蒸汽机是利用水蒸气作为工作介质，把热能转变成机械能的热力发动机（即热机）。早在1世纪，古希腊罗马时代的赫伦就发明了一种玩具——蒸汽反冲球，它是近代蒸汽机的雏形。文艺复兴时期，达·芬奇曾留下了用蒸汽开动大炮的图样。1615年，法国人德·高斯用实验证实过用蒸汽抽水的可行性。第一部活塞式蒸汽机是1690年法国物理学家巴本（1647—1712）在德国发明的。巴本是惠更斯的学生和助手，在蒸汽机中应用汽缸和活塞这一思想是莱布尼兹提醒他的。巴本的蒸汽机是由一直径约2.5英寸，装有活塞和连杆的竖式管子构成的，管子下部盛水，加热使水变成蒸汽，蒸汽又推动活塞向上运动，当活塞上行到顶部时，被插销固定位，移去热源，蒸汽冷却，汽缸内形成真空，继而拔去插销，上部大气压迫活塞，使它向下运动，并通过杠杆提起重物。在这里，竖式管子完成了锅炉、汽缸、冷凝器三种功能。巴本认为这种蒸汽机可用于矿井抽水、推进船只等。5年后，巴本把自己的这一创造性思想变成了现实，但这只是一部实验机，没有付诸实用。巴本是第一个应用蒸汽在汽缸中推动活塞的人，他首次指出蒸汽机的工作循环是汽压蒸汽机的原型，因而他被尊称为近代蒸汽机的直接祖先。他的工作为以后活塞式蒸汽机的发展开辟了道路。
17世纪末，为了排除矿井积水，英国皇家工程队的军事工程师塞维利大尉（1650—1715）积极进行蒸汽泵的研究。他的蒸汽泵去掉了活塞，直接依靠真空把水吸上来，再用压力蒸汽把水挤出去。它的特点是把蒸汽压力和大气压力的利用结合起来。1698年他取得了这项发明的专利。塞维利机除用于矿井排水之外，还可用于居民供水，它是人类历史上第一部能实际应用的蒸汽机。
英国铁匠纽可门（1663—1729）综合巴本机的汽缸活塞和塞维利机的真空冷凝器装置的优点，于1712年创成了一种更实用的被命名为“大气机”的抽水机器。纽可门蒸汽机靠一根平衡横梁与水泵相连。平衡梁一端同活塞相连，另一端与抽水机相连。活塞在汽缸中上下运动，平衡梁便带动水泵抽水。1712年用于杜德米堡煤矿的纽可门蒸汽机功率为5.5马力，可将水抽到153英尺高处。纽可门蒸汽机受到工业界，尤其是煤矿主的欢迎，被广泛地用于煤矿排水、城市排水和农田灌溉等。其缺点是热效率低，只能做往复运动，尽管如此，纽可门蒸汽机作为发动机不受挑战竟长达60年之久。
对纽可门蒸汽机最先进行全面研究和改进的是英国工程师斯米顿（1724—1792）。他从1769—1772年对纽可门机作了各种函数关系的实验，先后写了130多个实验报告，整理出一套计算公式，还编制了各种部件的比例表，积累了大量有价值的数据、资料。他还在改造锅炉、改进点火及燃烧方法以及制造工艺等方面做了大量工作。由于斯米顿的努力，把纽可门的大气蒸汽机的效率几乎提高了一倍。斯米顿的工作虽没有做出重大的理论突破，也没有独创性的发明，但却为瓦特的发明奠定了实验基础。斯米顿和瓦特的关系就像天文学中第谷·布拉赫同开普勒的关系一样。前者作了大量的观测实验，后者作了理论性总结，前者打基础，后者出成果。瓦特在斯米顿实验研究的基础上，创造性地发明了近代蒸汽机。
