蒸汽机的起源

带有交互式动画图表的文章

作者：Anton Howes 和 Matt Brown · 十一月 29， 2023 · 11 阅读分钟

蒸汽机的起源 (rootsofprogress.org)

这是一篇由安东·豪斯（Anton Howes）撰写的客座文章，由非凡设施的马特·布朗（Matt Brown）制作动画。该项目由The Roots of Progress赞助，由该研究所慷慨提供资金。

蒸汽动力并不是从蒸汽机开始的。早在 17 世纪科学家发现真空和大气压的真正本质之前，蒸汽和热的使用设备就已经被开发出来了。在这里，我们将探讨蒸汽机如何演变的漫长而鲜为人知的故事。并玩得开心古老的设备.

最古老的实验

蒸汽机利用两种力。一是加热和膨胀空气和水蒸气的推动力。另一个是冷却和冷凝它们的吸力作用。这两个原则至少早在公元前 3 世纪就已经为人所知，在拜占庭的菲洛描述的一个实验中。

摘自罗伯特·弗鲁德（Robert Fludd） 1617 年的实验插图

在Philo的演示中，加热被困在密封容器内的空气会导致其膨胀并将水从管子上推入打开的容器中。当被困的空气再次冷却时，水被吸回容器中。试一试。您可以拖动所有模型以从不同的角度查看它们：

看似简单明了。但是可以用它做很多事情。

最早的应用

公元1世纪的亚历山大英雄描述了斐洛的原理如何被用来制造一个太阳能激活的、自我补充的“滴头”喷泉。

摘自 1575 年出版的 Hero 拉丁文作品

当阳光照射在容器上时，被困在容器内的空气会加热并膨胀，将水推上喷泉的喷口，滴入下面的水库。当被困的空气再次冷却时，收缩通过管道从下面的储液器吸回水，补充设备。试一试：

Hero 还描述了如何应用相同的原理来提升和移动物体。他举的例子是，在祭坛上放火来打开圣殿的门，当火熄灭时，祭坛会再次关闭：

摘自 1589 年出版的希罗意大利语作品

被困在祭坛内的空气，当被火加热时，会膨胀并将水推入吊桶中。水桶装满水后，拉着绳子打开了圣殿的门。当火被扑灭时，祭坛中空气的收缩将水从桶中抽回，从而通过配重关闭门：

在中世纪的过程中，菲洛和希罗的装置的知识在手稿中流传下来，并继续发展。1580 年代在威尼斯附近使用了太阳能喷泉。1615年，法国工程师所罗门·德·考斯（Salomon de Caus）描述了使用完全相同的原理来运行更强大的太阳能激活的自我补充喷泉。

摘自所罗门·德·考斯（Salomon de Caus） 1615 年的 Les Raisons des Fources Mouvantes

对于这个装置，de Caus使用透镜将太阳光线集中在被困在一系列铜容器内的空气上，这些铜容器共同为喷泉提水。就像在Philo和Hero的设备中一样，当空气再次冷却时，空气的收缩会产生吸力效应，从下方重新填充容器。

De Caus使用完全相同的原理来制造噪音！他读到过古罗马统治的埃及有一尊门农雕像，据说它每天在特定的时间发出声音。De Caus认为这一定是人为完成的，因此开始重新创建它。

摘自 Isaac de Caus 1644 年的 Nouvelle 发明 de lever l'eau plus hault que sa source

为了在阳光普照时发出噪音，de Caus 改编了 Hero 的滴头喷泉。当阳光照射在设备上并加热被困的空气时，喷泉的水将空气推过一些音乐管道。当被困的空气再次冷却时，仪器从下方补充水。

De Caus随后进行了进一步的改进。1644年，他的兄弟艾萨克·德·考斯（Isaac de Caus）发表了对一台机器的描述，该机器在每天的特定时间发出的不仅仅是短暂的噪音。它会播放一整首曲子。

