本书重点讲述热能中的蒸汽动力。在工业革命之初，技术与科学还是大致平行发展的， 所以我们将热能中的科学与技术揉在一起讲述蒸汽动力的发展历程。概况来说， 本书以能量的形式及其学科发展为主要内容，按照时间顺序叙述，重视科学与技术之间的相互联系和内在逻辑，努力做到年代不断档，科技发展不跳跃。本书采用的叙述风格为：科学原理+技术实现，站在读者的立场，以工程师的眼光看世界，帮助读者梳理和理解科技发展史背后的联系与逻辑。

大自然对人类文明的测试题：为什么要 “火中取力”？ 工业革命之前，人类使用的动力种类屈指可数，总的来说主要有人力、畜力、风力、水力四种。不过，即使只掌握如此有限的动力，在数千年的实践与探索中人类还是创造出了高度发达的古代文明。这其中的秘诀便是机械。我们的祖先发明出了手动的织机和弓弩，靠牛马牵引的耕犁和车辆，以及用风力和水力推动的磨坊和锯木厂，等等。机械帮助人类利用有限的动力满足了无限的应用需求。 尽管机械装置五花八门，但我们知道，所有的机械仅可以省力，并不能省功，因此由人畜力驱动的机械功率就受限于肌肉的输出功率。马的持续做功能力大约在500～700瓦，这个数值不高，而人的则更加可怜，只有80瓦左右。水车和风车可以达到数千瓦量级的输出功率，但是这两者都依赖当地的地理资源禀赋，不可强求，因此从世界范围看，在古代文明中，这两项的开发总量只是人畜力的一个零头。 从今天能量转化的观点来看，古代文明中的种种机械仅仅实现了机械能之间的转换。那么，还有没有其他的能源可转换为动力？ 人类使用火的历史比人类文明的历史还要悠久。我们的祖先很早就认识到了火中的能量，但无论点燃篝火取暖烹饪，还是冶炼金属、烧制陶器，人们只能利用燃烧产生的热和光。 能不能从“火”中提取出“动力”来？这是大自然考察人类文明等级的测试题。而它的答案竟然很早就被一个人写出了第一步，这个人就是古罗马的数学家希罗（Hero of Alexandria，约公元10年—约公元70年）。更加令人意外的是，“火中取力”竟然要依靠水的帮助。 公元10年，希罗出生在古埃及亚历山大港，这里是地中海最繁忙的港口与最富裕的城市。他的发明叫作汽转球（Aeolipile）（如图1所示）。就是在柴火上架起一口密闭的煮水锅，在一个空心球的直径两端的位置装上两个反向的喷嘴，蒸汽通过支架内的管道进入球体内，并从喷嘴喷出来，通过反冲使得球转动起来（如图2所示）。 希罗还设计过一个自动门装置——将燃烧的火把放在祭台上，神庙的大门就会徐徐打开。这个装置的原理同样也是气体膨胀做功，只不过这一次从水蒸气换成了空气。 如图3所示，祭台A是空心的，下方的B是一个密封水罐，管道p1连接A和B，C为一个水桶。A中的空气被加热后，B中的水被排入C内，当C的重量大于重物W时，C就会克服绳子拉力而下降，而同时带动门轴旋转，大门即被打开。当火把熄灭后，空气冷却，C中的水被吸回B中，此时重物W下降，C上升，门轴旋转带动大门关闭。 没有历史记录表明希罗的汽转球有什么实际的用途，它很可能只是贵族聚会上的又一件新奇“玩具”。对于自动门来说，它也没有更多的应用，依然不过是一个令信徒惊奇的把戏。 尽管如此，这些装置背后所蕴含的道理依然发人深省，让人无法轻视。一千八百多年后，一件同样简陋的装置——一根在汞杯中不断旋转的通电铜线，却成为电动机的始祖，而它与实用电动机之间的距离与汽转球和蒸汽机之间的距离，很难说谁大谁小。 我相信在希罗之前，有无数人在灶台边按住锅盖时感受到了蒸汽的力量，然而，只有希罗将这种力量转化为可持续转动的动力。正如法拉第的电动机模型（见图4） 证明了电磁能与机械能转化的可行性，这件玩具证明了热—功转化的可行性！ 只怪希罗生得太早，法拉第所处的工业社会不出3代人就将“玩具”转化为生产力，而希罗的继承人要在一千六百年后才出现。 这是因为，在从汽转球到热机的进化之路上，人类还缺少一个必修的知识点，缺了它，人类就无法解锁“火力”技能点。这个知识点就是大气压。 人类很早就开始利用大气压，在古希腊时期就制成了活塞抽水泵。关于此泵的原理，亚里士多德提供了一个普遍认可的解释——自然界厌恶真空。所以，随着活塞的上升，液面也随之上升，以填补即将产生的真空。这个解释流行了近两千年。 人们向物理大师伽利略求助，但此时伽利略已经双目失明，接近人生大限。于是伽利略将这个问题交给了他最后的学生托里拆利（Evangelista Torricelli， 1608—1647）。在伽利略去世后的1643年，托里拆利用实验复现了抽水泵上方的真空现象。他用密度为水的13.6倍的水银柱代替了水柱，发现水银柱的最大高度为76厘米，两者相乘大约为10米。托里拆利带着这套装置登上山峰，发现水银柱高度所有下降，于是他恍然大悟——水柱不是由于厌恶真空而上升的，而是被周围无所不在的空气压上去的。