蒸汽机动力原理

蒸汽机的发明运用了将热能转换为机械能. 直到1769年瓦特（J.Watt）进一步改进后，蒸汽机才得到广泛应用。

蒸汽机有一个锅炉室,把水加热,当水受热气化后变成水蒸汽,同时体积膨胀,靠巨大的气压来推动活塞运动,产生机械能,其中有一定的装置主要是类似活塞式抽水机中的凡尔,控制蒸汽推动活塞往复动动,再通过曲柄连杆机构把活塞的往复动动转化成转动.以此来推动各种设备做功，将内能转化为机械能。

蒸汽机的历史可以追溯到古希腊时代。公元50年，希罗（Heron）发明过一种演示用的蒸汽轮球。当加热后蒸汽从喷嘴喷出时，轮球就会沿相反方向旋转。可是当时这一创造成果并没有得到实际应用，发明者自己也没有这种打算。1000多年过去了，当工矿业有了发展，才有人试图制造从矿井里排水的蒸汽泵。1630年就有人曾因发明以蒸汽为动力的提水机械而获专利，不过所有活动都只限于设计或试制，没有实用价值。实际上只有德国的巴本（D.Papin）、英国的萨弗里（T.Savery）和纽可门（T.Newcomen）才是蒸汽机的发明者。

萨弗里是英国工程师，他在1689～1712年间，先后创制了几种蒸汽机。其中有一种直接用于提水的机器。其工作原理是：蒸汽从锅炉通过打开的阀门进入气包，再把水从那里通过活动阀（这时另一活动阀关闭）压到储水池中，当气包中的水所剩无几时，关上阀门，从水箱向气包放水冷却，于是气包内形成负压（负压的意思是这里的气压比大气压低），在大气压的作用下，水从吸筒经活动阀进入气包（这时另一阀门关闭）。如此周而复始，达到连续抽水的目的。这种蒸汽机提水的高度据说只有7米，每小时可提水十几吨，但它需有人每隔十几秒关一次阀门。如果忘记及时启闭阀门，就有可能引起锅炉爆炸。再加上矿井很深，往往需用几台蒸汽机分几个台阶提水，既不经济，也欠安全，所以矿主们不大愿意采用。

纽可门的蒸汽机是在萨弗里的蒸汽机的基础上进一步改进的产物。纽可门是一位铁匠。他在活塞上加了一庞大的摇臂，摇臂的一侧挂有平衡重物，重物下面连着抽水唧筒杆。重物由于自身重量下降时，拉动活塞升起，蒸汽从锅炉经过打开了的阀门进入气包，这时关闭阀门，通过气包的水门打开，冷水从水箱进入气包，使蒸汽冷凝，气包内形成负压。在大气压的作用下，活塞向下移动，将抽水唧筒杆提起。

纽可门蒸汽机的优点是把动力部分的抽水唧筒分开，气压较低，比较安全。后来又有人把阀门启闭的工序改用飞轮，实现了自动化，于是就有不少矿山乐于采用。

纽可门蒸汽机的效率非常低，直到1769年瓦特（J.Watt）进一步改进后，蒸汽机才得到广泛应用。

瓦特是苏格兰发明家，1763年1月19日生于格林诺克的工人家庭里，由于家庭影响，从小就熟悉机械制造的基本知识，18岁到伦敦一家钟表店当学徒工，学会了使用工具和制造器械的手艺。他利用业余时间刻苦学习，努力实践，掌握了罗盘、象限仪、经纬仪等复杂仪器的制造技术。后来瓦特到格拉斯哥大学，负责教学仪器的修理。他在修理工作中进一步熟悉了这种蒸汽机的结构，搞清了它的原理，并找到了效率低的原因。原来，纽可门蒸汽机的汽缸每次推动活塞后都要喷进冷水，使蒸汽凝结，所以汽缸要反复加热，白白消耗掉许多热能。1769年瓦特发明冷凝器，发明了制造精密汽缸和活塞的工艺，创造了单动作蒸汽机。他经过不断试验，又发明了双动作蒸汽机，从汽缸两边推动活塞运动。他利用曲柄机构，使往复的直线运动转变为旋转运动。他还设计了离心式节速器控制蒸汽机的转速。经过他一系列革新，蒸汽机逐步完善，效率也大有提高。工业界广泛采用蒸汽机，促进了工业革命的到来。

蒸汽机是热机的一种.

所谓热机其最基本的功能就是将热能转换为机械能.

所以蒸汽机的工作原理主要便是怎样把热能转换为机械能.

首先蒸汽机有一个锅炉室,把水加热,当水受热气化后变成水蒸汽,同时体积膨胀,靠巨大的气压来推动活塞运动,产生机械能,其中有一定的装置主要是类似活塞式抽水机中的凡尔,控制蒸汽推动活塞往复动动,再通过曲柄连杆机构把活塞的往复动动转化成转动.以此来推动各种设备作功.

