王怡萌

摘 要 作為工業(yè)革命基礎(chǔ)的技術(shù)創(chuàng)新雖然幾乎全部出于工匠或技師之手，但并非絲毫沒有得益于當(dāng)時科學(xué)理論的幫助，如瓦特在改進(jìn)紐科門蒸汽機(jī)時就受到了布萊克潛熱理論的影響。18世紀(jì)后期，在蒸汽動力的應(yīng)用所帶來的革命影響下，以伯明翰月光社成員為代表的科學(xué)家們對熱學(xué)研究產(chǎn)生了廣泛興趣。19世紀(jì)，以卡諾為代表的科學(xué)家對以蒸汽機(jī)為基礎(chǔ)的理論研究成為熱力學(xué)研究的開端。

關(guān)鍵詞 蒸汽機(jī) 熱力學(xué) 潛熱 伯明翰月光社 卡諾

一 引言

麥克萊倫第三（J. E. McClellan Ⅲ）在《世界史上的科學(xué)技術(shù)》一書中這樣概括工業(yè)革命時期的技術(shù)創(chuàng)新與科學(xué)理論之間的關(guān)系：“構(gòu)成18世紀(jì)和19世紀(jì)上半葉工業(yè)革命基礎(chǔ)的那些技術(shù)創(chuàng)新，準(zhǔn)確地說都是由工匠、技師或工程師這一類人做出來的。他們中間沒有多少人接受過大學(xué)教育，而且他們?nèi)际窃跊]有得益于科學(xué)理論的情況下取得成果的?！保╗1]，頁336）他指出所謂的紐科門（T. Newcomen）曾經(jīng)得到過胡克（R. Hooke）的指導(dǎo)，或是瓦特（J. Watt）受到了布萊克（J. Black）的潛熱理論的啟發(fā)才想出了單獨(dú)另設(shè)一個冷凝器等等這些故事，完全是虛構(gòu)的。

有趣的是，一些科學(xué)史家在其著作中卻明顯表達(dá)出與麥克萊倫第三不同的觀點(diǎn)。如斯蒂芬·F·梅森（S. F. Mason）在《自然科學(xué)史》中提到：相比而言，17世紀(jì)科學(xué)家對純科學(xué)和實(shí)用科學(xué)同樣感興趣。而18世紀(jì)的兩項(xiàng)重要發(fā)明（蒸汽機(jī)和航海計時器）中并沒有體現(xiàn)出純科學(xué)與實(shí)用科學(xué)的結(jié)合，例如蒸汽機(jī)的先驅(qū)者紐科門僅僅是一位鐵匠。但梅森認(rèn)為：“十八世紀(jì)的新紡織機(jī)和煉鐵上的革新，在工藝上都是重要的發(fā)明，但是蒸汽機(jī)的發(fā)展，由于科學(xué)內(nèi)容和科學(xué)方法的關(guān)系太密切了，恐怕是十九世紀(jì)以前最重要的一項(xiàng)科學(xué)應(yīng)用。”（[2]，頁259）他指出，其中一個重要的例子就是瓦特改進(jìn)蒸汽機(jī)的事例：“英國科學(xué)家和工程師發(fā)展實(shí)驗(yàn)的和實(shí)用的科學(xué)，給予工業(yè)技術(shù)以一種直接的推動力。……布萊克研究比熱和潛熱的實(shí)驗(yàn)，立刻被實(shí)際應(yīng)用到瓦特發(fā)展的新蒸汽機(jī)上?！保╗2]，頁262）

這兩種不同觀點(diǎn)的并立，不僅是由于兩位歷史學(xué)家所使用的史料不同，也與這兩人對技術(shù)與科學(xué)關(guān)系認(rèn)識的不同有關(guān)。通過對科學(xué)技術(shù)史的考察，麥克萊倫第三在書中明確地反對把技術(shù)當(dāng)做是應(yīng)用科學(xué)的觀點(diǎn)，認(rèn)為這種觀點(diǎn)很大程度上是人們將當(dāng)代科學(xué)與實(shí)際應(yīng)用的密切關(guān)系遷移到歷史上而造成的；麥克萊倫第三希望從歷史的視角審視科學(xué)，從而得出“歷史上的技術(shù)是在引導(dǎo)著科學(xué)”的觀點(diǎn)，而不是相反。與此相對，梅森在開篇就提出，以技術(shù)傳統(tǒng)和精神傳統(tǒng)為歷史根源的科學(xué)傳統(tǒng)包含著實(shí)踐和理論的兩個部分，由此其取得的成果也具有技術(shù)和哲學(xué)的雙重意義。