由于纽可门蒸汽机的运动是直线往复运动，只能用于抽水，热效率不高，功率不大。要想使蒸汽机成为通用的动力机，在技术上必须解决两个问题：一是提高它的热效率；二是将直线往复运动变为连续的圆周运动。解决这两大问题的是英国仪表制造工詹姆士·瓦特（James？Watt，1736—1819）。瓦特是英国一位商人的儿子。19岁到伦敦当学徒，21岁到格拉斯格大学当仪器修理工。1763年格拉斯格大学从伦敦买回一部纽可门机，但运转不灵。瓦特便着手修理这部机器，这是他创造性活动的开始，他专门仿造了几部纽可门机，研究它的优缺点，并查阅了许多关于蒸汽机发展历史的书籍。瓦特后来所以能成为发明近代蒸汽机的巨人，首先在于他是站在纽可门和其他蒸汽机发明的先驱者的肩膀上继续前进的。瓦特通过分析和实验发现：纽可门机为了产生真空，每一冲程都要用冷水将汽缸冷却一次，造成热量的巨大浪费，在1765年6月的一个星期天下午，瓦特在散步时突然想到，如果把充满蒸汽的汽缸和抽光空气及其他液体的另一容器之间的通道打开，蒸汽作为一种弹性抗性流，就会立即冲进空容器，直到建立平衡为止，并且如果容器用喷水或其
他方法保持很冷，那么更多的蒸汽就会继续进入直到它全部凝结为止。这一创造性思想导致了瓦特的分离冷凝器的发明，这对蒸汽发动机的发展起了关键性作用。瓦特的蒸汽机同前人的相比，不但功率增大了，而且效率有很大提高。塞维利的机器每小时每马力的耗煤量为80公斤，纽可门的机器为25公斤（热效率不到1%），瓦特的蒸汽机只有4.3公斤（热效率提高到3%）。1769年，瓦特的具有历史意义的第一项专利——《在火力发动机中减少蒸汽和燃料的消耗的一种新方法》被批准。瓦特发明分离冷凝器的理论基础主要是格拉斯格大学化学教授布莱克（1728—1799）和他的学生欧文刚刚提出的热学理论。但是，如何使动力输出从单纯的往复运动变为回转运动，从而成为工业上通用的动力机这一难题还没有解决。瓦特曾想到用连杆驱动曲轴的办法把往复运动变为转动，但是1780年皮加德（James？Pichard）已向政府注册了这一专利。1781年瓦特的助手默多克（Willam？Murdook）提出了“太阳和行星”齿轮系统，获专利并得到普遍的应用。瓦特蒸汽机采用了这种齿轮系统，直到1794年皮加德的曲轴和连杆的专利终了为止。
1782年瓦特获得两项非常重要的专利：第一使发动机从单动变为双动，这样从同一汽缸的容积可以产生两倍的功率。单动机只在活塞下降时，活塞上面的大气压力和蒸汽压力可以做功，活塞上升是受唧筒杆重力作用的结果，因此，蒸汽不能做功。双动机就是利用蒸汽把活塞推上或压下，活塞上下蒸汽都能做功。第二为了充分利用蒸汽的膨胀作用，瓦特还使活塞在运动到1/2冲程时，即停止输入蒸汽，以后的1/2冲程完全利用输入蒸汽的膨胀力来做功，这样又大大节省了蒸汽的消耗。
1787年，为了在负荷变化的情况下保证发动机相对稳定的速度，瓦特又安装了离心式调速器，去控制进气管的蝶形阀。这种调速器过去已用于面粉磨坊中控制磨石装置，但瓦特是第一个用它来控制蒸汽机的。这样，瓦特的双动旋转式蒸汽机实际上已变成标准化了。马克思指出：“瓦特的伟大天才表现在1784年4月他所取得的专利的说明书中，他没有把自己的蒸汽机说成是一种用于特殊目的的发明，而把它说成是大工业普遍应用的发动机”。近代蒸汽机的雏形业已粗具，以后的发明大部分属于机械结构上的完善，效率的提高和适应各生产部门的专门要求所作的各种改进。
瓦特研制蒸汽机时，很注意采用先进的机械加工技术。起初，由手艺熟练的工匠制造，不但生产效率不高，而且不能保证统一的规格和加工精度。那时的蒸汽机的汽缸壁与活塞之间的间隙竟能插进小指头，为了避免漏汽，在间隙处塞些破布或软木。1774年英国钢铁资本家威尔金森（John？Wilkinson，1728—1808）设计并制成了用于制造大炮的新型镗床。这种新型镗床对瓦特制造汽缸达到所需要的精度是非常宝贵的。后来，瓦特在为威尔金森的高炉制造所需的蒸汽机时，利用了这种镗床，保证了汽缸的加工精度。产业革命时，许多机械的发明就是这样互相促进的。
