蒸汽机主宰费城世博会?被誉机械馆不倦的“心脏”

蒸汽机主宰费城世博会？被誉机械馆不倦的“心脏”

也许只有蒸汽机的发明可以和火的使用相提并论，蒸汽机将“火”变成“力”，从此根本改变

了人类在自然界的地位。当我们不再靠着自身和家畜肌肉收缩的微薄力量从事生产活动，并且变得

越来越“力大无穷”时，征服自然的雄心和创造财富的激情便与日俱增了。工业革命的大幕是在蒸

汽机的轰鸣声中徐徐拉开的。

1851年伦敦首届世博会上，琳琅满目的蒸汽机便成了水晶宫的宠儿和展览品的大宗。从早期

的瓦特蒸汽机到伊万斯的高压蒸汽机，一个巡礼式的回顾展吸引了各国工程师和参观者。水晶宫西

北46米外，是世博会的“动力房”，8个锅炉共800马力，通过直径22厘米的地下管道将高压蒸

汽送到机械展览区。闻名遐迩的内史密斯公司展出了最新式的蒸汽锤和水压机。林林总总的起重机、

纺织机、印刷机、脱粒机、信封机、车床、圆锯在蒸汽机的驱动下现场演示，各展风姿。齿轮的铿

锵和皮带的节奏正是工业时代的旋律。

1851年伦敦世博会上阿尔伯特亲王参观《伦敦新闻》印刷机

1851年伦敦世博会蒸汽机带动各种机械

1867年巴黎世博会获大奖的法考特蒸汽机

瓦特发明蒸汽机曾经成为家喻户晓的常识，但恩格斯的见解显然更准确，“蒸汽机是第一个真

正的国际发明”。且不说古希腊人和达.芬奇所做的探索，法国科学家巴本和英国工程师塞维利应该

是蒸汽机的先驱。1712 年，英国铁匠纽可门制造的人类第一台实用蒸汽机风行了半个多世纪，主

要用于矿井抽水。当锅炉里的水变成膨胀1600倍的蒸汽充满汽缸后关上阀门，再通过喷水的办法

让汽缸冷却造成真空，大气的压力便能推动活塞做功了。但气缸每一冲程的忽冷忽热造成了能量极

大浪费。1769年，格拉斯哥大学的仪器修理工瓦特对纽可门蒸汽机进行了根本性改造，设置了分

离冷凝器，确保气缸在恒定温度下工作，使热效率提高6倍。此后10年间瓦特锲而不舍，先后5

次对蒸汽机进行完善，通过行星齿轮和惯性飞轮将活塞的往复运动变为旋转运动；使用平行四边形

运动杆，让气缸单向做功变为“两头受气”的中国风箱式双向做功；利用炮筒镗床精密加工减少漏

气并安装锅炉压力表；通过离心调速器的负反馈作用控制进气阀门，保持蒸汽机稳定的输出——这

是机械工程中自动控制的最早尝试，具有特殊的理论和实践意义。

纽可门蒸汽机

瓦特蒸汽机

蒸汽机驱动纺织机

“马力”的概念是瓦特“科普思维”的产物。为了向人们说清一台蒸汽机到底多大“力气”，

应该有个形象的类比和换算，而最合适的参照显然是马了。瓦特测量了一匹马在标准磨坊里走一圈

为75.4英尺，每分钟走2.4圈，负荷平均为180磅，计算后得出“马拉动33000磅并每分钟走1英

尺所输出的功率”为1“马力”。1882年，西门子提议将功率单位定为瓦特并沿用至今。蒸汽机的

研究和改进直接诞生了“热力学”，人们再不把“热素”当作“金木水火土”中的一种物质，并且

发现了水在汽化和液化过程中吸收和放出的“潜热”，不同物质升高1度的“比热”。每个时代的思

考只能被那个时代所思考着的事物所决定，法国科学家卡诺提出了热力循环理论，焦耳、开尔文、

克劳修斯确立了热力学第一、第二定律，都是大规模的蒸汽机实践催开的科学理论之花。

蒸汽机“家族”的最高礼遇和最大荣耀，也许莫过于“主宰”1876年费城世博会了。美国工

程师考里斯制造的蒸汽机早在1867年巴黎世博会和1873年维也纳世博会上便声誉鹊起并连获大

奖，这次他向费城世博会捐赠了世界最大的1400马力蒸汽机，重56吨。比肩耸立的双汽缸高14

米，巨型飞轮直径9.1米。5月10日下午，10个足球场大小的机械馆万头攒动，唱诗班、军乐队

过后鸣炮100响，美国总统格兰特和巴西国王彼得罗三世由考里斯陪同登上机械馆中央5米高的平

台，共同握住考里斯蒸汽机的手柄，启动了这个庞然大物，宣告费城世博会正式开幕。刹时间全馆

大大小小的无数机器一齐“醒来”，它们的能量全都来自考里斯蒸汽机驱动的数公里连杆和皮带上。

在世博会举行的6个月里，考里斯蒸汽机的飞轮始终按照每分钟36转的速率“静悄悄”运行，声

音甚至比缝纫机还轻，一个值守人员坐在机器旁悠闲地看报，直到11月10日总统宣布世博会闭幕

的一刻才戛然停息。考里斯蒸汽机是机械馆不倦的“心脏”，也是整个世博会不灭的“火炬”，许多

报纸称它为美国力量和技术的化身，音乐家专门谱写了《考里斯进行曲》，著名诗人惠特曼被考里

斯蒸汽机的魅力所深深感染，他特地搬来一把椅子，坐在这位“钢铁运动员”前面细细端详半小时

之久。

1873年维也纳世博会考里斯蒸汽机用皮带连杆驱动机器馆

美国总统和巴西国王开启1876年费城世博会考里斯蒸汽机

1876年费城世博会的重要贡献之一，是确定了“锅炉马力”的“先进标准”。此前蒸汽机行业

将锅炉的功率定义为每10平方英尺受热面积产生1锅炉马力，不能很好反应锅炉的真实效率，费

城世博会评委们制定了新的标准，将锅炉马力定义为 “每小时把30磅100华氏度的水转化为1平

方英寸70磅压力的饱和水蒸汽”。世博会的锅炉房堪称样板，20个整齐排列的锅炉每个70马力，

通往展区的地下管道长100米、直径46厘米。有了强大高效的锅炉，蒸汽机才能有足够的“底气”。

蒸汽机带动形形色色、千差万别的机器一起工作，正是社会生产的写照和缩影，凡是“力气活”

