113/11/29
生物多樣性資料庫 iNaturalist（愛自然）——全民參與，一起保育大自然
寒波｜
科技大觀園特約編輯
講演綱要（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。