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一、蒸汽機的發(fā)展歷程,？

世界上第一臺蒸汽機是由古希臘數(shù)學家亞歷山大港的希羅（Hero of Alexandria）于1世紀發(fā)明的汽轉(zhuǎn)球（Aeolipile）,，這是蒸汽機的雛形。

詹姆斯·瓦特（James Watt).

約1679年法國物理學家丹尼斯·巴本在觀察蒸汽逃離他的高壓鍋后制造了第一臺蒸汽機的工作模型,。同時代的薩繆爾·莫蘭也提出了蒸汽機的主意,。

1698年托馬斯·塞維利和1712年托馬斯·紐科門制造了早期的工業(yè)蒸汽機，他們對蒸汽機的發(fā)展都做出了自己的貢獻,。1807年羅伯特·富爾頓第一個成功地用蒸汽機來驅(qū)動輪船,。瓦特運用科學理論，逐漸發(fā)現(xiàn)了這種蒸汽機的毛病所在,。從1765年到1790年,，他進行了一系列發(fā)明，比如分離式冷凝器,、汽缸外設(shè)置絕熱層,、用油潤滑活塞、行星式齒輪,、平行運動連桿機構(gòu),、離心式調(diào)速器、節(jié)氣閥,、壓力計等等,，使蒸汽機的效率提高到原來紐科門機的3倍多，最終發(fā)明出工業(yè)用蒸汽機,。

16世紀末到17世紀后期,，英國的采礦業(yè)，特別是煤礦,，已發(fā)展到相當?shù)囊?guī)模,，單靠人力、畜力已難以滿足排除礦井地下水的要求,，而現(xiàn)場又有豐富而廉價的煤作為燃料?，F(xiàn)實的需要促使許多人，如英國的帕潘,、薩弗里,、紐科門等就致力于“以火力提水”的探索和試驗,。

最初的真空蒸汽機被用來將礦井里的水抽出來。紐科門的蒸汽機將蒸汽引入氣缸后閥門被關(guān)閉,，然后冷水被撒入汽缸,，蒸汽凝結(jié)時造成真空?；钊硪幻娴目諝鈮毫ν苿踊钊?。在礦井中聯(lián)結(jié)一根深入豎井的桿來驅(qū)動一個泵。蒸汽機活塞的運動通過這根桿傳到泵的活塞來將水抽到井外,。

第一個巨大的改善是將氣缸與凝結(jié)缸通過一個閥門分開,。瓦特在伯明翰發(fā)明了這個改進。這個改進提高了蒸汽機的效率,。下一個改進是將閥門的操作自動化,。

這些早期的真空蒸汽機的效率有限，但它們比較安全,，因為它們的壓力比較低,，在物質(zhì)發(fā)生損壞的情況下機器向內(nèi)收縮，而不是向外爆炸,。它們的效率受外部氣壓,、氣缸變形、燃燒和沸騰的效率和凝結(jié)能力的限制,。理論最高效率受水在普通大氣壓下比較低的沸騰溫度限制,。使用高溫高壓的蒸汽為蒸汽機的效率帶來了巨大的提高。但這種蒸汽機比真空蒸汽機危險得多,。鍋爐和機器的爆炸造成了許多大事故,。安全閥在這里帶來了很大的改進，在壓力過高的情況下安全閥放氣減壓,。但真正保證安全只有依靠建造,、運行和維護的經(jīng)驗和安全規(guī)則。

薩弗里制成的世界上第一臺實用的蒸汽提水機,，在1698年取得標名為“礦工之友”的英國專利,。他將一個蛋形容器先充滿蒸汽，然后關(guān)閉進汽閥,，在容器外噴淋冷水使容器內(nèi)蒸汽冷凝而形成真空,。打開進水閥，礦井底的水受大氣壓力作用經(jīng)進水管吸入容器中,；關(guān)閉進水閥，重開進汽閥,，靠蒸汽壓力將容器中的水經(jīng)排水閥壓出,。待容器中的水被排空而充滿蒸汽時,，關(guān)閉進汽閥和排水閥，重新噴水使蒸汽冷凝,。如此反復循環(huán),，用兩個蛋形容器交替工作，可連續(xù)排水,。

薩弗里的提水機依靠真空的吸力汲水,，汲水深度不能超過六米。為了從幾十米深的礦井汲水,，須將提水機裝在礦井深處,，用較高的蒸汽壓力才能將水壓到地面上，這在當時無疑是困難而又危險的,。