 因为:蒸汽动力装置若采用卡诺循环，则它仅限于饱和蒸汽区，其上限的加热温度T受限于蒸汽 的临界温度，下限温度又受限于环境温度，故可利用温差不大，卡诺循环的热效率就不可能很高。同时，在湿蒸汽区工作的热机运行条件十分恶劣。另外，做完功的乏汽是比容很大的湿蒸汽需用很大的压缩机，消耗的压缩功就很大。故实际蒸汽动力装置不采用卡诺循环而采用朗肯循环。

能量利用与转换：就现有的能量转换与利用技术而言，能源资源中除水力、潮汐能、风能等少数能源外，基本上都是直接地以热能的形式利用或间接地将热能转换成其他的能量形式进行多种方式的利用，如煤炭、石油一类矿物燃料的能源资源，可以通过燃烧将化学能转变成热能直接加以利用，或通过热力发动机转换成机械能，或再通过发电机转换成电能。工业电炉、烘干、供暖属于热能的直接利用。人类需要的能源形式：主要有电能、热(冷)能、机械能等。热能是能量的一种基本形式。物体宏观运动所具有的能量称为机械能。电能是电荷的流动或聚集而具有的作功能力。人们从自然界获得的能源：一次能源：自然界中存在的天然能源。如化石燃料、核燃料、太阳能、水力、风能、 地热、海洋能、生物质能等。热能转变成机械能的途径：热动力装置：热动力装置主要有两大类：一种是以燃烧产生的燃气直接进入发动机进行能量转换，如内燃机和燃气轮机等；另一种则首先将燃料燃烧产生的热能传递给某种液体使其汽化，然后将蒸汽导入发动机进行热功转换，如蒸汽机和汽轮机等。工质：实现热能和机械能相互转化的媒介物质称为工质。工质是完成热功转换所必需的载体。内燃机及燃气轮机装置中的工质为空气和燃气；蒸汽机和汽轮机装置中的工质为水蒸汽。工质的选择：热力学中热能与机械能之间的相互转换是通过物质的体积变化来实现的，常选气态物质作为工质。热力系与热力系的分类：热力系：具体制定的热力学研究对象。按热力系与外界进行物质交换的情况分：闭口系：系统与外界无物质交换，即无物质穿过边界。开口系：系统与外界有物质交换，即有物质穿过边界。绝热系：系统与外界无热交换。孤立系：系统与外界无任何相互作用，既没有物质穿过边界，也不与外界发生任何形式的能量交换。功和热量：热力系统在实施热力过程时，与外界发生能量交换只要是作功和传热两种形式。功是热力系与外界交换机械能的量度；热量是热力系与外界交换热能的量度。理想气体：是一种假象的气体模型，气体分子是一些弹性的、不占体积的质点，分子之间没有相互作用力。工程中常用的氧气、氮气、氢气、一氧化碳等及其混合气体、燃气、烟气等工质，在通常使用的温度、压力下都可作为理想气体处理。热力学第一定律：热能和机械能在转移和转换的过程中，能量的总量必定守恒。热力学第一定律是能量转换和守恒定律在热力学上的应用，确定了热能和机械能之间的相互转换的数量关系。热力学第二定律：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。热力学第二定律的实质：能量是有品质高低之分的。如：机械能的品质高于热能；高温热能的品质高于低温热能。定律的实质：能量贬值原理，也就是说在能量的传递与转化的过程中，能量的品质只能降低不能提高。传热学是研究热量传递规律的学科。物体内只要存在温差，就有热量从物体的高温部分传向低温部分；物体之间存在温差时，热量就会自发的从高温物体传向低温物体。热量传递的三种基本方式：导热(热传导)：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称导热。如：固体与固体之间及固体内部的热量传递。对流：是指由于流体的宏观运动，从而使流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。热辐射：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量。黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。生物质能：是蕴藏生物质中的能量，是绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量。

蒸汽机的应用具有划时代的意义,对人类社会的各个方面都产生了极其深远的影响，到了20世纪乃至今天也没有完全失去其作为动力机的意义。正如马克思所说，蒸汽机的发明与应用，在短时间内改变了整个世界的面貌．

一.促进了交通运输业的革新。蒸汽动力的应用，根本改变了交通运输技术的面貌，直接导致了蒸汽机车、轮船的发明,带动了铁路的出现，美国人富尔顿建成的汽船开创了世界航运史上的新时代.英国人斯蒂芬逊制成的蒸汽机车，开辟了陆上运输的新纪元。19世纪40年代后英国出现了铁路建设的热潮，美、法、德、俄等国也着手兴建铁路，很快形成了全国铁路网。为社会生产和人们交往提供了更为快捷便利的条件.

