2-19 蒸汽之力 力和壓強

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    當江南工業集團的產量統計賬目送交工部、戶部審核的時候,生鐵和碳鋼總共3萬噸的年產量令工部尚書李易、戶部尚書杜威驚訝地說不出話來。

    一個月前,天機院用第一座平爐導出的鋼水製造的軍刀,已經向朝廷說明了新型5號鋼(即45鋼,軍器監新製定的鋼料型號中,將鋼料中碳含量的千分比作為鋼號)的性能,同時也說明了平爐煉鋼工藝的卓越。李易想來,如此高品質的鋼料生產起來應當很困難,一年能產個百來萬斤,兵器、甲胄的製造也不愁了,卻不料其杭州鋼鐵廠一開始就是1萬噸的年產量,1噸合1500多斤,那豈不是1500多萬斤優質鋼?乖乖,這以往大宋的軍械用鋼,每年總共都不到1000萬斤,一個江南工業集團,就能一口吃下整個大宋的軍械鋼料供應?

    但是李尚書不得不承認,事實就是如此。現在李易最後悔的就是趙維最初向朝廷上表請求撥款開發平爐和蒸汽機的時候,自己迫於大多數官員的壓力,沒能堅持和太子站在一邊,早知道這平爐有如此強大的生產能力,當初自己就該堅決支持太子的奏疏,由朝廷撥款,工部主導進行平爐的開發,如此,他李易在史書上一定是濃墨重彩的一筆。現如今,如此偉大的功績工部一分也占不著,全部的功勞和榮譽都屬於江南工業集團和天機院,而他們投入的是區區30萬貫銀錢,和兩個多月的時間。

    “一場劇變已然來臨,老夫卻與之擦身而過……”李易最後不由得對黃堯和秦九韶感歎道,他終究是工部尚書,隱約看得見鋼鐵工業的改革將會為全天下工商業帶來的巨大影響。

    黃堯說:“李尚書言重了,亡羊補牢,為時未晚。況且無論是按照鹽鐵官營的律例,還是按照公司股份製的規定,江南工業集團也是由朝廷控製的商團,畢竟,朝廷的股份占比是最大的,公司每年的利潤需要上交國庫,也需要由國庫撥款維持經營,所以我司的生產經營會由朝廷監督,具體的工作,自然落到了工部的頭上。”

    李易笑著擺擺手,沒有接話,心想:江南工業集團表麵上受工部的管轄,實際上這是太子的產業,他一手打出的天下,我一個工部尚書,又怎敢隨意插嘴?

    李易喝了一口茶,問道:“誒,道古(秦九韶的表字)啊,我記得殿下當初給朝廷的奏疏上,除了平爐之外,還有個什麽——蒸汽機?對吧?”

    秦九韶應到:“是有這麽一項。”

    “那天機院有在進行這個工作嗎?”

    秦九韶說:“沒有,天機院到目前為止,除了編寫《三談集注》之外,隻進行了五公斤炮、平爐和煉焦爐的研製,並無多餘的人手進行蒸汽機的製造,一直以來都是江南工業在做這個事,天機院隻是協助。而且這個工作就是由黃先生直接主管的,黃先生可不僅僅是商人,他可是墨家第六十代巨子。”

    “先生”一詞,在這個時代是對老師的稱呼,趙維一直稱黃堯為“先生”,秦九韶研究高階函數的時候,與黃堯討論過其中的一些問題,黃堯拿出了自己的手劄,與他一起探討,兩人一起研究高階函數的特性,都快摸到了微積分的邊緣!秦九韶認為他能在函數領域達成今日的成就,很大一部分應該感謝黃堯,所以他稱呼黃堯為“先生”(雖然秦沒有拜師,黃也沒有收徒),黃堯也不反對,但是他很認同韓愈的《師說》“巫醫樂師百工之人,不恥相師”的說法,為了表達雙方平等的意思,他同樣稱呼秦九韶為“先生”。

    從這兩人開始,“先生”一詞正式向後世的意義演化,不再是“老師”的代稱,這一習慣起初隻是在墨家範圍內蔓延開來,最後成為了全社會的習慣,因為黃堯把它帶到朝廷裏了……當然,這是後話。

    “巨子?!”李易驚訝地看向黃堯,“哎呀,失敬失敬!”

    黃堯沒有跟他客套,隻是微笑地點了一下頭示意。

    “有墨家巨子主事,蒸汽機當是沒有什麽困難了。”李易歎道,“不知這蒸汽機是個什麽模樣,黃公,可否讓我這山野匹夫一開眼界?”

    “尚書謙虛了,蒸汽機現在隻是完成了樣機製作,測試和修改正在進行中。”黃堯說,“尚書若是有興趣,這個項目倒是需要工部的幫忙。”

    李易頓時來了精神:“哦?貴司若是有工部使得上力的地方,盡管開口!”