紐科門及其助手卡利在1705年發(fā)明了大氣式蒸汽機,，用以驅(qū)動獨立的提水泵，被稱為紐科門大氣式蒸汽機,。這種蒸汽機先在英國,，后來在歐洲大陸得到迅速推廣，它的改型產(chǎn)品直到19世紀初還在制造,。紐科門大氣式蒸汽機的熱效率很低,，這主要是由于蒸汽進入汽缸時，在剛被水冷卻過的汽缸壁上冷凝而損失掉大量熱量,，只在煤價低廉的產(chǎn)煤區(qū)才得到推廣,。

蒸汽機火車頭

1764年，英國的儀器修理工詹姆斯·瓦特為格拉斯哥大學修理紐可門蒸汽機模型時,，注意到了這一缺點,，并于1765年發(fā)明了設(shè)有與汽缸壁分開的凝汽器的蒸汽機，并于1769年取得了英國的專利,。初期的瓦特蒸汽機仍用平衡杠桿和拉桿機構(gòu)來驅(qū)動提水泵,，為了從凝汽器中抽除凝結(jié)水和空氣，瓦特裝設(shè)了抽氣泵,。他還在汽缸外壁加裝夾層,，用蒸汽加熱汽缸壁，以減少冷凝損失,。

瓦特的創(chuàng)造性工作使蒸汽機迅速地發(fā)展,，他使原來只能提水的機械，成為了可以普遍應用的蒸汽機,，并使蒸汽機的熱效率成倍提高,，煤耗大大下降。因此瓦特是蒸汽機的改良者。

自18世紀晚期起,，蒸汽機不僅在采礦業(yè)中得到廣泛應用,，在冶煉、紡織,、機器制造等行業(yè)中也都獲得迅速推廣,。它使英國的紡織品產(chǎn)量在20多年內(nèi)(從1766年到1789年)增長了5倍，為市場提供了大量消費商品,，加速了資金的積累,，并對運輸業(yè)提出了迫切要求。

在船舶上采用蒸汽機作為推進動力的實驗始于1776年,，經(jīng)過不斷改進,，至1807年，美國的富爾頓制成了第一艘實用的明輪推進的蒸汽機船“克萊蒙”號,。此后,，蒸汽機在船舶上作為推進動力歷百余年之久。

1800年,，英國的特里維西克設(shè)計了可安裝在較大車體上的高壓蒸汽機,。1803年，他把它用來推動在一條環(huán)形軌道上開動的機車,，找來喜歡新奇玩意兒的人乘坐,，向他們收費，這就是機車的雛型,。英國的史蒂芬孫將機車不斷改進,，于1829年創(chuàng)造了“火箭”號蒸汽機車，該機車拖帶一節(jié)載有30位乘客的車廂,，時速達46公里/時,，引起了各國的重視，開創(chuàng)了鐵路時代,。

19世紀末,，隨著電力應用的興起，蒸汽機曾一度作為電站中的主要動力機械,。1900年,，美國紐約曾有單機功率達五兆瓦的蒸汽機電站。

蒸汽機的發(fā)展在20世紀初達到了頂峰,。它具有恒扭矩,、可變速、可逆轉(zhuǎn),、運行可靠,、制造和維修方便等優(yōu)點，因此曾被廣泛用于電站、工廠,、機車和船舶等各個領(lǐng)域中,，特別在軍艦上成了當時唯一的原動機。

需要特別注意的是,，許多教科書上（歷史書、物理書）說瓦特是蒸汽機的發(fā)明者,。這是誤傳,。蒸汽機是英國人薩維利（Savery）于1698年、紐可門（Newcomen）于1705年各自獨立發(fā)明的,，用于礦井抽水,。當時效率很低。

1765年,，瓦特在修理紐可門機的基礎(chǔ)上,，對蒸汽機做了重大改進，使冷凝器與汽缸分離,，發(fā)明曲軸和齒輪傳動以及離心調(diào)速器等,，使蒸汽機實現(xiàn)了現(xiàn)代化，大大提高了蒸汽機的效率,。瓦特的這些發(fā)明,，仍使用在現(xiàn)代蒸汽機中，為紀念瓦特的貢獻,，功率的單位名稱以其姓氏命名

二,、瓦特是怎樣改造蒸汽機的？它的優(yōu)點是,？

1782年前后,，瓦特進一步改進了機器，完成了兩項重要發(fā)明:在主動和冷工作行程中間,，關(guān)閉蒸汽入口閥,，使蒸汽膨脹工作，提高熱效率,；使蒸汽在活塞(雙動式)兩側(cè)做功,，增加輸出功率。這時活塞不得不拉下杠桿,，推上杠桿,，扇形平衡杠桿和拉鏈不再適用。瓦特發(fā)明了平行四邊形機構(gòu),。瓦特在18世紀末也在蒸汽機中使用曲柄連桿機構(gòu),。

