1712年纽科门蒸汽机的成功发明过程

蒸汽作为动力古来已有之。古希腊的希罗就曾利用蒸汽的反冲力做过一个玩具，但是蒸汽真正有生产价值的应用还是在近代。随着工业革命的深入，人力、畜力等传统劳动方式已经远远不能满足工业需要，据说当时英国有些深度矿井的提水水泵需要500匹马力才能开动，发明更为强大的动力机械已经迫在眉睫。

17世纪上半叶，法国工程师帕潘在使用蒸汽动力技术方面迈出了一大步。帕潘早年学医，但是他对实验物理学有着浓厚的兴趣，曾经协助惠更斯和玻意耳做过不少大气压力和真空的实验，并跟随玻意耳系统学习了气体的热力学知识。那时候，大气压力和真空的概念已经广为人知，但是应用于实际生产还不多见。帕潘小试牛刀，研制出了一种“蒸煮器”（其实就是现在的高压锅），并用蒸煮器给英国国王查理二世做了一道味道极其鲜美的菜肴。因为发明了蒸煮器，帕潘还当选为英国皇家学会会员。

随后，帕潘在蒸煮器的基础上，研制成功世界上第一台带活塞的蒸汽机。这是一台单缸活塞式蒸汽机，汽缸底部放有少量的水，加热汽缸时产生的蒸汽推动活塞至汽缸顶端，再将热源撤除，汽缸里的蒸汽冷凝，压强减小，于是活塞在大气压力的作用下下落。这个过程就可以产生动力。

1698年，英国工程师萨弗里制造了第一台用蒸汽作为动力的矿用抽水机。高压蒸汽喷入一个金属容器中，然后用冷水冷却蒸汽，使金属容器产生真空，将矿井里的水抽出来。萨弗里抽水机除了阀门之外，没有其他可运动的部件。

1712年，英国人纽科门改进了之前的蒸汽机制成了纽科门蒸汽机。纽科门蒸汽机有一个垂直的汽缸和运动的活塞，活塞与杠杆的一端相连，带动杠杆另一端的机械往复运动，从而形成一个动力装置。纽科门蒸汽机和萨弗里抽水机一样，都是使用喷水的方法冷却汽缸，这种方法浪费了大量的热能，热效率非常低。这使得人们又开始寻求新的改良蒸汽机。

现代蒸汽机的原型是由英国著名的发明家和机械工程师瓦特在18世纪中叶研制而成的。

瓦特的父亲是熟练的造船工人，在父亲的影响下，瓦特对机械产生了浓厚的兴趣。 1757年，瓦特在格拉斯哥大学开设了一间小修理店，专门修理教学仪器。有一次，瓦特受命修理一台纽科门蒸汽机。他仔细研究了机器的结构后发现，纽科门蒸汽机在每一个运行周期中，都需要对汽缸用冷水降温以降低汽缸内气体的压强，然后又要加热已经冷却的汽缸以推动活塞，在冷却和加热过程中浪费了大量的能量。怎样才能有效地提高蒸汽机的热效率呢？经过仔细的思考，瓦特终于在1765年想出了一个创造性的解决方案。他设计了一个用于排气的容器，并将其与汽缸相连，使蒸汽猛然冲入容器里，就可以在不冷却汽缸的情况下，冷凝蒸汽。瓦特在冷凝器和汽缸之间设计了一个阀门。当高温蒸汽注入汽缸时，阀门关闭。活塞对外做功后，阀门又被打开，将蒸汽引入冷凝器冷却，从而在冷凝器和汽缸内形成真空。随后又开始一个新的循环。 1769年，瓦特造出了第一台改良后的蒸汽机，并获得了冷凝器的发明专利。

瓦特在汽缸外加冷凝器的方式，使得蒸汽机的效率成倍提高。 1782年，瓦特进一步改进汽缸结构，使蒸汽从汽缸的两头分别进入汽缸，制成双冲程的蒸汽机。 1784年，为了便于速度变换，他把活塞的杠杆传动改为曲轴和齿轮传动，从而制成了能够连续转动的双动通用蒸汽机。到了1790年，瓦特蒸汽机几乎已经全部取代了老式的纽科门蒸汽机。瓦特蒸汽机的广泛应用使得工业革命进入了新的高潮。蒸汽机改变整个世界的时代正式到来了。