蒸汽机都能干。无数纺织厂、钢铁厂、木材厂、造纸厂、印刷厂不再需要临河而建，吱呀作响的水

轮让位给高效的蒸汽“座机”，而移动式和便携式蒸汽机则服务上门，完成着挖掘、起重、钻探、

消防等任务。过去几十匹马编队都无法拉动的犁铧，如今把千里荒野变成了“被开垦的处女地”，

“让布法罗草原化为美国的早餐”。收割机、脱粒机、轧花机纷纷来到了田头地角。这是一个水火

激荡、蒸汽鼎沸的年代，1888年，美国已经拥有蒸汽机1440万马力，英国拥有920万马力。人类

文明从来没有出现过如此的急剧转折和骤然加速。

1867年巴黎世博会展出的蒸汽机农业机械

1873年维也纳世博会展示蒸汽机抽水

1883年密歇根城第一台蒸汽机消防车

1890年移动式蒸汽机

1878年巴黎世博会上，各款蒸汽机再次领尽风骚。法国施耐德钢铁公司制造了一台硕大无朋

的蒸汽锤，高20米，仅铁砧就重达320吨。这是自古以来力气最大的“铁匠”，一锤砸下去有100

吨。远远超过了“亚军”德国克虏伯公司50吨的弗瑞兹汽锤。1878年巴黎世博会举办的重要动机

便是尽快走出普法战争失败的阴影，“第三共和”要向全世界证明法国仍然是第一流强国。不过在

巴黎世博会上赢得无数人仰望和惊叹的蒸汽锤只是木制的仿真模型，施耐德钢铁公司坐落在巴黎和

里昂之间的克鲁梭，中国青年才俊邓小平曾经在这里勤工俭学。汽锤是制造大型发动机长轴、活塞

杆和大炮筒最关键的重型机械，锻打不仅改变工件的形状，而且改善金属的颗粒结构和力学性能。

有记者报道施耐德蒸汽锤既有雷霆万钧的力量，又有毫厘不爽的精确，能够打碎坚果的果壳而不损

坏果仁，打破蛋壳而不伤害孵成的小鸡。直到1891年美国伯利恒公司买走专利并制造了125吨汽

锤，施耐德汽锤才失去“第一把交椅”地位。今天，这个蒸汽时代的“恐龙”已经成为法国克鲁梭

重要的旅游景点。有趣的是，它“外八字” 形的四条腿、腰间的平台和挺拔的身躯都酷似埃菲尔铁

塔，但却比埃菲尔铁塔早了11年。

1878年巴黎世博会展出的施耐德大汽锤模型

施耐德汽锤成为克鲁梭旅游景点

刺破青天的埃菲尔铁塔是1889年巴黎世博会最灿烂的明星和最辉煌的遗产。这个300米高的

“通天塔”面临的最严重挑战之一，便是如何确保安全有效的“垂直交通”。当时的“电梯”技术

尚在襁褓之中，根本无法在这样庞大而复杂的世界最高建筑上尝试。埃菲尔铁塔安装的5部液压升

降机分别由美国奥迪斯公司和法国公司提供，全都用蒸汽机驱动，锅炉房建在南角墩下。可以说，

1889年巴黎世博会期间，是蒸汽机把200多万游客送上了埃菲尔铁塔之巅。至于人们津津乐道的