瓦特的創(chuàng)造性工作使蒸汽機迅速發(fā)展。他把原來只能提水的機械做成可以廣泛使用的蒸汽機，把蒸汽機的熱效率提高了一倍,，大大降低了煤耗,。

三、蒸汽機的工作原理以及它的能量轉(zhuǎn)化,？

蒸汽機是將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換為機械功的往復式動力機械,。蒸汽機的出現(xiàn)曾引起了18世紀的工業(yè)革命。直到20世紀初,，它仍然是世界上最重要的原動機,，后來才逐漸讓位于內(nèi)燃機和汽輪機等。

16世紀末到17世紀后期,，英國的采礦業(yè),，特別是煤礦，已發(fā)展到相當?shù)囊?guī)模,，單靠人力,、畜力已難以滿足排除礦井地下水的要求，而現(xiàn)場又有豐富而廉價的煤作為燃料?，F(xiàn)實的需要促使許多人,，如英國的帕潘、薩弗里,、紐科門等就致力于“以火力提水”的探索和試驗,。

薩弗里制成的世界上第一臺實用的蒸汽提水機，在1698年取得標名為“礦工之友”的英國專利,。他將一個蛋形容器先充滿蒸汽,，然后關(guān)閉進汽閥，在容器外噴淋冷水使容器內(nèi)蒸汽冷凝而形成真空,。打開進水閥,，礦井底的水受大氣壓力作用經(jīng)進水管吸入容器中；關(guān)閉進水閥,，重開進汽閥,，靠蒸汽壓力將容器中的水經(jīng)排水閥壓出。待容器中的水被排空而充滿蒸汽時,，關(guān)閉進汽閥和排水閥,，重新噴水使蒸汽冷凝。如此反復循環(huán),，用兩個蛋形容器交替工作,，可連續(xù)排水。

薩弗里的提水機依靠真空的吸力汲水,，汲水深度不能超過六米,。為了從幾十米深的礦井汲水,，須將提水機裝在礦井深處，用較高的蒸汽壓力才能將水壓到地面上,，這在當時無疑是困難而又危險的,。

紐科門及其助手卡利在1705年發(fā)明了大氣式蒸汽機，用以驅(qū)動獨立的提水泵,，被稱為紐科門大氣式蒸汽機,。這種蒸汽機先在英國，后來在歐洲大陸得到迅速推廣,，它的改型產(chǎn)品直到19世紀初還在制造,。紐科門大氣式蒸汽機的熱效率很低，這主要是由于蒸汽進入汽缸時,，在剛被水冷卻過的汽缸壁上冷凝而損失掉大量熱量，只在煤價低廉的產(chǎn)煤區(qū)才得到推廣,。

1764年,，英國的儀器修理工瓦特為格拉斯哥大學修理紐科門蒸汽機模型時，注意到了這一缺點,，并于1765年發(fā)明了設(shè)有與汽缸壁分開的凝汽器的蒸汽機,，并于1769年取得了英國的專利。初期的瓦特蒸汽機仍用平衡杠桿和拉桿機構(gòu)來驅(qū)動提水泵,，為了從凝汽器中抽除凝結(jié)水和空氣,，瓦特裝設(shè)了抽氣泵。他還在汽缸外壁加裝夾層,，用蒸汽加熱汽缸壁,，以減少冷凝損失。

1782年前后,，瓦特將機器進一步改進,，完成了兩項重要發(fā)明：在活寒工作行程的中途，關(guān)閉進汽閥,，使蒸汽膨脹作功以提高熱效率,；使蒸汽在活塞兩面都作功(雙作用式)，以提高輸出功率,。這時的活塞既要向下拉動杠桿又要向上推動杠桿,，扇形平衡杠桿和拉鏈已不再適用，瓦特使發(fā)明了平行四邊形機構(gòu),。瓦特還于18世紀末將曲柄連桿機構(gòu)用在蒸汽機上,。

瓦特的創(chuàng)造性工作使蒸汽機迅速地發(fā)展，他使原來只能提水的機械,，成為了可以普遍應用的蒸汽機,，并使蒸汽機的熱效率成倍提高,，煤耗大大下降。因此瓦特是蒸汽機最主要的發(fā)明人,。

自18世紀晚期起,，蒸汽機不僅在采礦業(yè)中得到廣泛應用，在冶煉,、紡織,、機器制造等行業(yè)中也都獲得迅速推廣。它使英國的紡織品產(chǎn)量在20多年內(nèi)(從1766年到1789年)增長了5倍,，為市場提供了大量消費商品,，加速了資金的積累，并對運輸業(yè)提出了迫切要求,。

在船舶上采用蒸汽機作為推進動力的實驗始于1776年,經(jīng)過不斷改進,，至1807年，美國的富爾頓制成了第一艘實用的明輪推進的蒸汽機船“克萊蒙脫”號,。此后,，蒸汽機在船舶上作為推進動力歷百余年之久。