二.带动了许多工业部门的发展。到19世纪40年代，欧洲国家和美国都普遍推广使用了蒸汽机.蒸汽机不但首先在纺织、采矿业中得到广泛应用，而且还被推广到冶金、印染、机械、化工等一系列工业部门，加快了工业革命的步伐,从而引发了人类历史上科学技术的第四次重大进步(有史以来的第四次产业革命)。

三.促进了近代城市的兴起. 蒸汽机的广泛使用，带动了机器技术体系的成熟及各类产业组织数量的增加,产业技术及机器生产向城市聚集,吸收了大量农业人口流入城市, 开始了近代意义上的城市化进程. 19世纪以来，英国的城镇数量和城市人口的增加非常迅速，近代城市大量兴起，城镇化运动加速,促进了城乡的经济文化交流。19世纪中期俄国的农奴制改革、美国的西进运动和内战、德意的统一及日本的明治维新使这些国家的城市化进程加快。

四.推进了生产力的发展.蒸汽机的应用是人类认识和利用自然力的一个大突破,是真正由原始社会征服火之后而征服自然力的第二次革命。它改变了人类以人力、畜力、水力作为主要动力的历史，使各种机器有了新的强大动力，从根本上改变了生产的面貌，提高了劳动效率,极大地解放了生产力，导致了人类历史上的第一次技术革命,完成了资本主义社会生产力的第一次飞跃.使人类社会开始进入以蒸汽为动力的时代.

五.推动了生产方式的进步.蒸汽机的应用为实现由工场手工业向机器大工业的变革提供了强大杠杆。英国，法国、德国、荷兰、瑞典等国先后实现了从手工作坊到机械化大生产的变革,这是人类劳动组织形式的重大改变，在这之后才有了真正意义上的社会化大生产。工厂代替工场成为工业化生产的主要组织形式,不仅提高了生产管理的效率,而且使大批农民和手工业者成为雇佣劳动者，从而确立了资本主义的生产方式,人类社会也由农业经济时代进入工业经济时代。

六.引起了社会结构的变革.蒸汽机的应用和机械工业的发展，既造就了庞大的无产者队伍,同时也养肥了资本家,使社会阶级关系发生了重大变化,日益分裂成两大对立的阶级：工业无产阶级和资产阶级.无产阶级的贫困化使市场的扩张赶不上生产的增长，这就使“生产过剩”的经济危机不可避免。这种危机使失业工人激增，在业工人工资降低。为了反抗剥削和压迫，19世纪的英法等国爆发了宪章运动、里昂起义等工人运动,无产阶级革命运动高涨.

七.加快了世界一体化进程.由于轮船、火车的应用并延伸到世界各地，使世界真正认识到铁路运输和轮船航运是工农业生产和社会交往的动脉,具有巨大优越性。这就把过去分散、孤立的地区和国家联结起来，加强了世界各国各地区间的相互联系,使人类生活世界的空间距离大大缩小,使全球经济联成一体,促进了资本主义世界市场的形成,极大地推进了世界经济的发展.

八.导致了世界格局的变化.蒸汽机的应用壮大了工业资产阶级的力量，使资产阶级有能力按照自己的意愿去征服世界. 西方国家对弱小国家或民族的殖民征服,使殖民地半殖民地被卷入资本主义世界体系,造成了东方从属于西方的国际关系格局.19世纪中期形成了以英国等少数国家为中心，以亚、非、拉广大地区为边缘地带的世界格局.

九.推动了政治领域的变革.蒸汽机的应用促进了资本主义经济的发展,引发出一系列的革命与改革，资产阶级革命和改革运动成为世界历史发展的主流（1848年欧洲革命、俄国农奴制改革、德、意统一、美国内战、明治维新）.

十.给东方国家造成双重性影响.一是加剧了东方的贫困落后，给当地人民带来祸害和苦难,引发了民族解放运动.二是破坏了东方传统的社会经济结构，传播了新兴的资本主义生产方式和思想观念，有利于社会的进步。如中国魏源的<海国图志>介绍了西方的蒸汽机, 洋务运动引进蒸汽机器?以蒸汽机为动力的近代军事工业和民用工业创办起来以蒸汽机为动力的轮船与军舰出现,外商企业、洋务企业、民族资本主义工业等近代经济成份相继出现。

瓦特改良蒸汽机在工业革命中的意义：首先，蒸汽机的广泛使用，使人类进入蒸汽时代。第二，蒸汽动力的出现，使工厂摆脱了水力条件的限制，工业化速度回忆，工业城市兴起。第三，蒸汽动力的使用，带来了交通运输业的革命，铁路运输出现，铁路时代到来；汽轮问世，加强了洲际之间的联系。

大概连小学生都知道，蒸汽机是由瓦特发明的。这话既对又不完全对。说它对，是因为瓦特确实发明了一种和以前完全不同的蒸汽机，使蒸汽动力获得了普遍的应用；说它不完全对，那是因为在瓦特之前就有人发明了蒸汽机。将蒸汽作为动力的想法，古人就有。二千多年前古希腊人希罗就曾发明了以蒸汽为动力的精巧装置；达·芬奇也曾设计过用蒸汽开动大炮的图样。在当时的中学课本上就已开始讲授真空、大气压等物理知识，这些也都与蒸汽机的发明有关。自1643年托里拆利发现了真空，证实了大气压力的存在，后来，德国的格里凯又用人工办法法制造了真空。1662年，波义耳则发现了气体体积和压力成反比的定律。正是在这些科学认识的基础上，适应社会发展对动力的需要，在18世纪才发明了蒸汽机。