1853年纽约世博会上奥迪斯展示了第一部“安全电梯”，更是压根与“电”无涉，完全靠蒸汽机对

缆绳直接收放，因此只能称为“动力升降机”。

人类交通运输的历史也因为蒸汽机的发明而改写了。1851年伦敦世博会上，各类蒸汽船和船

用蒸汽机便如雨后春笋争荣并茂，2000吨海船“维克罗伊埃及号”的二比一模型富丽华贵，瓦特

公司最新的700马力螺旋桨发动机冠绝一时。刚刚步入“少年时代”的火车头则五花八门,憨态可

掬。古代交通和近代交通的分界线在于使用动力的不同，实际上，伦敦世博会的10多万件展品和

620万观众都是汽船和火车运来的。

水面是人类在地球上移动的天然通道，蒸汽机诞生伊始便最先和船舶结缘。1788年，美国人

菲奇曾经用蒸汽机的连杆模拟人的手臂划桨并在费城进行实验。1807年，富尔顿的克莱蒙特号用

24马力的瓦特蒸汽机驱动两只明轮，从纽约沿哈德逊河航行240公里至奥尔伯尼，宣告了蒸汽船

的诞生。早期的单缸摇臂式蒸汽机和低压锅炉效率很差，随着蒸汽机的不断改进，“复涨式”、“三

涨式”发动机逐渐成了蒸汽船的标准配置。将“高压汽缸”排出的“废汽”和“余热”输入下一级

“低压汽缸”再次膨胀做功，这便是“复式”蒸汽机的原理。远洋航运的一大困扰是很难携带足够

的燃料以获得持久的续航能力。1838年，第一个横渡大西洋的客轮“天狼星号”因为燃料耗尽只

得烧掉船上的家具、门窗和一条桅杆。1858年下水的大东方号已经拥有5600马力，底舱如同矿井

下结实的煤层，工作舱室之间都要靠铁管的“巷道”连接，储存燃料足以确保环球航行。蒸汽机代

替风帆不仅大大加强了轮船的动力，也彻底改变了远洋航行只能顺着信风按“大回环“航线行走的

古老理念。

约翰"菲奇1788年发明最早的蒸汽船

第一条横跨大西洋的蒸汽机海轮天狼星号

英国人特拉维斯科1801年圣诞之夜在坎伯恩试验成功的“喷汽怪物”标志着火车的诞生。比

起瓦特的蒸汽机，特拉维斯科去掉了冷凝设备而将蒸汽直接通过烟囱排到空中，火车自身的惯性也

不再需要额外的飞轮。特别使用了高压锅炉，让蒸汽机大大“减肥”和力气倍增，不仅能够自主行

进而且可以牵引负荷。1803年特拉维斯科制造的锅炉发生爆炸事故，瓦特公开出面严厉指责高压

蒸汽机危险和不宜使用。但“蒸汽泰斗”的“宣判”没有让特拉维斯科退缩，他用低熔点金属栓制

造了锅炉限压阀，实践最终确立了高压蒸汽机的主流地位。1829年10月，“火车之父”史蒂芬逊

的“火箭号”在著名的“雨山竞赛”中使用横式火管锅炉一举胜出。工业革命的先行者用蒸汽机为

人类装配了“文明前进的火车头”。

1808年特拉维斯科的"蒸汽马戏"

