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推動人類工業革命與社會大躍進的舵手─蒸汽機與引擎

蒸汽機的誕生為人類生活與科技發展帶動了巨大的改變,在人類的工商業與社會發展具有極重要的歷史地位,甚至牽動了人類文化與思維的變遷。 瓦特改良的蒸汽機不僅推動了一系列工程技術研發的巨大躍進,使人類得以跳脫原受限於大自然環境的動力牽制,從低效率不穩定的手工勞動時代跨入精準、規律、迅捷、便利具高效能的動力機器時代,大幅解決了大規模生產中最關鍵的問題。
 
 
推動工業邁入密集可量產的產業時代。 其穩定的機械動力特性更推動了運輸科技與交通工具研發的大幅邁進,汽輪船、汽機車及飛行器具、甚至太空飛航系統的出現,使交通運輸業得以快速發展。這一、兩世紀已來更促進了與物聯網的緊密結合,人與人之間的交往更加便捷,使得世界經濟文化的聯繫與互動日益密切,形成一個密不可分的完整個體。 交通變得更佳的方便快速,人與人之間距離的縮短,加快了物流傳遞的速度跟需求。蒸汽機在發電領域的應用更進一步提供人類大量便捷的電力資源。大規模穩定電力的供應與內燃機的普及開啟了第二次工業革命的康莊大道。因此,蒸汽機的出現與改良一致被認為是促成工業革命的主要原因之一。 但蒸汽引擎的高度應用卻也造成了地球環境的嚴重污染。為獲得蒸汽,隨處趴趴走的路、海、空各式交通工具的引擎排氣裝置、傳統化石燃料發電廠或工業界高聳入雲的煙囪,無時無刻不斷排出的引擎廢氣;再加上龐大的機械廠房,發出隆隆的轟鳴,打破了中世紀無蒸汽機時代清新的田園生活與恬靜的世界。為此現今人類為這些便利,也正在付出沉重的代價。 此次演講戴明鳳教授為了讓聽眾能直接體驗蒸汽引擎的運作與其效益,故特別於現場展示諸多經典且具代表的蒸汽引擎與發電機模型。透過現場實體操作與觀察更能切身感受當年蒸汽引擎帶給人們的震撼!
 
講演綱要(審校|孫維新)
講座一開始,主持人孫維新教授就提及「周年」這個關鍵詞,時間上由遠到近,今年滿500周年的大事件,是麥哲倫的船隊揚帆出航,滿150年的大事記,是化學上門得列夫提出了元素周期表,今年同時也是時空扭曲滿100年的紀念,由艾丁頓爵士完成歷史上極為著名的日食觀測,證實了愛因斯坦所說「質量造成時空扭曲」的理論!而今年也是工業革命的巨大推手-發明家瓦特(James Watt)-逝世的200週年,他改良的蒸汽機對後世產生無比巨大的改變,科學技術和人類生活因而迅速發展,讓人類生活起了翻天覆地的變化,也因此秋季展望系列就從早前的指南車、蒸汽機時代談起,直到太空船與量子電腦的未來科技!

戴教授曾經作過超導領域學術研究,因緣際會轉換職涯,現在帶動清大跨領域科學教育中心向前,於國內長期進行科學實驗演示,將專業投入在大眾科學教育工作,其推廣科普的身影遍及海內外。她也致力於科普資源下鄉,培育學童創客精神,與學童分享科學實作的知識與趣味,也因此深受學生的喜愛。戴教授說,自己自小沒有補過習,學校成績排行沒有名列前茅,不過最特別的是「三清」,在國內清華大學取得學士、碩士,與博士,最終還被清華聘任為教師,算是創下了記錄!
 
戴教授這次帶來了一整桌工業時代縮影的機械,原本因為體積龐大機械複雜等因素,要全體總動員攜帶出門實在不易,只有遇到特殊情形才會大舉出動,這次算是第三回,不然聽眾得去實驗室才能一覽無遺!戴教授話鋒一轉,回歸第一次工業革命的主角:蒸汽機。蒸汽機不是詹姆斯·瓦特發明的,第一台實用蒸汽機的出現,要歸功於湯瑪斯·塞維利(Thomas Savery),湯瑪斯·紐科門(Thomas Newcomen)的貢獻,後者用冷凝原理製造局部真空,活塞裝置製造動力,當時的設計將冷凝器和汽缸置於同個空間,受到諸多限制,效率不佳。瓦特負責維修紐科門蒸汽機,發現問題所在,以閥門將氣缸與凝結缸分開以改良蒸汽機,大幅提升了工作效率。

