1.煤炭的发现和使用

人类利用能源是从薪柴、风力、水力和太阳能等可再生能源开始，后来才发现了煤炭和石油。中国大约在春秋末期（公元前500年左右）开始利用煤炭作燃料，但是直到13世纪英国开采煤矿，才把煤炭推上了能源的主角地位。18世纪瓦特发明蒸汽机，英国进行产业革命，大量的动力机械逐渐替代了手工业生产方式，交通运输业也迅速发展，使世界能源结构发生了重大变革。煤炭能源时期以煤为主要能源，它是利用煤燃烧反应所释放的热能。18世纪60年代从英国开始的产业革命，使能源结构发生第一次革命性变化，从生物质能转向了矿物能源，即由木炭转向了煤炭。至今煤炭仍是人类最重要的能源之一。煤炭是不可再生能源，分布广、储量大，开发和利用难度不大，但发热量和燃烧效率不高，输送和使用不方便，灰渣、粉尘多，易污染环境。

12世纪末开始，煤开始进入人们的社会生活，尤其是在英格兰和苏格兰，煤在海岸地区碳系地层暴露的地方被发现并引起人们注意力。基于这种情况，煤的原始名称可能是“海煤”。诺森伯兰海滨和福思湾海岸的条件特别适于早期煤的开采。它们的煤层暴露于地表，很容易获取并且运输至市场，历史记录表明这些地区是煤炭贸易的发源地。从那时起，煤已经进入人们日常生活中并成为一种商品。13世纪开始，煤的开采和使用多了起来。爱德华一世统治结束以前，煤的开采已经成为国家的普遍活动。14世纪北方的煤田开始进入开发阶段，尤其是泰恩河沿岸，这里有进行煤炭贸易的有利条件。

这一时期的采煤技术还处于起步阶段，一般是矿坑或平坑，这种设计简单且有效，采用自由排水的方式是这个时代的开采特色。立井上方有一个人力操作的小绞车或类似起重机的机械，用于从采掘面排水，这两者结合起来产生一种自然通风，对于早期这些有限且狭窄的采掘面是有效的。直到14世纪末期为止，虽然煤炭贸易已经相当活跃，但是采煤业仍然只是一个规模有限，技术、管理简单的原始工业，它的发展有待于需求的进一步刺激。

煤炭开采技术包括生产技术和安全技术。开采技术主要包括生产煤炭的几个关键环节，从开采方式、运输以及提升、筛选等工艺的发展历程入手，认识近代英国煤炭生产技术的发展过程，可以更好地理解煤炭工业推动英国工业化进程。

开采方法是一种综合性的技术，这种技术不但包括全矿坑道的系统布置和采煤的工艺过程，而且与运输、通风、排水、机械、动力、安全以及组织管理等技术有密切的联系。

19世纪初开采的基本方式有一些变化。这一工程的艰辛及其劳动的高强度刺激着人们对机械的向往。火药已经用于凿井和开发水平巷，虽然它是一种很有效的方法，但是在使用过程中会有明显的危险，采用它产生的末煤也很多。

煤炭运输方式的革命性进步是铁轨的应用。到1767年，除了使用小铁片加固轨道连接处外，英国所有的铁路轨道几乎都是木制的，但这种轨道容易退化，铁的广泛应用推动了人们对铁轨道的试验。铁轨道被铺在木制轨道之上，人们发现这种铁轨具有很大的优势，因此开始以相同方式对所有轨道进行改造，到18世纪末铁路的建设已经具有相当的规模。19世纪中期，煤炭地下运输技术获得了极大的进步。煤炭生产过程中的地下运输环节在前一个阶段的发展基础上进一步完善和革新。19世纪下半叶到20世纪初，煤矿生产技术进步的一个显著特征就是机械化。它表现在开采、运输、通风等煤炭生产及安全的各个环节中。

2.蒸汽机的发明与应用(www.daowen.com)

早期的蒸汽汽轮机设备是在1606年发明出来的，是为了从被淹没的矿井中进行排水。丹尼斯·帕潘，一个胡格诺难民，做了一些蒸汽技术的有益工作，他于1679年首次使用了活塞，并在1690年后逐渐被采用。此后，工程师苏默塞脱发明了蒸汽提水装置，并开始在布拉兰堡得到实际应用，但机器结构的图样没有留下。前面提到的装置都是利用蒸汽压力做功的装置。到了17世纪，很多学者和发明家都在考虑如何利用蒸汽遇冷凝结，形成真空，而使大气压力做功的难题。