瓦特的蒸汽机已经具备了现代蒸汽机的基本形式。自瓦特蒸汽机以后，人们开始把蒸汽机的发展引向大功率、高参数、经济、安全、可靠的方向。英国的特里维希克（Richard？Trevithick，1771—1833）和美国的伊万斯（Oliver？Evans，1755—1819）是高压蒸汽机的发明先驱。特里维希克于1800年首次研制成了高压双动蒸汽机，1802年，他取得了“静态和移动状态下的高压蒸汽机”的专利，其工作压力为145磅/平方英寸（1MPa），这样高的压力是无前例的。该机就其功率而言，尺寸非常紧凑。伊万斯则是工匠出身的美国发明家，于1790年就取得了一种高压蒸汽机的专利，但缺乏资金支持，没有成功，他的高压蒸汽机思路启发了特里维希克。
随着生产的发展，对原动机提出了功率大、体积小、转速快、效率高等要求，往复式蒸汽机已不能适应生产力发展的需要。19世纪后期，当时的科学技术水平，如热力学、材料力学和冶金工业等都有一定的进展，因此，这时汽轮机才能得到相应的发展。1883年瑞典工程师拉伐尔（C。G。de？Laval，1845—1913）设计制造出第一台有实用价值的汽轮机——单级冲动式汽轮机。此机虽在工业上得到应用，但效率不高、容量不大（小于500千瓦），而且需要减速机构，故使应用受到限制。1884年英国工程师巴森斯（Charles？Parsons，1854—1931）设计出另一型式的汽轮机——多级反动式汽轮机。此机的特点是：蒸汽不仅只是在与喷嘴相当的导叶中膨胀，以高速汽流推动工作叶片做功，在工作叶片中蒸汽也发生膨胀加速，所以还有反作用力推动叶片做功，故称反动式汽轮机；另外蒸汽并不是只膨胀一次，在一列工作叶片中做功，而是连续地在许多串联的级中工作，每级都由一列导叶及工作叶片组成，故称为多级反动式汽轮机。1900车法国学者拉托和瑞士工程师宗勒尔吸取了多级反动式汽轮机的优点，也将多冲动级串联起来，构成多级冲动式汽轮机。自1900年开始，汽轮机的发展极其迅速。这种发展在很大程度上是由于电机的迅速发展，以及在工业上广泛应用电能所造成的。
蒸汽机的发明，以蒸汽动力代替人力，迎来了近代史上的第一次技术革命。瓦特的名字和蒸汽机一起传遍了全世界，瓦特也被人们誉为“蒸汽机大王”。瓦特是近代第一次技术革命的伟大旗手。
3.？2？ 蒸汽机的应用
随着蒸汽机的不断改进，应用范围日益扩大，它已从为矿井抽水，扩大应用到交通运输、冶金、机械、化学等一系列工业部门，使社会生产力以前所未有的速度和规模发展起来，形成了蒸汽机时代的技术革命。
产业革命所引起的生产的增长，国内外市场的扩大，资本主义向外扩张和掠夺殖民地而发动的战争，都对交通运输业提出了新的要求。1784年蒸汽机已成为一项成熟的技术进入实用阶段，把它运用到交通运输事业中去，相继发明了轮船和蒸汽机车，使交通运输技术发生了一次革命性的变革。
用蒸汽力推动船舶的想法，早已有人提出过。1690年巴本就提出过有桨轮的蒸汽动力船。1702年萨维利也认为蒸汽机对船可能非常有用。1787年美国发明家菲奇（John？Fitch）曾造成一艘能行驶的汽船，但他利用这个发明做投机生意，结果遭到失败。18世纪末，首先以蒸汽机为辅助动力的帆船问世，接着被以风帆为辅助动力的蒸汽船所代替。由于产业革命中，蒸汽机、钢铁和各种技术的发展，实用汽船的前景变得光明起来。
