Động cơ hơi nước dùng được trong công nghiệp đầu tiên là động cơ khí quyển của Thomas Newcomen, lắp đặt năm 1712 để bơm nước ở mỏ than vùng Midlands nước Anh. Trước đó, Thomas Savery được cấp bằng sáng chế năm 1698 cho một máy bơm dùng hơi nước nhưng không có pít-tông, hiệu quả thấp và dễ nổ. James Watt, người thường được gọi là “cha đẻ động cơ hơi nước”, thật ra cải tiến động cơ Newcomen bằng bình ngưng tách rời, được cấp bằng năm 1769.
Vì vậy câu trả lời chính xác là: động cơ hơi nước không có một người phát minh, mà là một chuỗi cải tiến kéo dài gần một thế kỷ rưỡi. Mỗi bước giải quyết một điểm nghẽn cụ thể của bước trước, từ chuyện làm sao có lực, sang chuyện làm sao đỡ tốn than, rồi làm sao biến chuyển động lên xuống thành chuyển động quay để chạy máy móc và bánh xe.
Bài này đi theo từng điểm nghẽn đó, giải thích vì sao mỗi cải tiến hiệu quả về mặt vật lý, và dừng lại ở một tranh luận còn nóng trong kinh tế học đổi mới: bằng sáng chế của Watt đã thúc đẩy hay kìm hãm sự phát triển của động cơ hơi nước.
Bài toán ban đầu: nước ngập mỏ than
Động cơ hơi nước không ra đời để kéo tàu hay chạy nhà máy dệt. Nó ra đời để giải một bài toán rất cụ thể của nước Anh thế kỷ XVII: rừng cạn dần, than đá thay gỗ làm chất đốt, mỏ than đào càng sâu thì càng ngập nước ngầm. Bơm bằng sức người, sức ngựa hay bánh xe nước đều có giới hạn độ sâu và chi phí.
Nền khoa học cho lời giải cũng mới hình thành. Thí nghiệm của Evangelista Torricelli năm 1643 cho thấy khí quyển có áp suất; thí nghiệm bán cầu Magdeburg của Otto von Guericke giữa thế kỷ XVII cho thấy chân không có thể tạo ra lực rất lớn. Ý tưởng nảy ra là: nếu tạo chân không bằng cách ngưng tụ hơi nước trong một bình kín, áp suất khí quyển bên ngoài sẽ làm việc thay người.
Denis Papin, nhà vật lý người Pháp từng làm việc với Robert Boyle, chế tạo nồi áp suất có van an toàn và năm 1690 mô tả mô hình xi-lanh có pít-tông chạy bằng hơi nước ngưng tụ, nhưng không biến nó thành máy công nghiệp. Còn chiếc aeolipile của Heron thành Alexandria, quả cầu quay nhờ hơi phụt ra từ thế kỷ I, hay được nhắc trong sách phổ thông, chỉ là đồ chơi thí nghiệm và không có dòng nối nào tới các động cơ thế kỷ XVIII.
Dòng thời gian: năm bước giải năm điểm nghẽn
Đọc lịch sử động cơ hơi nước theo các điểm nghẽn sẽ thấy rõ ai đóng góp gì:
- 1698 – Thomas Savery: bằng sáng chế cho “máy kéo nước bằng lửa”. Hơi nước được đưa vào bình rồi làm lạnh để hút nước lên, sau đó dùng áp suất hơi đẩy nước tiếp. Không có pít-tông, chỉ hút được vài mét, áp suất cao làm bình dễ vỡ. Điểm nghẽn còn lại: độ sâu và an toàn.
- 1712 – Thomas Newcomen: động cơ khí quyển gần Dudley. Hơi nước áp suất thấp vào xi-lanh, phun nước lạnh để ngưng tụ, tạo chân không; áp suất khí quyển đè pít-tông xuống, kéo một cần lắc lớn bơm nước từ đáy mỏ. Vì bằng sáng chế rộng của Savery còn hiệu lực, Newcomen phải hợp tác với nhóm nắm bằng đó. Điểm nghẽn còn lại: tốn than khủng khiếp.