需要說明的是，對技術(shù)與科學(xué)關(guān)系的哲學(xué)討論并不是我們討論的核心。我們的問題是：作為麥克萊倫第三和梅森兩人分歧的焦點(diǎn)，瓦特蒸汽機(jī)的發(fā)明與熱力學(xué)理論有著怎樣的關(guān)系？它是否受到了布萊克潛熱理論的影響？進(jìn)一步說，蒸汽機(jī)的革新與熱力學(xué)理論有什么互動，反過來又對熱力學(xué)理論有什么影響呢？這些問題須從歷史本身角度來發(fā)掘。

二 瓦特對蒸汽機(jī)的改進(jìn)與布萊克潛熱理論

麥克萊倫第三曾說過，在工業(yè)革命初期成功進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新的都是工匠或技師，詹姆斯·瓦特亦不例外。瓦特的父親和祖父都從事過與機(jī)械有關(guān)的生意。尤其是瓦特的父親老詹姆斯·瓦特，作為一名手藝精湛的造船工匠，由于顧客太多而忙不過來，他在自家后院開了一家作坊，這個作坊對瓦特日后的工作有著極為重要的意義。因?yàn)樵谕咛氐挠啄陼r期，他的父親在這個作坊中為瓦特安排了一個小的工作臺，而當(dāng)時的瓦特便表現(xiàn)出機(jī)械制造方面的天賦，并在作坊的工人之間被傳為佳話。1755年，不到20歲的瓦特離開蘇格蘭，來到倫敦，幸運(yùn)地跟隨倫敦一位有名的手藝人約翰·摩根（J. Morgan）先生學(xué)習(xí)。1756年，瓦特回到了自己的家鄉(xiāng)，但由于苛刻的行會制度，瓦特的學(xué)徒工經(jīng)歷達(dá)不到行會要求，沒能如愿開一間屬于自己的店鋪。幸運(yùn)的是，通過瓦特的遠(yuǎn)方舅舅米黑爾德的關(guān)系，瓦特結(jié)識了迪克博士，迪克此時負(fù)責(zé)一項(xiàng)給格拉斯哥大學(xué)捐贈天文儀器的工作，迪克博士把清洗儀器的工作交給了瓦特，并為他提供酬金。但更重要的是，瓦特在修理這批儀器時表現(xiàn)出的高超技藝，使得格拉斯哥大學(xué)的教授們留下了深刻的印象。于是，格拉斯哥大學(xué)分給瓦特一間20英尺見方的工作室，而這間工作室隨后成為瓦特研究改進(jìn)蒸汽機(jī)的主要場所。

瓦特首先利用當(dāng)時格拉斯哥大學(xué)的一臺最新型的紐科門蒸汽機(jī)的物理教學(xué)模型進(jìn)行研究。經(jīng)過了反復(fù)的觀察和實(shí)驗(yàn)，瓦特發(fā)現(xiàn)了潛熱現(xiàn)象，而這個概念最初是由他的好友布萊克博士（J. Black）提出的。當(dāng)時布萊克博士雖然和瓦特在同一所大學(xué)共事又研究同一課題，但他們對彼此的工作幾乎一無所知。因此當(dāng)瓦特發(fā)現(xiàn)單位質(zhì)量的水受熱生成的蒸汽冷凝后可以將自身質(zhì)量5倍的水加熱至沸點(diǎn)時，他無法對這種現(xiàn)象作出理論層面的解釋：