军事工程师出身的托马斯·萨弗里积极进行了蒸汽排水机的研究。1698年他制成了这种机器。随后他写了一本名叫《矿工之友》的小册子，分送给各矿主，介绍他这部“用火来提水”的机器。萨弗里机器的特点是把蒸汽压力和大气压力的利用结合起来。将锅炉产生的蒸汽导入汽箱，利用蒸汽把水从另一管压出，达到提水的目的。萨弗里的机器在一些矿井上得到应用，也曾用于城市或私人住宅供水，但是用于排除深井积水时却遇到困难。要排除深井积水就必须加大锅炉的蒸汽压力。

第一个较为实用的蒸汽机是英国铁匠纽可门于1705年制成的。这台机器吸取了巴本和萨弗里机器的优点。最大的改进在于他在气缸里装了一个冷水喷射器，这样冷凝速度和热效率大为提高。同时他的机器是靠大气压力作用，不存在高压蒸汽的危险性，使用效果良好。

瓦特花了好几年时间对纽可门蒸汽机进行改进，终于在1769年制造出了带有分离冷凝器的蒸汽机，显著提高了热效率，并且获得了他的第一项专利。1784年，瓦特以其带有飞轮、齿轮联动装置和双向装置的高压蒸汽机的综合组装取得了他的第四项专利，无可动摇地确立了他作为广泛应用的蒸汽机的发明者的地位。1788年，瓦特发明了独创性的离心调速器和节气阀，当机器到达一定速度时，该阀门能自动关闭——它通过机器本身的反馈工作，使整个系统自我调节，起到了动力自动化的决定性作用。1790年，瓦特又发明了气缸示功器。至此，从28岁到54岁，通过长达26年的不懈努力，瓦特终于完成了集原始创新、集成创新、引进消化吸收再创新于一体的定型蒸汽机发明的全过程。后来，瓦特还发明了根据输出功率的需要来控制输入蒸汽的调速器，瓦特的调速器也是历史上最早的一种自动控制装置。

瓦特蒸汽机制造出来以后，人类决定性地脱离了人力、水能和风能的长期限制。蒸汽发动机以无生命的动力源代替有生命的动力源，通过利用机器——迅速、有规律、精确、不知疲劳的机器——变热为功，使得经济增长变得更具“集约性”，人均收益以及在个人层次上的物质福利都有所提高。1750—1850年，英国的煤产量提高了9倍。19世纪20年代，操纵动力织机的人，其产量20倍于一个手工工人，而一台动力驱动的“骡”（即纺纱机）具有200台手纺车的能力。1870年英国的蒸汽机的动力约为400万马力，这相当于4 000万个男人所能产生的力。

蒸汽机的发明与珍妮纺纱机之类有着根本性的区别：它带来的不是一个领域内的革命，而是整个工业领域的革命。其根本原因是蒸汽机所生产出的不是某一种能吃穿用的具体产品，而是能量。能量对于机器，就像食物对于人一样，是最基本的需要。1824年法国人萨蒂·卡诺观察了一台正在运转的蒸汽机后感慨：“如果今天把英国的蒸汽机拿走，就相当于抢走英国的钢铁和煤炭，枯竭她的财富源泉，毁灭她的繁荣手段，摧毁她的伟大力量。”因为创造财富的动能不同，尽管1830年中国制造业产量占整个世界份额的29.8%，远远高于英国9.5%的份额，但中国的生产不能形成剩余财富，也就不能扩大再生产。

19世纪后半叶，蒸汽动力已渗透到西方世界经济生活的方方面面。动力技术与其他发明携手并进，在欧洲和世界其他部分之间“挖开”了一道“鸿沟”。在此之前，欧洲几乎没有任何优势，欧洲需要从亚洲获取很多东西，而亚洲从欧洲获取的东西却不多。欧洲人发现，除黄金以外，他们几乎没有什么东西可运往亚洲。16世纪后，因为胡椒、生姜、肉桂和丁香等香料贸易的发展，从欧洲运往东亚的金银就更多了。为了筹措资金以满足对亚洲产品的不断增长的需求，欧洲人必须经常补充他们的金银储备。

有了蒸汽机后，不但老机器有了新作用，还催生出大量新机器，使原有的机器发挥出更大的威力。例如，蒸汽机发明之后，原来的水力纺纱机和水力织布机都可以采用蒸汽机来做动力了，这比水力不知要强多少倍。众所周知，水力虽然有力又廉价，但它有个致命的毛病，一到枯水季节就不能用了，而且工厂必须建在靠近河流且水流湍急的地方，这些地方大都在偏僻乡村甚至深山老林，交通不便，大大增加了建工厂的难度，也提高了产品成本。有了蒸汽机之后，这两个问题都迎刃而解了。以前按季节运行的水力纺纱机和织布机现在能一年到头不停地织出质优价廉的布匹，销往世界各地，为工业的进一步革命积累了大量资本。