Lý Thực trở về Phạm Gia Trang, tìm một sân riêng trong xưởng chế tạo đại bác để làm nơi nghiên cứu máy hơi nước.

Nguyên lý của máy hơi nước vô cùng đơn giản, chẳng qua là tận dụng áp lực giãn nở khi nước được đun nóng thành hơi để đẩy piston chuyển động, sau đó lại tận dụng chân không sinh ra khi hơi nước ngưng tụ thành nước để hút piston chuyển động. Hai loại chuyển động này kết hợp với nhau, thúc đẩy piston liên tục di chuyển lên xuống, từ đó truyền tải động lực ra bên ngoài.

Trong lịch sử hậu thế, máy hơi nước thực dụng xuất hiện vào đầu thế kỷ XVIII, cách thời điểm Sùng Trinh năm thứ mười hai này chỉ vài thập kỷ. Trong đó nổi tiếng hơn cả là máy hơi nước Newcomen. Nguyên lý của loại máy hơi nước này rất đơn giản: dùng sức mạnh của hơi nước để đẩy piston, sau đó phun nước lạnh vào xilanh để làm nguội hơi nước, để chân không sinh ra hút piston trở về. Lặp đi lặp lại hai chuyển động này là có thể truyền động ra ngoài.

Trong lịch sử, loại máy hơi nước có kết cấu đơn giản này từng được sản xuất hàng ngàn chiếc, ứng dụng rộng rãi trong các hầm mỏ than ở Anh để bơm nước ra khỏi mỏ. Việc sử dụng loại máy hơi nước này đã giúp nước Anh trở thành khu vực sản xuất than lớn nhất châu Âu vào đầu thế kỷ XVIII.

Lý Thực chưa từng thực tế chế tạo máy hơi nước, nên quyết định bắt đầu từ loại máy hơi nước Newcomen đơn giản nhất, làm từ dễ đến khó. Chế tạo xong máy hơi nước Newcomen trước, sau đó mới nâng cấp cải tiến nó.

Tuy nhiên, muốn chế tạo máy hơi nước, việc đầu tiên Lý Thực cần làm là một chiếc máy tiện đơn giản. Không có máy tiện thì không thể gia công tinh các vật dụng bằng thép. Trước đó Lý Thực đã làm ra máy doa, kết cấu máy tiện cũng tương tự, chỉ khác là một cái là xoay dao doa, một cái là xoay vật thể cần gia công, nhưng điểm giống nhau là đều xoay một thứ để mài một thứ khác, kết cấu rất tương đồng.

Lý Thực chỉ đạo thợ rèn, tốn năm ngày để làm một chiếc máy tiện thô sơ, dùng thép nồi nấu kim loại tự luyện để làm dao tiện. Chiếc máy tiện làm ra cuối cùng chỉ có thể gọi là máy tiện nguyên thủy – nhưng đã đủ cho Lý Thực sử dụng.

Sau khi máy tiện được sản xuất ra, có thể dùng nó để tiện piston. Lý Thực trước tiên cần làm một xilanh đường kính ba mươi centimet, đúc bằng gang trước, sau đó dùng máy doa gia công tinh cho định hình. Bên trong máy doa phải đặt một piston có cùng đường kính ba mươi centimet. Lý Thực bảo thợ rèn đúc bằng gang, sau đó dùng máy tiện gia công tinh.

Sau khi đối chiếu, gia công, lại đối chiếu, lại gia công nhiều lần, cuối cùng Lý Thực đã có được một xilanh và một piston khít khao không một kẽ hở. Lý Thực đặt xilanh đã mở đáy lên trên nồi nước đang sôi, phát hiện piston này hoàn toàn không bị rò khí. Nghĩ cũng phải, dù là hơi nước áp suất khá cao tràn vào, tốc độ rò rỉ cũng sẽ rất chậm.

Lý Thực làm một thanh đẩy trên piston, do piston chuyển động lên xuống đẩy đi.

Sau đó là thiết bị làm lạnh, Lý Thực cố định một thùng nước lạnh bên cạnh piston, thùng nước lạnh nối liền với đáy xilanh, tại chỗ nối có một cái van. Trên đầu ngoài cùng của thanh đẩy, làm một cơ quan kiểm soát van, nếu thanh đẩy bị hơi nước đẩy lên trên cùng, cơ quan sẽ được mở ra, nước lạnh phun vào trong xilanh để làm nguội hơi nước. Hơi nước vừa nguội, piston liền kéo thanh đẩy chuyển động xuống dưới, khi chuyển động xuống đáy thì chạm vào cơ quan đóng cửa xả nước lạnh lại, cứ thế lặp đi lặp lại.

Sau đó là chế tạo lò hơi. Lò hơi này phải đủ lớn để sinh ra đủ hơi nước đẩy chuyển động. Lò hơi làm xong nối liền với xilanh, toàn bộ máy hơi nước kiểu Newcomen coi như đã hoàn thành.

Lý Thực tốn năm ngày để làm xong các linh kiện, vặn các bộ phận lại với nhau, bắt đầu thử nghiệm xem có thành công hay không.

Lò hơi vừa đốt nóng, Lý Thực phát hiện toàn bộ máy hơi nước chỗ nào cũng rò khí. Giữa piston và xilanh đã qua gia công tinh thì không rò khí lắm, nhưng những chỗ nối của đường ống được vặn bằng ren, khe hở khá lớn, lúc này chỗ nào cũng phun hơi nước ra ngoài.