老师在多年前已经为他的发现做出了铺垫——伽利略知道空气有重量，而且测出了空气的密度，而托里拆利则在无意间制成了第一个气压计。 千百年来，我们一直以为自己住在地球的“表面”。然而更真实的情况却是，我们浸没在大气汪洋的底层。尽管空气密度只有水的约八百分之一，以至于没有风的情况下我们很难感觉其存在，但我们头顶上高达100km的空气柱的重量还是产生了巨大的压强。 十一年后，马德堡市长格里克（Otto von Guericke，1602—1686）用一种戏剧化的方式向人们展现了托里拆利的研究成果。这位军人出身并且热爱科研的市长，命令两队各8匹马去拽开两个抽气后密合在一起的半球。结果人们在一声巨响中记住了大气压的力量。 又过了将近五十年，终于有人实现了用蒸汽做功的设想，他就是英国人萨维利（Thomas Savery，1650—1715）。1698年，军事工程师萨维利获得了一项“火力提水”专利。他的机器包含一台锅炉、两个空罐子和相应的阀门与管道。这台机器的工作过程分为两步： 萨维利将自己的得意之作称为“矿工之友”（见图5），因为当时的矿井越挖越深，普遍遇到了排水难题。因此，萨维利希望自己的机器能够被广泛使用，但使用后的矿工们显然有着不同的意见。首先萨维利的机器效率很低，非常耗煤，但这对于煤矿主来说还不算大问题。要命的问题是萨维利使用的是高压蒸汽，气压高达10个大气压，在这个压强下，水的沸点接近200摄氏度，这足以使管道连接处的铅锡焊料融化。在那个材料不过关的时代，压力泄露将导致停机，甚至会引发爆炸事故。 萨维利没能解决自己蒸汽机的问题，那个时代也没人能帮他解决。他的技术方案撞到了“材料天花板”。蒸汽动力的第一次应用惨淡收场，这个失败似乎将彻底断送新动力的前途。庆幸的是，另外一位英国人及时出现了，他另辟蹊径，将蒸汽动力真正推上了人类文明的舞台。

目 录 第1章 蒸汽机的诞生 1.1 大自然对人类文明等级的测试题，为什么要“火中取力”？ 1.2 从烧水壶发明蒸汽机，瓦特的故事为什么不靠谱？ 1.3 走不出煤矿，纽卡门的蒸汽机到底哪里出了问题？ 1.4 效率暴增数倍，瓦特的天才想法是什么？ 1.5 天才设计难产，究竟是何人助产瓦特蒸汽机？ 1.6 打进工业革命明星产业，瓦特做对了什么？ 1.7 法国汽车率先上路，蒸汽机故乡的落后是谁之过？ 1.8 斯蒂芬森也有前辈，“真火车之父”到底是谁？ 第2章 轮船的进化 2.1 轮船竟然早就被中国人发明过？被富尔顿追封的“轮船之父”又是谁？ 2.2 轮船不用“轮”，拉姆齐和菲奇的推进方案长什么样？ 2.3 造船被美国人抢先，英国人又在干什么？ 2.4 画家转型潜艇设计师，富尔顿是怎么办到的？ 2.5 竞夺黄金水道，蒸汽船在竞争中取得了哪些进步？ 2.6 从大河驶入大洋，轮船靠的竟然是混合动力？ 2.7 横渡大西洋之赛，大西方号与天狼星号到底谁赢了？ 2.8 大洋航行暴露大问题，轮船之轮为什么突然不给力了？ 2.9 因祸得福，现代螺旋桨的诞生竟然源自一起事故？ 2.10 比水还重，铁为何能超越木头成为更好的造船材料？ 2.11 技术先进，布鲁内尔为何还是输掉邮轮业务？ 2.12 投机泡沫竟然开启环球贸易，飞剪船凭什么垄断暴利行业？ 2.13 新技术倒逼老技术创新，风帆船为何能与蒸汽船叫板大洋，又为何最终落败？ 第3章 铁路的崛起 3.1 长腿的车头、带齿的轮子，火车初期的方案到底有多新奇？ 3.2 铁轨不能承受之重，斯蒂芬森要如何解决火车头过重难题？ 3.3 雨山竞赛，一场招投标大战如何决定了铁路的命运？ 3.4 烧水的科学，水壶是如何进化为机车锅炉的？ 3.5 蒸汽机并非唯一牵引方案，气动铁路到底是何物？ 3.6 专家也会看走眼，气动铁路为何昙花一现？ 3.7 假如历史可以重来，气动铁路是否有翻身的机会？ 3.8 蒸汽动力上路失败而下水、上轨成功，这其中有没有更深层的原因？ 前三章总结以及下一章的引子 第4章 热世界的法则 4.1 破旧立新，拉瓦锡要如何证明火并非一种元素？ 4.2 将热解释为一种实体，歪理热质说为何获得拉瓦锡的支持？ 4.3 提出热世界的第一条法则，迈尔为何不受重视？ 4.4 十年磨一剑，焦耳的完美实验如何诞生？ 4.5 从永动机到机械论，亥姆霍兹怎么就把上帝请出了宇宙？ 4.6 抽象的威力，卡诺原理如何发展为热力学第二定律？ 4.7 热世界的第二条法则到底说了什么，为什么称其为“关于不可能的定律”？ 4.8 热能竟然还有“高低贵贱”，神秘的熵到底是何物？ 4.9 骰子游戏揭示熵增原理，大数统治的世界到底藏着什么秘密？ 4.10 坚信原子的存在，“败者”玻尔兹曼的理论如何获得胜利？ 4.11 “麦克斯韦妖”出没动摇热学大厦，各位大师要如何降妖除魔？ 4.12 熵与信息量形似神也似，信息竟然是物理实体？