- 1765–1769 – James Watt: khi sửa một mô hình động cơ Newcomen ở Đại học Glasgow, Watt nhận ra phần lớn nhiệt bị phí do xi-lanh liên tục bị làm nóng rồi làm lạnh. Lời giải là bình ngưng tách rời, cấp bằng năm 1769. Điểm nghẽn còn lại: vốn và độ chính xác gia công.
- 1775–1781 – Boulton & Watt: hợp tác với nhà công nghiệp Matthew Boulton ở Birmingham; xi-lanh được khoan chính xác nhờ máy doa của John Wilkinson. Bánh răng mặt trời – hành tinh (gắn với William Murdoch, thợ của hãng) biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay, mở đường cho nhà máy dùng động cơ. Điểm nghẽn còn lại: máy quá nặng để di chuyển.
- 1800–1829 – hơi nước áp suất cao: Richard Trevithick bỏ ý tưởng áp suất thấp của Watt, làm động cơ áp suất cao gọn nhẹ; năm 1804 đầu máy của ông kéo toa trên đường ray ở Penydarren, xứ Wales. Năm 1829, đầu máy Rocket của George và Robert Stephenson thắng cuộc thi Rainhill, định hình đầu máy xe lửa.
Bình ngưng tách rời: vì sao một chi tiết tiết kiệm được ba phần tư nhiên liệu
Ở động cơ Newcomen, cùng một xi-lanh vừa phải nóng để hơi nước vào không bị ngưng ngay, vừa phải lạnh để hơi ngưng tạo chân không. Mỗi chu kỳ, nước lạnh phun vào làm nguội cả khối gang, rồi hơi của chu kỳ sau phải nung nóng lại khối gang đó trước khi kịp làm việc. Phần lớn nhiệt lượng của than đi vào việc làm nóng đi làm nóng lại thành xi-lanh.
Watt tách hai chức năng ra hai nơi: xi-lanh luôn được giữ nóng (sau này còn bọc áo hơi), còn việc ngưng tụ diễn ra trong một bình riêng luôn lạnh, nối với xi-lanh bằng ống có van. Một bơm khí nhỏ hút nước ngưng và khí không ngưng ra khỏi bình. Đây là một cách nghĩ rất hiện đại: khi một bộ phận phải đáp ứng hai yêu cầu trái ngược, hãy tách thành hai bộ phận. Các nhà nghiên cứu phương pháp sáng tạo sau này gọi đó là giải mâu thuẫn vật lý bằng phân tách trong không gian.
Kết quả thực tế được ghi nhận là động cơ Watt tiêu tốn khoảng một phần tư lượng than so với động cơ Newcomen cùng công suất (con số cụ thể khác nhau tuỳ máy và nguồn). Boulton & Watt tận dụng điều này bằng một mô hình kinh doanh khôn ngoan: thay vì bán máy giá cao, họ thu phí bằng một phần ba khoản tiết kiệm than so với động cơ Newcomen trong nhiều năm. Khách hàng chỉ trả khi thấy lợi.
Watt cũng là người đưa ra đơn vị “mã lực” để so sánh động cơ của mình với sức ngựa mà khách hàng quen dùng, và cơ cấu điều tốc ly tâm để giữ tốc độ quay ổn định, sau này trở thành ví dụ kinh điển trong lý thuyết điều khiển phản hồi.
Bằng sáng chế của Watt: thúc đẩy hay kìm hãm?
Bằng sáng chế năm 1769 lẽ ra hết hạn năm 1783. Năm 1775, Watt và Boulton vận động được Quốc hội Anh thông qua đạo luật gia hạn tới năm 1800. Trong một phần tư thế kỷ, hãng có độc quyền trên bình ngưng tách rời, và họ dùng nó mạnh tay, kể cả kiện các đối thủ như Jonathan Hornblower, người làm động cơ hai xi-lanh nối tiếp.