第一艘实用轮船的发明者是美国发明家罗伯特·富尔顿（Robert？Fulton，1765—1815）。1786年他东渡到了伦敦，在蓬勃兴起的产业革命浪潮中，结识了瓦特，激发了他用蒸汽机推动船舶行驶的热情。1803年在巴黎，他发明的第一艘汽船在塞纳河下水，由于这条船的船体太薄弱，船身竟然折断了，试验没有成功。1807年他回到美国建造了明轮船“克勒蒙特”号（clermont），在纽约市的哈德逊河下水，这条船长约45米，宽9米多，排水量100吨。该船的发动机是英国伯明翰的布尔顿（Boulton）和瓦特制造的。富尔顿为这条船的两舷设计了两个明轮，蒸汽机带动明轮旋转，明轮上的叶片在水中划动，推动着船只前进。“克勒蒙特”号作为哈德逊河上的定期班轮，往返于纽约和奥尔巴尼之间，全程约150英里，航速比一般帆船快三分之一。“克勒蒙特”号的试航成功标志着以蒸汽动力船取代帆船的新时代开始了。富尔顿患着肺病，在他生命的最后八年里，连续设计制造了17艘货轮，1艘渡轮和1艘鱼雷艇。在他逝世的1815年，还设计制造了一艘快速舰。
自1807年富尔顿制造的轮船试航成功以后，1812年英国制成明轮船“彗星”号，在克莱游河上第一次航行。此后，在美国和欧洲已有50艘汽船行驶在内陆河流中。1815年俄国也建造了第一艘蒸汽船“耶丽扎越塔”号。此后，随着资本主义向外扩张，远洋轮船发展起来了。1819年配备了蒸汽机的“萨凡纳”号船，自乔治亚州的萨凡纳横渡大西洋开往利物浦，这艘船的蒸汽机只作为风帆的辅助动力。
1838年英国轮船“天狼星”号和“大西方”号完全依靠蒸汽机为动力，横渡大西洋成功。以后几年间英国成立了几个大航运公司，经营世界的海洋航运，使英国的海运业进入了一个新的时代。
在汽船的发展进程中，存在着两种推进方式：一种是桨轮，另一种是螺旋桨。这两种方式谁优谁劣长期存在争论。早期的蒸汽动力一般采用侧明轮打水推进，明轮有一半在空中转动，一半在水中转动。装在舷侧的明轮在风浪较平静时，航行还比较顺利，在风浪较大时，由于轮船的剧烈横摇，往往一侧的明轮脱离水面无法打水，使桨轮空转，不仅浪费动力使船速减慢，而且使轮船难以操纵，另外装上明轮后船的宽度和航行时的阻力大大增加了，当它在码头上停靠时，与两旁的船很容易发生碰撞，既影响自己的安全行驶，也存在着擦伤别的轮船的可能性，如果水草一类的缠绕绞住明轮的叶片或轴，明轮就有失去转动的可能。用螺旋桨为推进器，早在1730年瑞士的贝努利（Daniel？Bernoulli，？ 1700—1782）就提出来了。1804年美国人史蒂文斯（John？Stevens，1749—1838）建成具有4叶螺旋桨的“利特尔·朱莉安娜”号轮船。但推动螺旋桨的蒸汽机转速太低，没有取得成功。1837年英国人史密斯（Francis？Pettit？Smith，1808—1874）试验他的一艘螺旋推进器的蒸汽游艇，推进器是木制的，试验中折断了一半，然而使人惊异的是，这种推进器确实能加快船的速度。这次试验的胜利导致1838年造成了螺旋桨蒸汽船“阿基米德”号，于1838年在米尔沃尔下水。“阿基米德”号是一艘三桅的纵帆船，装有一台发动机和一个螺旋桨推进器。“阿基米德”号试航获得非常高的航速。