這種現(xiàn)象（潛熱的作用）令我感到迷惑不解，我便向好友布萊克博士提起此事，他于是向我解釋了他的潛熱理論，在此之前（1764年）他已經(jīng)做過一段時間的研究；不過我那段時間忙著生意上的事情，即使以前就對這項(xiàng)理論有所耳聞，而且偶然發(fā)現(xiàn)了一個可以用它進(jìn)行完美解釋的現(xiàn)象，那時我也不會重視它的。（[3]，頁33）

談到這里，有必要介紹一下潛熱理論及其與布萊克教授的關(guān)系。法國物理學(xué)家阿拉戈（F. Arago，1786—1853）曾指出，潛熱理論在現(xiàn)代物理學(xué)史上占有舉足輕重的位置。但需要指出的是，布萊克的潛熱理論依據(jù)的是現(xiàn)在已經(jīng)被現(xiàn)代熱力學(xué)證明是錯誤的熱質(zhì)說。

18世紀(jì)時，人們已經(jīng)拋棄了17世紀(jì)權(quán)威科學(xué)家們所明確提出的“熱是由于分子的運(yùn)動”這個正確的觀念，取而代之的是熱質(zhì)說，且這個概念在18世紀(jì)末被人們普遍接受（[4]，頁118—119）。依據(jù)熱質(zhì)說，熱具有高度彈性且它的微粒彼此排斥，而這種排斥能解釋熱物體放出熱的事實(shí)，并且假定分布在物體中的熱在數(shù)量上是正比于物體與熱微粒的相互吸引力（或者物體的熱容量）。

盡管這個理論是錯誤的，人們還是依據(jù)熱質(zhì)說發(fā)現(xiàn)了某些關(guān)于熱的新事實(shí)。布萊克對“潛熱”的發(fā)現(xiàn)就是一個例子?！霸?756年，他開始思考冰的溶解和水在沸騰時的消散的令人不解的緩慢。他最后斷定，大量的熱僅僅消耗在實(shí)現(xiàn)這些狀態(tài)的變化方面，而溫度甚至于沒有絲毫的改變，這種[熱的]散失的原因是在物質(zhì)的微粒和稱為熱的細(xì)流之間的準(zhǔn)化學(xué)組合。按照他的觀點(diǎn)，這種熱是‘潛在的……”（[4]，頁120）按現(xiàn)代的研究，并不存在什么“潛熱”，而是發(fā)生了能量轉(zhuǎn)換，即熱能轉(zhuǎn)化為物質(zhì)粒子的勢能。布萊克隨后和他的學(xué)生威廉·歐文（W. Owen）得到了水的汽化熱值和溶解熱值，不可避免的是，這些值與現(xiàn)代得到的數(shù)值相比有少量偏差。

而瓦特通過實(shí)驗(yàn)所研究的水和蒸汽之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程與布萊克所觀察到的現(xiàn)象極為類似。他用兩磅100℃的蒸汽接觸10磅0℃的水，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蒸汽完全液化且同時那10磅水被加熱到了100℃。這一現(xiàn)象說明了兩磅的蒸汽凝結(jié)為水的過程中放出的熱量能夠?qū)?0磅處于冰點(diǎn)的水加熱到沸點(diǎn)，而這樣的蒸汽接觸到低溫介質(zhì)表面時發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)變所放出的熱量就是布萊克所說的潛熱。所以當(dāng)他與布萊克討論的時候，才發(fā)現(xiàn)他的好友幾年前就已經(jīng)開始研究潛熱并將其應(yīng)用到了教學(xué)當(dāng)中。