摘自 Isaac de Caus 1644 年的 Nouvelle 发明 de lever l'eau plus hault que sa source

它的工作方式很像希罗的神殿门。在每天的固定时间，太阳会膨胀被困在容器中的空气，将水推入悬挂的水桶中。水桶的落下将水释放到轮子上，为自动演奏的管风琴提供动力。尝试激活它。

当水桶太满时，水桶会倾倒其内容物以停止曲调。当容器中的空气冷却时，它为第二天抽取了水。（上图中未显示第二阶段。

科学家开始感兴趣

菲洛的古代实验也开始被科学家研究。虽然它已经在手稿中流传了几个世纪，但在 1558 年之后，它也开始出现在印刷品中。那不勒斯科学家乔瓦尼·巴蒂斯塔·德拉·波塔（Giovanni Battista della Porta）的畅销书帮助普及了使用玻璃的简化版本。

摘自胡安·埃斯克里瓦诺（Juan Escrivano） 1606 年翻译的德拉·波塔（della Porta）的《I Tre Libri De' Spiritali》

德拉·波塔（Della Porta）描述了一个空的玻璃瓶，当倒置并首先将嘴放在水中时，可以用来提升水 - 似乎无视自然。加热烧瓶会导致其中的空气膨胀并冒出气泡。当其余被困的空气冷却和收缩时，水会上升到烧瓶中。试着增加热量，然后把它拿走。

德拉·波塔（Della Porta）称其为自然魔法。

到 1612 年，帕多瓦的一位医学教授圣托里奥·桑托里奥（Santorio Santorio）注意到，倒置烧瓶内的水位会根据热或冷的强度而下降或上升。通过测量它上升或下降的距离，并用刻度标记它，他将其用作测量温度的设备。圣托里奥重新诠释了发明温度计的古老示范。

摘自巴托洛梅奥·泰利乌（Bartolomeo Telioux） 1611 年的“Mathematica maravigliosa”，ms.8525，巴黎阿森纳图书馆

但圣托里奥的设备并不是一个完美的温度计。倒置烧瓶中的水位不仅对困在其中的空气温度变化做出反应。它还对外部空气的压力做出反应。1610 年代，同一装置的弯曲版本开始出现在北欧，在荷兰被称为 donderglas（雷霆玻璃），在英国被称为防风雨玻璃或 kalender-glass。

几乎可以肯定，荷兰发明家科内利斯·德雷贝尔（Cornelis Drebbel）发明了桑托里奥装置的这种替代版本，而是被用作一种晴雨表，以发出即将到来的风暴的信号。随着大气层越来越轻，它对弯曲烧瓶内水面的压力越来越小，导致它从水中升起。拖动滑块以更改天气：

（顺便说一句：直到后来，气压的干扰效应才从圣托里奥的温度计中消除。这是在 1640 年代实现的，可能是托斯卡纳大公费迪南德二世通过密封设备的末端，使其不再向大气开放，也不再受到大气的影响。

德雷贝尔的奇迹

除了发明雷霆玻璃外，科内利斯·德雷贝尔还发现了更多利用水的周期性上升和下降来响应温度和大气压力变化的方法——他认为这是一种利用宇宙永动机的方法。他在英国王室的同事所罗门·德·考斯（Salomon de Caus）很有帮助地说明了德雷贝尔是如何做到这一点的：

摘自所罗门·德·考斯（Salomon de Caus） 1615 年的 Les Raisons des Fources Mouvantes

这实际上只是倒置烧瓶实验的另一个版本，但细管是向大气开放的部分。为简单起见，我们将仅显示温度对设备的影响，而不显示大气压力的复杂影响。当被困的空气被加热时，它会将水推上管子，管子上漂浮着重物。通过升高或降低重量，水位的变化可以转动指示表盘。拖动滑块以更改温度并移动刻度盘。

德雷贝尔将这个概念发挥到了极致。1598年，他获得了荷兰的万年钟专利，并写信给英国国王詹姆斯一世，提出要为他建造一个永远移动的整个宇宙模型。德雷贝尔的“永动机”从1606年左右开始保存在埃尔特姆宫，成为整个欧洲的奇迹。它的表盘显示时间、星期、月份、年份和黄道十二宫。顶部的一个小球体表示月相。它周围的玻璃环中的液体似乎随着潮汐上下移动：