此时，另一位造船家布鲁纳正在建造巨型铁船“大不列颠”号。他看到了“阿基米德”航行的成功，布鲁纳放弃了自己相当先进的设计，而把“大不列颠”号上的巨型明轮换成一个巨大的螺旋桨推进器。1843年第一条螺旋桨蒸汽船——“大不列颠”号横渡大西洋，证明了螺旋桨推进的可靠性。1845年英国海军部又在螺旋桨推进的巡洋舰“响尾蛇”号和明轮汽船“爱里克托”号之间进行比赛。动力相当的两艘船，船尾互相系牢，获得信号以后，都以全速开航，“响尾蛇”号的螺旋桨飞快转动，“爱里克托”号的明轮猛打着水，结果前者获胜，后者被倒拖过来，船尾向前以2.5节（即时速8海里）的速度被拖着前进。这场震动造船界的水上“拔河”比赛以螺旋桨的胜利告终，明轮开始被螺旋桨取代。
为了适应航运事业的发展，需要更快更大的船，蒸汽机就无能为力了，需要更新的高效率的动力机械。1894年巴森斯把他发明的汽轮机装在他的44吨重的游艇“突比尼亚”号上，经过多次试验和改进，1897年“突比尼亚”号的速度达到34.5节。内燃机发明后，由于内燃机与蒸汽机相比，具有体积小、重量轻、效率高、功率大等一系列优点，很快被用做最主要的船舶动力，从而出现了更加高速、更加大型的船舶。
1807年富尔顿的汽船首航成功后，水上交通发展起来了，而陆上交通长期以来主要靠马车。例如，煤矿都用马车运煤，道路坎坷，效率很低。17世纪初，有人想出了铺轨道的窍门，让马车在平滑的轨道上跑，大大减少了摩擦力，有效地提高了运输效率。开头，这种轨道都是木头的，后来因为容易坏，就在外面包了层铁皮加以保护。再往后，干脆改用铁轨，成了铁路马车。但是，这种陆上运输工具很落后，与当时生产力的发展不相适应，迫切需要改革。
法国人顾诺经过反复的试验，制成了一台三轮“蒸汽街道车”，它可以行驶在马路上。其构造极为简单，速度也较慢。法国陆军部对这种蒸汽车颇感兴趣，想用它来装备部队，提高行军速度。陆军部仿制了一辆类似的车辆，这台蒸汽车重12吨，3.6千瓦，每小时前进7千米。然而不幸的是，这辆蒸汽车有一次在巴黎大街上行驶时翻倒了，从此被禁止使用。
1784年，瓦特的助手、英国人默克多也制成了一台蒸汽车。一天晚上，他把蒸汽车模型拿到离镇子1.6千米外的平坦小路上做试验。他点着了锅炉，机车呼啸着向前驶去。不凑巧的是，教会的一位牧师正好从教堂里走出来，他看到喷着火焰发出奇怪叫声的蒸汽车冲过来，以为受到恶魔的袭击，吓得大叫救命。这件事闹得满城风雨，人们谈“车”色变。默克多的老板知道这件事后，大为恼火，不准默克多再去试验那吓人的“怪物”，并惩罚他做加倍的工作。默克多的试验没能得到人们的理解和支持，甚至他的老师瓦特也担心他埋头于无谓的研究而耽误工作，劝他停止这方面的探索。默克多不得已只好放弃了有关蒸汽车的研制。
英国人特勒维西克继承了默克多的事业，在1803年制造出一台蒸汽机车，并在伦敦公开展出，一时引起极大的轰动。但有一次由于驾驶不慎，撞坏了一幢楼的墙根，机车表演因此停止。1804年，特勒维西克又制成了一台蒸汽气机车，这是世界上第一台在铁轨上行驶的机车，总重量为5吨，每小时可拉10多吨的货物行驶8千米。由于机车本身很重，又必须载上许多水和煤，所以在载重量上和速度上都不如马拉的铁道车辆，然而，它却是以后出现的在铁轨上行驶的“火车”的雏形。1808年，特勒维西克制成了又一台蒸汽气机车，这台机车行驶在直径约30米的圆形轨道上，几千人兴致勃勃地坐上了它，人们感到“马车不用马拉”的幻想终于实现了。但是有一天，这台机车突然翻倒摔坏了，蒸汽机车于是被认为是危险的“怪物”，人们对它望而生畏。特勒维西克本人也心灰意懒，再也没有兴趣做进一步的改进。
