2010年11月12日

空氣動力蒸汽機

工業革命使得大規模工廠化生產取代個體的手工生產,為人類歷史帶來了新時代,現在我們便來學習製作引發工業革命的原點——蒸汽機。

作者/周鑑恒(任教萬能科技大學光電系)
許多人都讀過詹姆士‧瓦特(James Watt)發明蒸汽機的故事:瓦特年輕時看到煮水壺子的壺蓋被水蒸汽掀動的情景,於是引發了設計蒸汽機的靈感,終於發明了蒸汽機。這故事推崇瓦特在改良蒸汽機過程中做出的巨大貢獻,實無可厚非,但說瓦特從煮開水的水壺中獲得發明蒸汽機的靈感,則真的偏離史實太遠了。

蒸汽機的演進

姑且不論出現在西元一世紀左右,被認為是蒸汽機始祖的風動球(aeolipile ,圖一),近代比較像樣的蒸汽機可以從十七世紀晚期湯姆士‧ 塞維利(Thomas Savery)設計的蒸汽機談起。塞維利設計的蒸汽機,起初利用封閉容器中的水蒸汽將煤礦中的積水排出,接著冷卻該封閉容器,在容器中形成低壓狀態,以便再度「吸」入礦坑中的積水,雖然效率不佳,但重複這樣的過程就能夠發揮抽水的功能。

圖一:作者設計的風動球(最近版本)。


到了1712 年,湯姆士‧紐科門(Thomas Newcomen)改進了塞維利的設計,利用壓力較大的蒸汽推動汽缸中的活塞,接著冷卻汽缸,形成低壓的狀態而推回活塞,這活塞再經過連桿拉動抽水裝置,抽出更深的礦井積水。

紐科門蒸汽機可以說得上是瓦特蒸汽機的前身。1763 年瓦特在英國格拉斯哥大學(Glasgow University)修理紐科門蒸汽機,發現了紐科門蒸汽機的許多缺點。瓦特首先將冷卻蒸汽的過程改在另外的冷凝器中進行,大大提高了使用熱能的效率,並在往後三十年間持續改良蒸汽機,發展出有曲柄、飛輪的往復式蒸汽機。

蒸汽機成熟之後,蒸汽火車頭、蒸汽船陸續問世,引發了工業革命以及隨之而來政治、經濟和社會的巨大變動。往復式蒸汽機構造精巧,運轉時各部件一起連動,力與美的結合相當引人入勝。不過時至今日,除了少數高山火車仍使用往復式蒸汽機作為發動機之外,往復式蒸汽機已鮮少使用,逐漸退出歷史舞台,繼之而起的是現代核能電廠、航空母艦、火力電廠中常用的蒸汽渦輪機。

儘管如此,動手製作一具可透視主要活動零件(包括活塞、氣閥等)的透明蒸汽機,一定可以帶來不少驚奇(圖二)。這具蒸汽機的汽缸是玻璃製的,活塞則用厚紙板製成,分流盒的部分構造則以透明壓克力包覆,務求一目了然,突顯和諧律動之美。


圖二:蒸汽機的實物攝影。

汽缸在圖的右下方,由透明玻璃製作的,其中的紙活塞清晰可見;圖的右上方則為分流盒。

為了安全和維修方便起見,這具蒸汽機不適宜用蒸汽推動,而改用空氣推動,雖然現代家庭並不會都具有夠力的鼓風機,但一定都備有吸塵器。讀者也許有所不知,「吸」塵器應該稱為「吹」塵器,因為並沒有任何東西在吸塵,吸塵器運作時,是在吸塵器中形成低壓,靠大得驚人的大氣壓力形成強烈氣流,而將灰塵吹入吸塵器中。在這具透明蒸汽機的蒸汽出口處接上吸塵器,則大氣灌入蒸汽機中,就像水蒸汽灌入蒸汽機一樣,也能驅動這具用不同材料拼湊起來的蒸汽機快速運轉。【更詳細的內容,請參閱第491期科學月刊】

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