蒸汽机在普通道路上寻求突破的实验其实比铁路更早，1769年，法国工程师卡格诺制造的三

轮蒸汽车至今还珍藏在巴黎博物馆内。特拉维斯科1803年生产的蒸汽车不久前还被人复制并环游

欧洲，斯坦利蒸汽车的销量直到1905年还领先于汽油车，但蒸汽车终于没成大气候。在红尘滚滚

的道路上烧一大锅开水颠簸行进，也许不是蒸汽机的优势所在。

世博会开幕式的设计无疑能够解读一个时代的价值取向，1893年5月1日，美国总统克利夫

兰不再需要到现场扳动一个沉重的手柄，而是在大会讲台上轻轻按动黄金和象牙制成的电报键钮，

但其结果仍然是启动一个3000马力的埃利斯蒸汽机，以此标志芝加哥世博会的开幕。和1876年费

城世博会的考里斯蒸汽机相比，埃利斯蒸汽机的马力虽然大得多，但却不再是整个机器馆动力的唯

一源泉了，动力中心300米长，30米宽，50个锅炉推动43个蒸汽机进行着“大合唱”，总功率24000

马力，其中不乏和1876年考里斯蒸汽机“块头”相当者。燃料则来自800米外标准石油公司的油

库。在交通馆里，安装了先进发动机的各国轮船争强比胜；50多个火车头“四世同堂”，从史蒂芬

逊的“火箭号”、美国最早的“流星号”、“约翰牛号”直到时速160公里的帝国高速999号，展示

着蒸汽机阔步前进的历程。

1893年芝加哥世博会埃利斯蒸汽机

1893年芝加哥世博会最大的亮点，是欲与埃菲尔铁塔一争高下的菲利斯摩天轮，这个横空出

世的全钢双环结构直径80米，36个比火车车厢还大的座舱可乘2160人，总重量达4300吨。推动

菲利斯摩天轮旋转的力量则来自两台各1000马力的蒸汽机，它们安放在地下室里，通过齿轮和链

条与摩天轮的轴相连。锅炉房则建造在180米开外的地方，以防止游客受到煤烟熏呛。说起菲利斯

摩天轮的轴，可算当时世界上最大的单体锻件了，长14米，直径81厘米，重达56吨。这是伯利

恒公司用125吨大汽锤“砸”出来的。仿效施耐德公司1878年在巴黎世博会的套路，伯利恒公司

也在芝加哥世博会交通馆里展出了大汽锤的木制仿真模型。可以说，菲利斯摩天轮是蒸汽机历史上

的一座丰碑。芝加哥世博会的另一杰作，是菲利斯摩天轮南面铺设的260米长、1.2米宽的冰橇滑

道。赤日炎炎的盛夏季节，滑道始终保持3厘米厚的冰雪层供游人嬉戏。世界最大的纽约拉文恩冷

藏公司用两台65吨和50吨压缩氨冷冻机制造了这一神奇景观。而冷冻机靠的是两台145马力的考

里斯蒸汽机发动。

1893年芝加哥世博会菲利斯大转轮的轴是世界最大的单体锻件

1904年圣路易斯世博会是蒸汽机的鼎盛时期。4月30日的开幕式仍旧以蒸汽机启动为标志，

要说增添了新科技含量的话，便是罗斯福总统从华盛顿白宫发来电报信号转化为蒸汽机的运行指

令。通用公司8000马力的柯蒂斯蒸汽轮机以每分钟3600转的速度连续运行了7个月。和“巨人如