蒸汽機在人類工業與社會的發展中,具有極重要的歷史地位。藉此動力源從有生命的獸類轉變為無生命的機械。瓦特改良的蒸汽機帶來一連串的技術革命,對文明走向機械時代跨出巨大步伐。戴教授指出,1870年英國蒸汽機的能力約為400萬馬力,相當於4000萬男眾人力工作的產量。勞動力因此釋放,讓人們取得較多的時間發展藝術和文化,資本主義也應運而生。因為山區挖礦需要大量水源,但難以由水車取得,因此蒸汽機問世尤其對煤業開採有重大突破!

戴教授進而解釋改良蒸汽機解決了大機器生產中的動力推進問題,為內燃機的發展奠定了基礎,從而推動交通運輸達到空前的進步!依照物理與機械工程學定義,「熱機」指利用熱能而產生動力的機械之統稱。以燃燒方式分類,可分為常聽到的「外燃機」引擎(External combustion engine,E. C. E.)跟「內燃機」引擎(Internal combustion engine,I. C. E.),蒸汽機屬於「熱機」(或稱「熱引擎」)的一種,前者常見於早期的火車。後者則熱效率較高,體積大幅縮小,大量使用於車輛、船舶,和航空器等的動力來源。

戴教授以「公司」打趣地比喻「熱機」(Heat Engine),公司的「員工」好比熱機內的「工作流體」,公司對員工「支薪」方式就像提供熱機「運轉」方式。內燃式引擎直接對工作流體加熱,經由進氣、壓縮、燃燒、排氣四個步驟產生機械能。這有別於透過鍋爐或汽缸,對工作流體加熱以產生機械能的外燃式引擎。

內燃機發展史上顯赫的人物,其一是首先製造出四衝程引擎(Four-stroke engine)的德國人奧圖(Otto)。奧圖引擎以汽油作為燃料,故又稱汽油引擎(Gasoline engine)。另一位是德國人狄賽爾(Diesel),第一具壓縮點火引擎問世時,狄賽爾取得此項技術專利。因為此型引擎燃料大多用柴油,所以就借他的名字命名為「柴油引擎」(Diesel engine)。

經過歷史還原和工作原理講解後,戴教授順勢在現場展示以空氣作為工作流體的史特林引擎(Stirling engine),不用燃燒,只要足夠熱源(如滾燙的水)與溫度差就可安靜的運轉。運作原理是吸熱氣體膨脹將活塞往外推。若進一步利用液態氮增加溫差,可大幅增進引擎的表現。另外展示火力發電廠的模型,火力發電是蒸汽機很具體的現代運用,電廠有幾層樓高的鍋爐,透過燒煤來提供熱源。控制燃燒煤的用量,以及適時調整閥門可以控制發電的量。以此也表現蒸汽機除了過去在運輸工業上,到這個離不開電器產品的現代,都還能佔有一席之地!

戴教授另外邀請在汽車服務中心任職,擁有豐富實務經驗,亦曾在清華大學課堂教學中分析電動車發展現況的陳皇嘉經理,由業師主講車輛的發展歷史及內燃機引擎於汽車工業狀況。當中提到二行程循環引擎逐漸被四衝程循環的往復活塞式內燃機給取代,因前者效率不彰,以及有空汙等問題。另外有一種轉子引擎由德國工程師發明,有容積效率小的優點,但很容易損壞,只用在少數的跑車。

以陳經理來自德國的經驗,如果喜歡安靜和高速開車的人可選擇汽油引擎,但如果生活中需要頻繁使用車輛,則可以考慮使用柴油引擎,柴油引擎因為壓力高所以效率高且較省油,但有較高汙染的問題,如PM2.5。現代的汽車研發朝運用大量的科技,以及減少缸數來降低汙染的產生,盡可能符合世界注重環境保護的趨勢,實現乾淨能源的訴求,因此氫氣車輛、油電混合車等相繼推出,但要取代內燃機,完全使用電力驅動,真正落實乾淨能源,還有很多要探討與克服的問題!

整場演講藉著示範實體裝置,配合講者們真切的解說,帶給大家不同以往的聽講經驗,演講後一群人圍繞著展示桌上滿桌的科學教材探討科學,也形成了另類的焦點,我們能夠深刻感受到確確實實跟熱機一樣,戴教授的演講「燃」起大眾的好奇心和興趣!
 
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