Michele Boldrin và David Levine, trong Against Intellectual Monopoly (2008), lập luận rằng độc quyền này đã kìm hãm đổi mới: Watt phản đối hơi nước áp suất cao vì cho là nguy hiểm, và các cải tiến của người khác bị chặn bởi bằng sáng chế của ông. Họ dẫn số liệu cho thấy công suất lắp đặt và hiệu suất động cơ tăng nhanh hơn sau năm 1800, khi bằng hết hạn và Trevithick, Woolf cùng nhiều người khác tự do thử nghiệm.
Phía bảo vệ, nhiều sử gia kinh tế chỉ ra rằng không có triển vọng độc quyền thì Boulton khó có lý do bỏ ra số vốn lớn cùng nhiều năm chờ đợi để đưa một ý tưởng phòng thí nghiệm thành sản phẩm đáng tin cậy. Họ cũng lưu ý tốc độ tăng sau 1800 còn chịu ảnh hưởng của gia công kim loại tiến bộ và nhu cầu công nghiệp tăng, chứ không chỉ do bằng hết hạn.
Hiện trạng: đây là một trường hợp điển hình, được dẫn ở cả hai phía, chứ chưa phải bằng chứng quyết định. Bài học cho người làm sáng chế hôm nay khá thực dụng: phạm vi yêu cầu bảo hộ quá rộng và thời hạn quá dài có thể làm chính người giữ bằng tự khoá mình vào một thiết kế cũ, trong khi đối thủ đi trước ở hướng khác.
So sánh ba thế hệ động cơ
Ba thế hệ động cơ khác nhau ở nguyên lý tạo lực, không chỉ ở kích thước:
| Tiêu chí | Newcomen (1712) | Watt (từ 1769) | Áp suất cao (từ khoảng 1800) |
|---|---|---|---|
| Lực đẩy chính | Áp suất khí quyển đè lên chân không | Hơi nước kết hợp chân không trong bình ngưng | Áp suất hơi nước lớn hơn nhiều lần khí quyển |
| Ngưng tụ | Ngay trong xi-lanh | Bình ngưng tách rời | Thường xả hơi ra ngoài, không cần bình ngưng |
| Mức tiêu thụ than | Rất cao | Khoảng một phần tư so với Newcomen | Phụ thuộc thiết kế; động cơ giãn nở nhiều cấp về sau tiết kiệm hơn |
| Kích thước, trọng lượng | Cồng kềnh, xây cố định trong nhà máy | Vẫn lớn, cố định | Gọn nhẹ, lắp được lên xe, tàu |
| Ứng dụng chính | Bơm nước mỏ | Bơm nước, nhà máy dệt, xưởng cơ khí | Đầu máy xe lửa, tàu thuỷ, máy kéo |
Lưu ý rằng động cơ Newcomen không biến mất ngay khi động cơ Watt xuất hiện. Ở các mỏ than, nơi than vụn rẻ gần như miễn phí, động cơ Newcomen đơn giản, rẻ và bền vẫn được dùng tới tận thế kỷ XIX. Hiệu suất chỉ quan trọng khi nhiên liệu đắt.
Những hiểu lầm phổ biến
“Watt nhìn ấm nước sôi mà nghĩ ra động cơ hơi nước.” Câu chuyện ấm nước là giai thoại do gia đình và người viết tiểu sử kể sau này, không có tư liệu đương thời xác nhận. Watt thật sự nghĩ ra bình ngưng khi phân tích sự lãng phí nhiệt của một mô hình có sẵn, tức là cải tiến một máy đã tồn tại hơn nửa thế kỷ.
“Động cơ hơi nước gây ra Cách mạng Công nghiệp.” Giai đoạn đầu của công nghiệp dệt ở Anh chạy chủ yếu bằng sức nước. Các nghiên cứu lịch sử kinh tế, đáng chú ý là công trình của Nicholas Crafts, ước tính đóng góp của hơi nước vào tăng năng suất trước năm 1830 khá nhỏ; tác động lớn chỉ đến vào giữa thế kỷ XIX với đường sắt và động cơ áp suất cao.
