英国本土并不大，形状和面积都很像中国的陕西省，而且同样是东南部工商业发达，北部煤炭储量丰富。英国用煤历史悠久，早在9世纪的时候英格兰的修道士们已经用煤来取暖。到17世纪初，木材已经远远不能满足工商业和城市化的需要，英国的铸铜工人、染布工人、制砖者、啤酒制造者、金属加工者、煮盐者以及面包师等都以煤取代了木材作为燃料。

那时候，英国的采矿业已发展到相当的规模，许多矿井遇到积水问题，一般靠人力或畜力转动辘轳来提水，成本很高。而现场丰富而廉价的煤，促使许多人开始进行“以火力提水”的探索和试验。

其实，蒸汽机的原理早就被人类发现了，它的鼻祖甚至可以追溯到2000年前古希腊数学家希罗（Hero of

Alexandria）发明的汽转球（如图），它能利用蒸汽喷出时产生的冲力，带动球体不停的旋转。也许这位先知已经看到了这神奇力量的曙光，但在当时的社会环境下，那个装置只不过被别人当作一个玩具而已。

1601 年，意大利物理学家包尔塔设计出一种利用蒸汽提水的装置，它利用蒸汽对水面的压力和冷凝后产生的真空，通过管子把水吸上来。用同样的原理，17世纪末，英国人萨弗里制成了第一台实用的蒸汽提水机，但汲水深度不能超过六米。后来，纽可门及其助手首次引入了活塞装置，用一根连接杆驱动井中独立的提水泵，这种蒸汽机在欧洲被迅速推广。但纽可门的机器在气缸加热和冷却过程中能量损耗严重、热效率低，英国的仪器修理工詹姆斯·瓦特在修理纽可门机时，对蒸汽机做了重大改进，它将冷凝器与汽缸分离，还增加了曲轴和齿轮传动以及离心调速器等装置。改良后的蒸汽机的热效率成倍提高，煤耗大大降低。从1769年开始，瓦特取得了一系列专利，为纪念他的贡献，人们甚至将功率的单位命名为“瓦特”。

瓦特的创造性工作使蒸汽机被更广泛的应用起来。蒸汽机很快就从提水机械，发展成可以普遍应用的“发动机”。推动冶炼、纺织等各行业从手工劳动向机器动力转变。据统计，有了蒸汽机的帮助，英国的纺织品产量在20多年内(从1766年到1789年)增长了5倍，为市场提供了大量消费商品。

蒸汽机很快还走出生产车间，引发了人类交通运输的变革。

影响最大的是英国人史蒂芬孙。1814年，煤矿工人出身的史蒂芬孙制造出蒸汽机车，并开始在奇林沃兹煤矿负责运煤。十年后，也就是1825年9月27日，世界上第一条公用铁路在英国的斯托克顿-达灵顿正式通车，在盛况空前的通车典礼上，由机车、煤水车、32辆货车和1辆客车组成的载重量约90吨的“旅行”号列车，由史蒂芬孙亲自驾驶，鸣响了近代铁路运输业前进的号角。铁路以其迅速、便利、经济等优点，深受社会各界追捧，就在英国对中国发动鸦片战争的时候，英国国内正掀起铁路修建的高潮。到1880年，主要的线路基本完成。1890年全国性铁路网形成，路网总长达 32000公里。

其实在蒸汽火车之前，已经有人制造出蒸汽轮船，只不过一直遭到了传统河运经营者的反对和破坏。美国工程师富尔顿得到了拿破仑的支持，终于在1807年完成了“克莱蒙特号”的建造，这条船长45米，没有帆，却有两个奇怪的大烟筒，因为它安装上了当时最好的瓦特蒸汽机。“克莱蒙特号”在纽约下水时，河岸上挤满了好奇的观众。它沿哈得逊河逆流到达阿尔巴尼城，240公里用了32小时，而普通的帆船航行这段航程需要四天四夜。“克莱蒙特号”试航成功，宣布了曾成就“大航海”的帆船时代落幕。

人们把18世纪后半期工厂手工业向机器大工业过渡的阶段称为工业革命，虽然在此之前一些技术革新已经在纺织工厂里进行，比如，阿克莱特的水力纺纱机、哈格里夫斯的珍妮纺纱机，但人们更愿意将解决了动力问题的蒸汽机作为工业革命的标志。

蒸汽机产生前，灵巧的工匠们能制造出精密的机械装置，比如瑞士的钟表匠就造出过能写字、弹琴的机器人，但它必须要人们预先上好发条才能动起来。也有很多人幻想过有一种机械，在不需要外力的情况下能不停的运转。这种被称为“永动机”的魔力甚至吸引了很多大科学家，比如：文艺复兴时期的达·芬奇、英国大科学家牛顿都曾耗费很多精力致力于永动机的研究。但在不停实践探索中，人们逐渐发现世界上没有永动机。1775年，法国科学院甚至通过一项决议，宣布永不接受永动机。

但蒸汽机不是永动机，它的能量来源于热能的转换。燃料加热锅炉，将水烧开，产生蒸汽，蒸汽进入汽缸，推动活塞往复运动，产生我们需要的机械动力。

在蒸汽机的制造、改进的同时，通过对摩擦、效率等问题的研究，人们也加快了对能量转换规律的科学认知。经过焦耳等多位科学家的努力，人们对能量转换给出了最简单的总结：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到其它物体，而能量的总量保持不变。这就是能量守恒定律，它人类对自然界普遍规律的一次伟大认识。

火的使用是人类走出动物界的重要标志，在冰河时代人类利用火堆发出的热能抵御了寒冷；在黑暗的夜晚人类用火发出的光照耀光明；后来人类又用火烧制出了陶器、冶炼出铁器；而这次，人类用燃烧的烈火让巨大的机器转动了起来。

燃烧的煤炭成了工业革命的动力之源。1789年法国大革命发生时，英国年产煤1000万吨。在19世纪中叶，英国煤炭产量占世界总产量的2/3。一位法国参观者对英国的变化感到大为惊异。他写道：“煤是英国制造业的灵魂”。

令人称奇的是，提出能量守恒定律的焦耳也曾废寝忘食的研究过永动机，后来又是他最早提出世界能源危机，他计算了英国的煤蕴藏量，根据能量转换的效率，推算出在1965年，英国就会无煤可用，并建议英国要不断地寻找取得能源的新方式。关于人类生产造成的能源危机和生态危机，我们将在后面讲述。