這一理論對于瓦特具有重要意義。在弄清了潛熱的意義后，瓦特認(rèn)識到了潛熱的存在正是紐科門發(fā)動機(jī)熱效率低下的癥結(jié)所在。紐科門發(fā)動機(jī)的工作原理是，燃燒木材或煤炭把水加熱到沸點(diǎn)且繼續(xù)加熱。由此產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入汽缸，推動活塞做功。但瓦特發(fā)現(xiàn)，其中存在的一個問題是，對汽缸的反復(fù)加熱和冷卻過程中，蒸汽以潛熱的形式損失了80%的蒸汽熱量，僅有20%用于推動活塞做功。因此瓦特要解決的根本問題是如何維持氣缸溫度，避免蒸汽熱量在反復(fù)加熱與冷卻的過程中大量損失。在1765年一個安息日的午后，瓦特在散步途中產(chǎn)生了“分離式冷凝器”的靈感。分離式冷凝器將蒸汽排入冷凝器冷凝而不再在汽缸中冷凝，由此維持了汽缸的熱度；此外，分離式冷凝器的汽缸為封閉式并配有圓形活塞，活塞桿下端通過填料函伸出來，防止蒸汽溢出，由此在汽缸內(nèi)形成了真空。瓦特曾對用這樣簡單的設(shè)備就能解決困擾已久的難題而驚訝不已，但事實(shí)上，“現(xiàn)實(shí)就是這樣，沒有冷凝器，沒有封閉式氣缸，就沒有現(xiàn)代蒸汽機(jī)”（[3]，頁41）。

當(dāng)然，第一臺帶有分離式冷凝器的蒸汽機(jī)樣機(jī)與真正成型的蒸汽機(jī)之間還存在很大差別。瓦特對這臺存在很多缺陷的機(jī)器并不滿意，并著手制造一臺更大功率的蒸汽機(jī)。在此之后他遇到的大多是技術(shù)和資金的問題。他先與羅巴克（J. Roebuck）先生合作，在羅巴克破產(chǎn)后又結(jié)識了伯明翰索荷制造廠的擁有者博爾頓（M. Boutlon）先生。在博爾頓的堅定支持和索荷制造廠一流的設(shè)備和技術(shù)工人的幫助下，1776年，博爾頓-瓦特蒸汽機(jī)在布魯姆菲爾德煤礦首次向公眾展示，因其良好的性能，該產(chǎn)品的咨詢和訂貨者絡(luò)繹不絕。

三 蒸汽機(jī)的應(yīng)用對熱力學(xué)理論的影響

1. 瓦特與伯明翰月光社的熱學(xué)研究

1767年，瓦特經(jīng)原來的資助者的羅巴克的介紹來到伯明翰與博爾頓先生見面。由于博爾頓外出，與博爾頓同為月光派（Lunar Circle）成員的達(dá)爾文（E. Darwin）和斯莫爾（W. Small）帶領(lǐng)瓦特參觀了索荷制造廠。很快，博爾頓從羅巴克手中購買了瓦特的專利權(quán)，瓦特也加入了月光派，在1767—1774年他定居伯明翰的七年間，瓦特成為月光派的一個非常駐成員。

月光派在1775年時改名為月光社（Lunar Society），成為一個位于伯明翰的、由自然哲學(xué)家和工業(yè)學(xué)家組成的學(xué)會，其成員包括博爾頓、瓦特、斯莫爾、達(dá)爾文、韋奇伍德（J. Wedgwood）、普里斯特利（J. Priestley）、埃奇沃思（R. L. Edgeworth）等人。羅伯特·E·斯科菲爾德（R. E. Schofield）在其著作《伯明翰月光社：18世紀(jì)英格蘭地方性科學(xué)和工業(yè)的社會史》（Lunar Society of Birmingham： A Social History of Provincial Science and Industry in Eighteenth-Century England）一書中指出，在當(dāng)時的學(xué)會中，月光社不是第一個也不是最后一個，但卻是在科學(xué)上最為重要的地方性學(xué)會。也有人評價：“月光社和地方性學(xué)會的迅速發(fā)展，有力地推動了英國工業(yè)革命的興起。”[5]

李斌在其論文《月光社的歷史及其影響》中提道：“1781年至1791年這十年是月光社活動最有規(guī)律、最富成效的階段?！?[6]在這段時間中，博爾頓與瓦特繼續(xù)合作，繼續(xù)改進(jìn)蒸汽機(jī)，將其用于更廣的領(lǐng)域，如1786年他將雙作用式發(fā)動機(jī)安裝在倫敦的阿爾比恩碾磨廠。而根據(jù)斯科菲爾德的著作，在瓦特移居伯明翰之后，熱學(xué)研究已經(jīng)成為月光社的共同興趣。

