從真空到蒸汽機的歷史:科學、技術與社會的互動

蒸汽機是人類社會最重要的發明之一:但是,蒸汽機的發明,不只是人類自古以來追求動力的慾望結合工匠精心的創造,更是西歐自然哲學思辨的成果。在此一演講中,講師將與聽眾一起來探討西歐工匠如何因為抽水的需求,結合了自然哲學家對於真空與大氣壓力現象的探討,再加上歐洲傳統工具機產業的機巧,在十八世紀中葉創造出舉世獨一無二的蒸汽機,成為工業生產的動力來源。在這個過程中,為了追求更高的效率與商業收益,專長於精確計算的科學,扮演了越來越重要的角色,引發了十九世紀中葉熱力學的誕生,這是科學史最重要的科學理論之一。而蒸汽機的發展,在熱力學的協助之下如虎添翼,效率越來越高,推動著航運、陸運、工業,乃至於電力的發展,這些都是現代工業社會所不可或缺的產業。因此,我們可以說,沒有蒸汽機,就沒有近代工業社會的產生。

撰文:高英哲

作為動力來源的蒸汽機,是人類歷史上最關鍵的發明之一,不但是工業革命的重要推手,同時也催生了熱力學這門極具應用價值的理論。本講次將為觀眾介紹,蒸汽機如何形塑了近代世界與科學的樣貌。

我們從小聽到關於蒸汽機的故事,都是說瓦特 (James Watt) 小時候看到茶壺的蓋子被蒸汽往上衝,不斷跳動,因而靈光乍現,日後就發明了蒸汽機。但是蒸汽機當然不是一個獨立存在的發明,早在工業革命之前兩千年,古希臘時代的亞歷山大港,就有運作原理類似蒸汽機的汽轉球;不過這個有點類似詐術的玩具裝置,並沒有任何實用價值。

蒸汽原理真正應用於人類社會,要從 16 世紀開始說起。當時挖礦需要抽掉地下水,貴族庭園也需要有方法把水從噴泉裡噴出來,因此運用到亞里斯多德「自然討厭真空」的概念,把管道裡的空氣抽掉,水就自然沿著管線上升。但是水上升的高度有其限制,義大利數學家托里切利 (Evangelista Torricelli) 透過水銀柱實驗,提出抽水高度取決於大氣壓力的看法。 1654 年堪稱經典的馬德堡半球實驗(將兩個完全密合半球內的空氣抽掉,然後驅馬從兩側向外拉),更是證實了大氣壓力的作用有多麼強大。

確認了大氣壓力作用之後,人們就設計出活塞這個機械裝置,將大氣壓力拿來利用作為機械動力。早先用來推動活塞的方法,是點燃火藥,藉由爆炸使氣體膨脹,但是會有殘留氣體排除不易的問題;發現可以用蒸汽來代替火藥功能的,是法國物理學家帕潘 (Denis Papin) ,由他設計出來的蒸汽蒸煮器,可說是蒸汽機跟壓力鍋的前身。

然而真正具有突破性發展的蒸汽機,是英國工程師紐科門 (Thomas Newcomen) 在 1712 年設計出來的。它把用冷凝原理製造局部真空的抽水機,以及利用活塞裝置製造動力,兩個概念結合在一起,成為後來所有蒸汽引擎的原型,瓦特就是因為負責過維修紐科門蒸汽機的工作,才有了改良蒸汽機的想法。他發現紐科門蒸汽機工作效率低落的原因,在於汽缸裡的蒸汽反覆冷凝加熱,很大一部分的熱量都浪費在維持汽缸溫度上,因此把冷凝器跟汽缸分離,大大提升了蒸汽機的運轉效能。

經過瓦特改良的蒸汽機,仍然只是一座龐大的抽水幫浦;直到 1776 年出現結合飛輪設計的往復式蒸汽機之後,蒸汽機才走出礦場,廣泛地應用在各種工業場合當中。特里維西克 (Richard Trevithick) 設計的高壓蒸汽機,成為鐵路運輸的動力來源;傅爾頓 (Robert Fulton) 把蒸汽機搬上船隻,大大縮短了遠洋航行所需的時間。蒸汽機伴隨著工業革命的各式需求,成為推動物質文明進程,不可或缺的要角。

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日期: 2017.10.31 主題: 蒸汽機與熱力學 地點: 臺灣大學思亮館國際會議廳