1812年，英国人莫莱等人设计并制造了一种使用齿轮的蒸汽机车，并使它行驶在有齿轨道上。然而在实际使用过程中，齿轮经常损坏，以致机车不得不经常停驶。
1814年英国发明家史蒂芬逊（George？Stephenson，？1781—1848），在继承前人成果的基础上，造成了第一辆实用的蒸汽机车。这台机车能牵引30多吨货物，并且解决了火车经常脱轨的问题，并在基林沃斯煤矿上运煤。1815年他针对第一台机车的缺点，重新设计，成功地造出了第二台蒸汽机车，在速度上提高1倍，在结构上是现代蒸汽机车的雏形，凡现代蒸汽机车上所有的机件，都能从这个雏形中找到萌芽。1825年由斯蒂芬逊负责勘测和修建的斯托克顿—达林顿铁路正式通车，全长30英里，是世界第一条公共交通铁路。该线所用的蒸汽机车，也是斯蒂芬逊在纽卡斯尔创办的机车厂制造的。之后，英国出现了铁路建筑热，到19世纪40年代，主要铁路干线大都建成。19世纪末，世界铁路里程已经发展到65万公里，到20世纪20年代又将近翻一番，达到127万公里。工业发达国家都基本上形成了铁路网。
钢铁工业方面的技术革命是同纺织机械和蒸汽机的发明几乎在同一时期出现的。1790年第一次使用蒸汽动力鼓风，大大降低了冶铁过程的燃料消耗。19世纪80年代以后，铺设铁路，制造机床、轮船以及武器的生产等，迫切需要大量钢铁，推动了新炼钢法的产生。18世纪下半叶的蒸汽机每分钟只有20个冲程，对做机器部件的金属材料要求不很高。到19世纪中叶，蒸汽机已达到每分钟250个冲程，需要有适当强度又有韧性的钢。英国工程师贝塞麦（Hanry？Bessemer，l813—1898）发明了大炮炮筒的来复线结构，可使大炮发射更准确，射程更远，但是用铸铁造的炮筒不能适应新的要求。他转而研究冶炼方法，1856年首创转炉炼钢新技术，只用不到10分钟即可炼出10到15吨钢。但贝塞麦炼钢法只能冶炼含磷很少的铁矿石。1 8 6 4年德国的西门子（W·Siemens，1823—1883）和法国的马丁（Martin，1824—1915）发明了平炉炼钢法，使钢铁生产能够大规模进行。1879年英国人托马斯（S·G，Thomas，1850—1885）创造用碱性衬里的平炉，可用含磷较多的矿砂来炼钢。由于新的炼钢技术的推广应用，在1865—1870年间，世界钢产量增加了70%。
在产业革命推动下，采煤业迅速发展起来。最初蒸汽机用于矿井抽水，进入19世纪以后，蒸汽抽水机在矿井中已普通应用。1813年采用了蒸汽凿井机，1820年又用曳运机代替人力背运。这样，使煤产量迅速增长。1835年英国的煤产量达3000万吨，成为欧洲第一产煤大国。
钢铁和煤炭工业的发展，为机器制造业的发展创造了物质条件。在工业革命初期，机器是用手工制造的，而且大多数机器是木质的。这种机器，生产量少，成本高，效率低，往往由使用机器的厂家自己制造，不能适应工业发展的需要。18世纪末，英国开始运用蒸汽锤和简单的车床制造金属部件，代替机器上的一部分基本部件。1797年莫兹利发明了刀架，使刀具的进给运动开始实现了以机械代替人力操作。19世纪初，陆续发明了各种锻压设备和金属加工车床、铣床、磨床、刨床、钻床、齿轮及螺纹加工机床等，机器制造业从此建立起来，并有了一定规模。
