力发动。斯米顿的鼓风机最后成功地使焦炭能用来炼铁。
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亨利·科特的炼铁法 当用焦炭作燃料时，鼓风炉炼出的“生铁”里含有杂质，使铁质太脆，在很多场合不适用。怎样使生铁变成更纯更坚韧的熟铁和钢，是一个难题，直到 1784 年左右亨利·科特发现，如果把生铁在一个特殊熔炉里加热，并在它非常热时予以搅拌或“搅炼”，大部分杂质就可以除去。然后把炽热的、净化的金属从熔炉里取出，不用锤子锤击，而用沉重的滚柱轧成铁条或铁板。
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亏得这些新的方法，有较便宜和较好的铁可用来制造机器、坦克和锅炉。一个胆量不凡的发明家甚至用铁板造了一只船。
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猪 铁 又粗又重的铸铁条，因为它们在铸造的沙床中排列的形式，被叫作猪铁（生铁）。熔化了的铁水被引入一个大而长的、两边各有一排较小的模子沙土的模子里。这个大模子旁边带着一些小模子，很像一头母猪带着一排猪仔，因而称作“猪铁”。
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车 床 任何人只要见过一个拆开了的汽车马达或任何一种发动机，就可以知道汽缸和活塞必须很“准”，就是说，它们的形状必须准确而光滑。若是只用手工，想准确地给汽缸钻眼，或做一个不漏气的阀门是不可能的，因为没有一个工人能把一个工具在手中掌握得绝对平稳。这个问题在 1794 年用车床解决了。
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莫兹利发明的车床是一种把钻头固定住的装置，同时把要打眼的金属块也固定在同一条线上。它的另一项装置是把切削工具固定，同时要切成圆筒状的金属迅速地在车床或转动的机器上旋转。这看来好像是一项简单的发明，但它在蒸汽机和每种铁制机器的成败上起了关键性的作用。
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高压发动机 早期的蒸汽机所遇到的最严重的困难之一，是蒸汽压力如果升得很高，锅炉就会爆炸。但是当锅炉很快能用坚固的铁板制造时，使用高压蒸汽就变得安全多了，发动机也能大大改进了。汽缸和活塞的体积能予缩小，全部发动机也能做得小些、简单些。理查德·特里维西克约在 1800 年做了这项改进，他在发明蒸汽机上的功绩不亚于詹姆斯·瓦特。
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33.5 汽船和火车
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当看到蒸汽能够成功地用来转动静止的机器轮子时，发明家们开始想到利用它来推动船和车。
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道路和运河 在我们谈到蒸汽如何被应用于车和船以前，可以先说一说早期的运输工具。
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18 世纪以前英国的道路是如此恶劣，以致不大可能使用有轮的车，商人们用驮马把货物从一个地方运到另外一个地方。很清楚，除非找到较好的运输工具，否则贸易不能很广泛地发展。
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