摘自海因里希·希塞尔·冯·乔多（Heinrich Hiesserle von Chodaw）的1612年《Raiss Buch und Leben》，MS vi A 12，f.49r，布拉格国家博物馆

德雷贝尔的“永动机”利用了温度和大气压力的自然变化。为了简单起见，以下是它如何响应太阳的热量。外圈中显示的“潮水”实际上是通过捕获在一侧的空气的加热和冷却而上下移动的。现在拖动模型看后面。

另一袋被困的空气在加热时会推动一种可能是汞的液体。这周期性地重新上链一个弹簧驱动的机构，为表盘和月亮指示器提供动力，使其“永久”运转。我们不确定它是如何工作的，但这是我们最好的猜测。

蒸汽变得严肃起来

1630 年代后期，在伦敦附近的沃克斯豪尔，德国或丹麦的枪械制造商卡斯帕·卡尔索夫（Kaspar Kalthoff）试图在更大的范围内应用相同的提水特性，就像英国作家威廉·佩蒂（William Petty）在 1649 年所做的那样。不幸的是，Kalthoff和Petty发明的全部细节尚未被发现。但仅仅几年后的1653年，法国数学老师和耶稣会神父让·弗朗索瓦（Jean François）发表了对一个看似相同的装置的描述。

水被煮沸成蒸汽，然后充满一个凸起的容器。蒸汽取代了容器中已有的空气，这些空气通过通风口排出。当通风口被密封时，容器中蒸汽的冷却和冷凝将水从其下方的水库中吸出。一旦升起，就可以通过水龙头释放水，再次打开通风口，让水流出。尝试将水抬高，然后释放：

弗朗索瓦（François）建议使用这种设备为厨房提水，直到1790年代，英国才使用它的改进版本来提水以驱动工业水车。

但Kalthoff和Petty都设想了更重的应用，比如从被淹没的矿井中抽水。正如他们俩所发现的那样，问题在于吸力可以提高水的物理极限。超过大约 34 英尺或 10 米的高度，它就停止了工作。

吸力的极限

1630年，乔瓦尼·巴蒂斯塔·巴利亚尼（Giovanni Battista Baliani）也注意到了同样的限制，他无法让大型铜虹吸管工作。在34英尺以下，当他释放虹吸管的两端时，水会从较高的水位流向较低的水位，直到它们都相同。然而，高于此值，水会在虹吸管内破裂，从两端冲出水面不超过 34 英尺的水位。拖动滑块以查看水的动作。现在尝试切换到更高的虹吸管，看看 Baliani 的问题：

巴利亚尼写信给科学家伽利略·伽利莱（Galileo Galilei），询问这怎么可能。虹吸管是用实心铜制成的，似乎没有空气进入，所以他无法弄清楚虹吸管的水面上怎么会留下一个缝隙。人们普遍认为，那里没有任何东西——真空——是不可能的。伽利略的回答是，虹吸管内的水柱就像一根物理绳索，超过一定高度，它将不再能够支撑自己的重量，因此折断了。他认为，水柱上方留下的空间确实是真空。噩！

1643年，加斯帕罗·贝尔蒂（Gasparo Berti）用一根超过34英尺高的铅管测试了伽利略的理论，顶部有一个玻璃杯。这使他能够透过玻璃看到水柱上方确实有一个缝隙。1644 年，Evangelista Torricelli 和 Vincenzo Viviani 用密度更大的液体水银在微型中重复了这个实验。他们发现，无论液体柱上方留下的空间有多大，它总是会落到相同的高度。拖动滑块以打开管道的底部。看看水银是如何落到同一水平的，而不管上面的空间如何：

为了防止形成“不可能”的真空，托里切利推断吸力实际上是大气将液体柱推入空旷空间的结果，而不是由液体被拉起引起的。大气层只能将液体提升到其重量允许的高度，直到它们的重量达到平衡。托里切利认为，“我们生活在基本空气的底部”。