    黃堯說:“墨家先賢留下的《墨經集注》裏也有些許關於利用蒸氣的記載,隻是很零散,而且缺乏實用性。太子看過這部書,將這些零散的記錄總結之後,得出了一個比較完整的想法,這年少輕狂看來也不是壞事,在下也隻是沿著他的思路,將紙上的東西變成實物而已。其實說起蒸汽機的原理,並不複雜,最簡單的例子,咱們平時用銅壺燒水,水開了之後,水汽從壺嘴之中噴出,壺蓋也會被頂起來發出聲響,這就是蒸氣的力量。蒸汽機,就是造一個很大的銅壺,用來燒水,產生大量的水汽,將水汽引入半封閉的銅管,就能推動銅管裏的塞子活動,這就是機械力量的來源。”

    李易雖然一字一句聽得很清楚,但是對蒸汽機的原理仍然是雲裏霧裏。有道是說起來容易做起來難,《墨經集注》裏麵,第56代巨子青雲子記述了蒸氣引入密閉容器,冷卻後從低處汲水進入腔體的記載,而第57帶巨子虛穀子則是反過來,用高溫蒸氣的壓力將密閉腔體內的水通過連通器的結構壓到高處,使用多個這種裝置接力,可以從河流中將水送至山頂(帕平和塞維利機原理)。

    但是這兩代巨子的方式隻能存在於紙上,像這樣的供水方式,消耗的煤炭多而效率低下,趙維從手機裏找的蒸汽機原理是瓦特改良之後的往複式蒸汽機(跳過了紐可門機原理),相比於青雲子和虛穀子的蒸汽機,往複機的能量轉換效率高了不是一點點,而且這種塞維利機純粹是用來抽水的,不能它用,往複式蒸汽機則是將蒸氣的內能轉化成活塞的往複運動,能量轉換可以持續,用途也更廣泛。

    黃堯根據趙維提出的蒸汽機原理,將蒸汽機分成了幾個大的部分,鍋爐、氣缸、冷凝器和連杆控製機構,鍋爐燒煤,將水變成高溫高壓蒸汽,通過管路和閥門引入氣缸,推動活塞運動做功,做功之後的蒸氣溫度降低,進入冷凝器凝結成水,體積大量收縮,大氣壓將活塞壓回來,如此循環往複……

    連杆控製機構則是由曲軸驅動,控製從鍋爐進入氣缸、從氣缸進入冷凝器的閥門開閉時機,實現了蒸氣進入和排出過程的自動化,往複式蒸汽機能連續運轉的關鍵就在於此!

    從圖紙到樣機,黃堯用了5天時間就製造出來了,那時候平爐都還沒產出第一爐鋼水,但是這一台樣機充其量隻是個新奇的玩具,它的鍋爐隻能裝1公升的水,氣缸也很小,隻能帶動風車,讓它變成風扇之外,沒有更大的用處。

    因為蒸汽機的出現,很多新的物理參數和定義的問題也出來了,能量、功、功率、壓強和力,除了力之外,都是新出現的物理概念,要提升蒸汽機的性能,就必須要對這些物理概念進行定量計算和分析。這些物理概念中,最基礎的就是力了。

    自古以來,人們對力的認識是最直觀的,也是最混淆的。正因為如此,天機院成立之初,就有了一個物理研究組,主攻動力學領域,可幾個月時間過去了,後成立的化學組已經變成了化學研究室,物理組還是那樣不顯眼,因為牛頓的三大定律乍一聽全是廢話,好像都是大家平時的生活經驗,用得著你們一個研究組專門去總結?閑的沒事幹?

    如今,蒸汽機的出現,力和功、能這些概念扯上關係,需要複雜的定量計算的時候,大家才發現,原來物理組研究的動力學竟有這麽大的用途。比如說力的基本單位——牛(這個牛跟牛頓沒什麽關係了,有個詞“力大如牛”,所以牛這種動物給人的印象都是力量的代表,所以力的基本單位就用牛了),物理組根據力學第二定律(牛頓第二定律),物體運動的加速度與受力成正比,與自身質量成反比,得出F=ma的公式,規定1牛的定義是1公斤的物體,以1米每二次方秒的加速度運動時,所受到的力,還用牛筋製作了標準的測力計,但是天機院一直以來都沒有用到過。

    物理組在黃堯的帶領下開始進行蒸汽機的深入研究之後,認為蒸汽機的核心在於氣缸,所以江南工業集團又製作了幾套不同粗細和長短的氣缸和活塞,同時接上同一個鍋爐進行測試比對。

    黃堯發現,氣缸越粗,活塞上能產生的力越大,而且力和活塞與蒸氣接觸麵的麵積成正比,但是大家都是從一個鍋爐裏麵獲得的蒸汽,其它物理參數都是一樣的。於是壓力強度這個概念正式被提出,簡稱壓強,即單位麵積承受的壓力,氣缸內各個位置的壓強是相等的,氣壓向各個方向產生的力也是一樣的,由於氣壓是通過活塞產生的力,所以壓強的計量單位被稱之為“塞”,1塞的壓強定義為1牛的力作用於1平方米的麵積上,產生的壓強大小。(www.101noveL.com)