月光社成員之一韋奇伍德進(jìn)行了關(guān)于熱問題的實(shí)驗(yàn)，并于1782年發(fā)明了著名的韋奇伍德高溫計，為18世紀(jì)及以后的科學(xué)提供了一個標(biāo)準(zhǔn)的高溫測量方法。韋奇伍德在1782年5月15日寫信給瓦特，稱當(dāng)時許多化學(xué)家和哲學(xué)家對這樣的溫度計完全滿意。隨后布萊克又寫信給瓦特，稱對韋奇伍德測量溫度的實(shí)驗(yàn)存在懷疑。但是，“瓦特并沒有顧及這種懷疑，他接受了拉瓦錫和拉普拉斯的數(shù)據(jù)來進(jìn)行空氣比熱的粗糙計算，但是，瓦特沒有對比熱進(jìn)行測量，他對于熱的興趣主要在應(yīng)用方面”[6]。

加入月光社之后，瓦特繼續(xù)進(jìn)行熱學(xué)實(shí)驗(yàn)，并發(fā)明了能夠顯示蒸汽機(jī)一個沖程內(nèi)壓力變化平均值的壓容圖。在這一時期，瓦特與布萊克仍然保持著頻繁的通信，根據(jù)伊拉斯謨·達(dá)爾文的兒子查爾斯·達(dá)爾文（C. Darwin）1777年的一封信，瓦特曾宣稱，在蒸發(fā)這一部分，他所作的工作比布萊克還要多[6] 。

月光社其他成員在這一時期也在熱學(xué)領(lǐng)域中有所建樹：1776年，月光社成員之一的維特赫斯特在《哲學(xué)匯刊》（Philosophical Transactions）上發(fā)表了一篇關(guān)于熱是否有重量的論文；伊拉斯謨·達(dá)爾文描述了絕熱過程，并明確和詳細(xì)地進(jìn)行了絕熱實(shí)驗(yàn)；普里斯特利通過進(jìn)行不同空氣的熱膨脹實(shí)驗(yàn)，粗略地計算出了氣體恒定壓力下的膨脹系數(shù)。

2. 蒸汽機(jī)與熱力學(xué)的開端

卡約里在《物理學(xué)史》中談到蒸汽機(jī)與熱力學(xué)開端的關(guān)系：“熱力學(xué)這門科學(xué)起源于企圖從數(shù)學(xué)上判定蒸汽機(jī)能作出多大的功?！保╗4]，頁208）梅森在《自然科學(xué)史》中說道：“（19世紀(jì)）法國人正在研究控制蒸汽機(jī)把熱變?yōu)闄C(jī)械能的各種因素。這些因素在英國人那里并沒有進(jìn)行過充分的研究，雖然那時在英國使用蒸汽機(jī)已經(jīng)超過了一百年?！墓こ處?，如瓦特，大都是自學(xué)出來的，但是十九世紀(jì)早期的法國工程師則是在多種工藝學(xué)院和理論科學(xué)家一同受到訓(xùn)練的，所以倒是他們比較能夠從事蒸汽機(jī)理論和一般機(jī)器理論的研究?！保╗2]，頁459）根據(jù)梅森的觀點(diǎn)，正是理論科學(xué)家和實(shí)用工程師對蒸汽機(jī)理論的共同研究，促進(jìn)了19世紀(jì)法國熱問題研究的發(fā)展。