“Nhiệt động lực học có trước, động cơ có sau.” Ngược lại. Động cơ chạy hơn một thế kỷ rồi khoa học mới giải thích được vì sao. Sadi Carnot năm 1824 viết Suy ngẫm về động lực của lửa chính là để hiểu giới hạn hiệu suất của động cơ hơi nước; từ đó mới dẫn tới định luật thứ hai của nhiệt động lực học.
“Nước Anh đi đầu vì người Anh thông minh hơn.” Robert Allen, trong The British Industrial Revolution in Global Perspective (2009), đưa ra một giải thích được bàn rộng rãi: ở Anh than rất rẻ mà lương lại cao, nên máy móc thay sức người có lời hơn ở nơi khác. Giả thuyết này có phản biện, nhưng nó cho thấy giá cả tương đối có sức nặng giải thích lớn.
Câu hỏi thường gặp
Động cơ hơi nước ra đời năm nào?
Nếu tính máy chạy được trong công nghiệp thì là năm 1712, với động cơ Newcomen ở vùng Midlands. Nếu tính bằng sáng chế đầu tiên cho máy dùng hơi nước để bơm thì là năm 1698 của Thomas Savery. Bình ngưng tách rời của James Watt, cải tiến quan trọng nhất về hiệu suất, được cấp bằng năm 1769.
Vì sao Watt lại nổi tiếng hơn Newcomen?
Một phần vì động cơ Watt tiết kiệm nhiên liệu đến mức mở ra ứng dụng ngoài hầm mỏ, nhất là sau khi có cơ cấu chuyển động quay để chạy máy móc. Phần khác là do hình ảnh: Watt là thành viên các hội khoa học, có quan hệ với giới trí thức, được dựng tượng và viết tiểu sử nhiều, còn Newcomen là thợ kim khí tỉnh lẻ để lại rất ít tư liệu.
Đơn vị watt có liên quan gì tới James Watt?
Có. Năm 1882, Hiệp hội Anh vì sự Tiến bộ Khoa học đề xuất lấy tên Watt đặt cho đơn vị công suất, sau này được đưa vào hệ SI. Một watt bằng một joule mỗi giây. Thú vị là chính Watt đã đặt ra đơn vị mã lực, nên tên ông gắn với cả hai đơn vị công suất, một hiện đại và một truyền thống.
Động cơ hơi nước có còn được dùng ngày nay không?
Có, dưới dạng tua-bin hơi. Phần lớn điện năng thế giới vẫn được sản xuất bằng cách đun nước thành hơi, dù nguồn nhiệt là than, khí, hạt nhân hay nhiệt mặt trời tập trung, rồi cho hơi quay tua-bin. Tua-bin hơi do Charles Parsons phát triển từ năm 1884 thay pít-tông bằng cánh quay, nhưng vẫn tuân theo cùng những giới hạn nhiệt động mà Carnot đã chỉ ra.
Châu Á có phát triển động cơ hơi nước sớm không?
Không có động cơ hơi nước công nghiệp nào ở châu Á trước khi kỹ thuật này được du nhập từ châu Âu trong thế kỷ XIX. Nhật Bản thời Minh Trị là trường hợp tiếp thu nhanh nhất, tự đóng đầu máy và tàu hơi nước chỉ vài thập kỷ sau khi mở cửa. Ở Việt Nam, đường sắt và tàu hơi nước xuất hiện trong thời Pháp thuộc.
Có nên xem chuyện bằng sáng chế của Watt là lý lẽ chống lại hệ thống sáng chế không?
Không nên khái quát từ một trường hợp. Trường hợp Watt cho thấy rủi ro của bằng sáng chế có phạm vi rộng được gia hạn đặc biệt, nhưng nhiều trường hợp khác cho thấy bảo hộ giúp thu hút vốn cho phát minh cần đầu tư lớn. Kinh tế học hiện nay chủ yếu tranh luận về thiết kế hệ thống, như thời hạn, phạm vi và ngưỡng sáng tạo, hơn là bỏ hay giữ.