Tuy nhiên, dù rò rỉ khắp nơi, máy hơi nước vẫn thành công, đó là vì tốc độ hơi nước sinh ra trong lò hơi cao hơn tốc độ rò rỉ trong đường ống. Hơi nước đẩy piston sinh công, không ngừng chuyển động lên xuống. Vì các đường ống bị rò khí nên áp suất bên trong xilanh cũng vừa vặn được kiểm soát, tốc độ chuyển động lên xuống của thanh đẩy vẫn khá ổn định, bảy, tám giây lên xuống một lần.

Chiếc máy hơi nước kiểu Newcomen này, coi như đã làm ra được rồi.

Tuy nhiên hiệu suất của máy hơi nước kiểu Newcomen vô cùng thấp kém, đốt rất nhiều củi mới tạo ra được lực đẩy hạn chế. Điều này là do khi làm nguội hơi nước trong xilanh thì đồng thời cũng làm nguội luôn thân xilanh, sau đó một lát hơi nóng đi vào lại nung nóng thân xilanh, đi đi lại lại lãng phí một lượng nhiệt lớn. Máy hơi nước kém hiệu quả như vậy hiển nhiên không thể đáp ứng nhu cầu của Lý Thực, Lý Thực muốn dần dần cải tạo chiếc máy hơi nước Newcomen này thành máy hơi nước Watt.

Cải tiến lớn nhất của Watt đối với máy hơi nước Newcomen chính là bộ ngưng tụ. Có bộ ngưng tụ, thân xilanh sẽ không bị lặp lại quá trình nung nóng và làm nguội nữa.

Bộ ngưng tụ thực ra là một cái vại sắt lớn, nối với xilanh, bên trong chứa nước lạnh. Công tắc của bộ ngưng tụ do cơ quan kiểm soát, khi piston bị đẩy lên trên cùng, công tắc mở ra, hơi nước đi vào bộ ngưng tụ làm nguội thành nước. Khi piston rơi xuống đáy, công tắc đóng lại, hơi nước không còn nơi nào để trốn nên tụ tập trong xilanh, lại đẩy piston lên trên.

Thế nhưng khi làm bộ ngưng tụ, Lý Thực phát hiện bộ ngưng tụ này so với phương pháp phun nước làm lạnh cần áp suất khí cao hơn, các đường ống rò rỉ khắp nơi không tích tụ được áp suất cao như vậy, buộc phải nghĩ cách bịt kín những chỗ rò rỉ.

Thế nhưng thời đại này không có cao su chịu nhiệt, Lý Thực nghĩ tới nghĩ lui, cũng không nghĩ ra được thứ gì để bịt kín đường ống rò rỉ. Lý Thực không còn cách nào khác, đành lấy các loại vật liệu tương đối mềm mua được trên thị trường ra thử nghiệm từng cái một. Nhưng đủ loại vải vóc đều thử qua một lượt, hiệu quả đều không tốt. Thứ lụa trông rất trơn và mềm kia vừa bị hơi nóng đốt qua, liền trở nên đen cháy vón cục. Vật liệu tương đối chịu nhiệt là vải lanh, nhưng lỗ vải lanh khá lớn, cũng không thể bịt được hơi nước rò rỉ.

Thử nghiệm mấy ngày liền, Lý Thực vẫn không tìm được vật liệu có thể bịt kín chỗ rò rỉ, Lý Thực có chút bị làm khó. Nguyên lý của máy hơi nước kiểu Watt này tuy đơn giản, nhưng các chi tiết làm ra lại rất phức tạp, dù chỉ một chi tiết làm không tốt, cũng không thể vận hành được cả chiếc máy hơi nước.

Nhắc mới nhớ, đồng hoặc chì tương đối mềm, cũng chịu được nhiệt độ cao vài trăm độ, chẳng lẽ phải dùng đồng và chì làm chỗ nối đường ống? Cách này làm thì rất phiền phức.

Một thợ rèn trẻ tuổi được Lý Thực điều tới làm máy hơi nước mấy ngày nay thấy Lý Thực như làm ảo thuật làm ra chiếc máy hơi nước kiểu Newcomen, nên vô cùng sùng bái Lý Thực. Lúc này thấy Lý Thực gặp khó khăn, liền chèn một câu: "Đại nhân tướng quân, nếu đem vải lanh ngâm trong dầu một ngày, lỗ nhỏ bên trong vải lanh sẽ bị dầu mỡ lấp đầy, có lẽ sẽ có ích."

Lý Thực ngẩn người, quả thực không nghĩ tới còn có cách này.

Hắn vỗ vỗ đầu người thợ rèn trẻ, liền làm theo cách của người thợ rèn này. Lấy vải lanh mịn đã ngâm qua dầu bọc vào mối nối ren rồi vặn chặt mối nối, khởi động lại máy hơi nước.

Lần này, Lý Thực phát hiện trên đường ống không còn rò khí nữa.

Lý Thực nói với người thợ rèn trẻ tuổi đó: "Gợi ý không tệ, thưởng cho ngươi mười lượng bạc!"

Người thợ rèn trẻ tuổi kia nói một câu liền kiếm được mười lượng bạc, mừng rỡ quá đỗi, cười đến mức miệng gần như toác tới tận sau gáy.