林”的圣路易斯蒸汽机群相比，当年费城世博会的考里斯蒸汽机只能算是侏儒了。圣路易斯世博会

每天烧煤500吨，消耗水62万吨，而整个圣路易斯城的用水量不过24万吨。让公众兴趣盎然的是，

圣路易斯世博会发电厂的规模仅仅略逊于当年世界最大的纽约中心铁路发电厂和纽约地铁发电厂，

但基本设计是完全相同的。

毫无疑问，蒸汽机也有过插上翅膀，飞向蓝天的雄心。惜乎“功率-重量比”始终不尽人意，

因此多种努力成效甚少。但不应该忘记，人类第一个“重于空气的飞行器”是用蒸汽机送上天空的。

1896年5月6日，美国航空事业先驱兰利在弗吉尼亚让一架12公斤重的飞机在30米空中飞行了

3000米，速度约每小时40公里。兰利使用的是以汽油为燃料的单缸蒸汽机，重3.2公斤，功率为

1马力。1915年旧金山世博会上，史密森尼学院馆展出了大量珍贵收藏，兰利这架最早问鼎天空的

飞机便赫然高挂在展厅中央。

兰利1896年5月用蒸汽机将第一架"重于空气的飞行器"送上天空

我们不应该忘记人类在驾驭蒸汽机过程中的疏失和教训。由于设计和制造工艺的缺陷，使用和

维护技术的差错，锅炉爆炸几乎是蒸汽机与生俱来的事故。水垢也成为天然的大敌，当锅炉内壁形

成了钙盐、镁盐结成的“隔热层”，不仅会降低功效，一旦水垢出现裂痕，灼热的炉壁便会引起水

的急剧汽化而导致爆炸。19世纪初期，美国和欧洲每年发生锅炉爆炸数千起，死伤几十万人。1865

年4月27日，美国内战结束后解甲归田的2400名战俘乘坐苏尔塔纳号汽船在密西西比河上航行，

猛烈的锅炉爆炸夺去了1800人的生命，这场航运史上最大的灾难压倒了林肯遇刺的消息。1905年

3月10日，世界知名企业布洛克顿鞋厂锅炉爆炸，整个大楼夷为平地，58人炸死，117人受伤。

俄亥俄州痛定思痛，委派5人小组制定了锅炉安全规范，确保蒸汽机“水火相容”。1914年，美国

工程师协会出台了全美统一的强制性锅炉法，从技术标准、检测程序到人员素质、操作守则，长达

116页，被世界各国广泛采用。1915旧金山世博会第一次专门设置了锅炉燃料展馆，这是蒸汽机发

展历史上沉重的反思和可贵的进步。

1865年4月27日苏尔塔纳号汽船在密西西比河上锅炉爆炸

尽管用高压蒸汽直接推动叶轮旋转的蒸汽轮机在19世纪末期已经广泛使用，但作为一种“外

燃机”，蒸汽机的效率受到诸多限制。汽油内燃机、柴油发动机的长足进展表现了巨大的优越性，

在许多领域渐次取代了蒸汽机。虽然许多大型火力发电厂至今仍然以蒸汽机为首选，虽然核锅炉、

太阳能锅炉仍需以水为工质，基本上还是蒸汽机，但在人类文明的整体进程中，传统意义的蒸汽机

显然“过气了”。任何技术都有自己的生命周期。

走进每一个“历史的博物馆”，这些产业革命的“老爷爷”总是最能唤起人们深长的敬意和无

尽的怀想。蒸汽机作为工业化的第一推动力，创造了人类文明大气磅礴的时代，而对世博会的重温，

则让我们再次回到那些激情燃烧的岁月。