然后还注意到，实验中的液体水平会根据大气压力的变化而上升和下降，但没有温度变化的干扰作用。与德雷贝尔的天气玻璃不同，托里切利的实验没有滞留的空气，在加热或冷却时会膨胀或收缩。所以他也发现了晴雨表。

蒸汽的膨胀力

尽管冷却和冷凝蒸汽的吸力限制在 34 英尺以内，但使用相反的膨胀推力可以做更多的事情。我们看到的许多设备都利用了加热空气的膨胀力，可能涉及一些水蒸气，但也有许多较旧的设备利用了更大的热蒸汽力。

蒸汽可以煮沸并通过狭窄的喷口强行引导——这种装置通常被称为“哲学风箱”或风瓶，以希腊风神风神 Aeolus 的名字命名。炼金术士经常使用风灯来产生喷灯效果，也可以针对涡轮机，正如 15 世纪的莱昂纳多·达·芬奇、1551 年奥斯曼帝国科学家 Taqi ad-Din 和 1629 年的乔瓦尼·布兰卡所建议的那样。

摘自乔瓦尼·布兰卡（Giovanni Branca） 1629 年的《机器》

然而，风力堆至少可以追溯到公元一世纪。亚历山大英雄描述了该装置的几个不同版本，其中最著名的是将蒸汽从锅炉传递到一个空心球体中，然后在轴上旋转：

这些设备中的许多设备除了非常轻的机械工作外，无法实现更多。但到了1606年，西班牙军事工程师热罗尼莫·德·阿扬兹·博蒙特（Jerónimo de Ayanz y Beaumont）发明了一种利用蒸汽膨胀力将水从矿井中抽出的方法。Kaspar Kalthoff 在 1640 年代开发了类似的发动机，而 1650 年代后期，第二任伍斯特侯爵爱德华·萨默塞特（Edward Somerset）正在开发类似的发动机（似乎是在 Kalthoff 的帮助下）。

摘自 de Ayanz 1606 年来自卡斯蒂利亚卡马拉的专利，Cédulas，174、97、21，在西曼卡斯总档案馆

De Ayanz 的发动机的工作原理是将矿井水引入两艘船中的一艘，使用锅炉的热蒸汽将一个容器中的水推得更高，而另一个容器则通过重力重新填充。通过交替使用容器，它可以连续地将矿井水抽出。但它没有利用蒸汽的冷却。向右拖动滑块可查看机器完成单个循环。

蒸汽机的到来

1698年，英国发明家托马斯·萨弗里（Thomas Savery）为一种发动机申请了专利，该发动机结合了膨胀和冷凝蒸汽的效果。他是第一个被广泛使用的发动机，尽管卡尔索夫可能在 1640 年代开始了类似的实验，荷兰科学家艾萨克·贝克曼（Isaac Beeckman）在 1622 年勾勒出一种使用空气而不是蒸汽的非常相似的装置。Savery 向皇家学会提交了他的发动机的详细描述，并于 1702 年发表了详细的描述。他称其为“矿工的朋友”。

来自托马斯·萨维里（Thomas Savery）的 1702 年矿工之友

水被煮沸成蒸汽，然后装满一个容器。冷水被倒在容器上，使里面的蒸汽凝结，从下面的矿井将水吸入容器中。然后，热蒸汽被重新引入容器，将水推得更高。当热蒸汽将水推到一个容器中时，另一个容器通过冷凝吸水，反之亦然，交替进行，以便机器连续泵送水。将滑块向右拖动以查看它完成一个完整的循环。与往常一样，请记住，您可以拖动模型以从不同角度查看它。

在18世纪，Savery的发动机被用于为家庭、花园和驱动为工厂提供动力的水车。但是，尽管它被称为矿工的朋友，但它可能从未被用来排干矿井。相反，这项任务被交给了另一种蒸汽机，但那是另一个时代的故事了。