而第一位“從數(shù)學(xué)上判定蒸汽機(jī)能作出多大的功”的熱力學(xué)先驅(qū)就是一位法國人卡諾（N. Carnot， 1796—1832）。他對熱力學(xué)的最大貢獻(xiàn)就是他于1824年發(fā)表的論文“關(guān)于火的動力的研究”（Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu）。麥克萊倫第三稱，這篇論文也是首次對蒸汽機(jī)的工作原理作出的科學(xué)分析（[1]，頁336）。體積進(jìn)一步縮小、熱效率進(jìn)一步提高的沃爾夫蒸汽機(jī)于1820年前后被引進(jìn)到法國，這場蒸汽機(jī)帶來的革命吸引著卡諾進(jìn)行熱機(jī)理論的研究。而之所以稱卡諾為蒸汽機(jī)原理的第一人，主要在于他在研究中用理論熱機(jī)代替了實(shí)際熱機(jī)，擺脫了熱機(jī)的各種具體結(jié)構(gòu)和工作介質(zhì)的差異?！翱ㄖZ敏銳地注意到，一個蒸汽機(jī)所產(chǎn)生的機(jī)械功，在原則上有賴于鍋爐和冷凝器之間的溫度差?！保╗7]，頁56）通過這種科學(xué)抽象的方法，卡諾建立了理想化的模型，即“卡諾熱機(jī)”。接著卡諾在描述蒸汽機(jī)原理時引入了兩個熱力學(xué)的基本概念：完備性與可逆性?？ㄖZ運(yùn)用這兩個概念證明了工作于相同高溫及低溫?zé)嵩粗g的所有熱機(jī)中，以可逆卡諾熱機(jī)效率最高，即“卡諾定理”。

然而這本書出版后并未立即引起反響。1834年克拉珀龍（B. Clapeyron）應(yīng)用我們之前所提到的瓦特發(fā)明的壓容圖對卡諾熱機(jī)進(jìn)行了解析。1848年，威廉·湯姆遜發(fā)表一系列為卡諾辯護(hù)的論文，其中證明了卡諾的循環(huán)變換原理導(dǎo)致了絕對熱力學(xué)溫標(biāo)的出現(xiàn)，此時卡諾的貢獻(xiàn)才被人們普遍承認(rèn)。1850年，克勞修斯（R. Clausius）證明了卡諾理論的正確性并將卡諾循環(huán)中的“熱沒有消失”這一觀點(diǎn)修正為“消失的熱已轉(zhuǎn)化成功”，并于同年在卡諾定理的基礎(chǔ)上提出了熱力學(xué)第二定律。

庫恩在《必要的張力》中十分強(qiáng)調(diào)蒸汽機(jī)對熱力學(xué)理論研究的影響：“在九個使轉(zhuǎn)化過程定量化而獲得部分或完全成功的先驅(qū)者當(dāng)中，除了邁爾和赫爾姆霍茨以外，都受過工程師教育，或者當(dāng)他們對能量守恒作出貢獻(xiàn)時正在直接從事蒸汽機(jī)方面的工作。在各自獨(dú)立計算出能量轉(zhuǎn)化系數(shù)值的六個人當(dāng)中，除了邁爾以外，都是當(dāng)時正在從事設(shè)計蒸汽機(jī)，或過去受過這種訓(xùn)練?！@一概念，正是由于19世紀(jì)人們關(guān)注蒸汽機(jī)而對能量守恒所作的最有決定性的貢獻(xiàn)?！保╗8]，頁78—79）

四 小結(jié)

綜上所述，我們發(fā)現(xiàn)瓦特改進(jìn)紐科門蒸汽機(jī)時遇到的關(guān)鍵問題的解決確實(shí)是在熱學(xué)研究者布萊克的幫助下完成的。而瓦特與月光社成員對蒸汽機(jī)改進(jìn)成果的密切交流，又促進(jìn)了月光社成員在18世紀(jì)下半葉對熱學(xué)的研究，其中很多工作成為19世紀(jì)熱力學(xué)研究開展的基礎(chǔ)。19世紀(jì)，蒸汽機(jī)的廣泛應(yīng)用及其所帶來的革命的巨大影響力，吸引了大批科學(xué)家和工程師開展了以蒸汽機(jī)為基礎(chǔ)的熱力學(xué)研究，這些成為為熱力學(xué)第一、第二定律的理論基礎(chǔ)。曾有人指出，卡諾等人的理論又反過來促進(jìn)了對蒸汽機(jī)的改變，證據(jù)是1800—1864年間，蒸汽機(jī)的功率和熱效率都提高了數(shù)倍（[7]，頁16）。由此可見，作為技術(shù)范疇的蒸汽動力的應(yīng)用與作為科學(xué)理論的范疇的熱力學(xué)理論在工業(yè)革命時期有廣泛又復(fù)雜的交互聯(lián)系。

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