1801年,，英國的特里維西克提出了可移動的蒸汽機的概念,，1803年，這種利用軌道的可移動蒸汽機首先在煤礦區(qū)出現(xiàn),，這就是機車的雛型,。英國的斯蒂芬森將機車不斷改進，于1829年創(chuàng)造了“火箭”號蒸汽機車,，該機車拖帶一節(jié)載有30位乘客的車廂,，時速達46公里/時，引起了各國的重視,，開創(chuàng)了鐵路時代,。

19世紀末，隨著電力應用的興起,，蒸汽機曾一度作為電站中的主要動力機械,。1900年，美國紐約曾有單機功率達五兆瓦的蒸汽機電站,。

蒸汽機的發(fā)展在20世紀初達到了頂峰,。它具有恒扭矩、可變速,、可逆轉(zhuǎn),、運行可靠、制造和維修方便等優(yōu)點,，因此曾被廣泛用于電站,、工廠,、機車和船舶等各個領(lǐng)域中，特別在軍艦上成了當時唯一的原動機,。

蒸汽機按蒸汽在活塞一側(cè)或兩側(cè)工作,，可分為單作用和雙作用式；按汽缸布置方式,，可分為立和臥式,；按蒸汽是在一個汽缸中膨脹或依次連續(xù)在多個汽缸中膨脹，可分為單脹式和多脹式,；按蒸汽在汽缸中的流向,，可分為回流式和單流式；按排汽方式和排汽壓力可分為凝汽式,、大氣式和背壓式,。

簡單蒸汽機主要由汽缸、底座,、活塞,、曲柄連桿機構(gòu)、滑閥配汽機構(gòu),、調(diào)速機構(gòu)和飛輪等部分組成，汽缸和底座是靜止部分,。從鍋爐來的新蒸汽,，經(jīng)主汽閥和節(jié)流閥進入滑閥室，受滑閥控制交替地進入汽缸的左側(cè)或右側(cè),，推動活塞運動,。

蒸汽機的發(fā)展首先體現(xiàn)在功率和效率的提高，而這又主要取決于蒸汽參數(shù)的提高,。初期蒸汽機的蒸汽壓力僅為0.11～0.13兆帕,，19世紀初才達到0.35～0.7兆帕，20世紀20年代曾用到6～10兆帕,。在蒸汽溫度上,，19世紀末還不超過250℃，而到20世紀30年代曾用到450～480℃,。

至于效率,，瓦特初期連續(xù)運轉(zhuǎn)的蒸汽機，按燃料熱值計總效率不超過3％,；到1840年,，最好的凝汽式蒸汽機總效率可達8％；到20世紀,，蒸汽機最高效率可達到20％以上,。

在轉(zhuǎn)速方面,，18世紀末瓦特蒸汽機僅40～50轉(zhuǎn)/分；20世紀初轉(zhuǎn)速達到100～300轉(zhuǎn)/分,，個別蒸汽機曾達到2500轉(zhuǎn)/分,。在功率方面，最初單機功率僅幾馬力,，20世紀初的一臺船用蒸汽機的功率可達25000馬力,。

隨著蒸汽參數(shù)和功率的提高，蒸汽已不可能在一個汽缸中繼續(xù)膨脹,，還必須在相連接的汽缸中繼續(xù)膨脹,，于是出現(xiàn)了多級膨脹的蒸汽機。蒸汽機因受到潤滑油閃點的限制,，所用蒸汽的最高溫度一般都不超過400℃,，機車，船用等移動式蒸汽機還略低一些,，多數(shù)不高于350℃,。考慮到膨脹的可能性和結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性,，常用壓力在2.5兆帕以下,。蒸汽參數(shù)受到限制，從而也限制了蒸汽機功率的進一步提高,。

蒸汽機的出現(xiàn)和改進促進了社會經(jīng)濟的發(fā)展,，但同時經(jīng)濟的發(fā)展反過來又向蒸汽機提出了更高的要求，如要求蒸汽機功率大,、效率高,、重量輕、尺寸小等,。盡管人們對蒸汽機作過許多改進,，不斷擴大它的使用范圍和改善它的性能，但是隨著汽輪機和內(nèi)燃機的發(fā)展,，蒸汽機因存在不可克服的弱點而逐漸衰落,。

蒸汽機的弱點是：離不開鍋爐，整個裝置既笨重又龐大,；新蒸汽的壓力和溫度不能過高,，排氣壓力不能過低，熱效率難以提高,；它是一種往復式機器,，慣性力限制了轉(zhuǎn)速的提高；工作過程是不連續(xù)的,，蒸汽的流量受到限制,，也就限制了功率的提高,。

因此，拋棄了笨重鍋爐的內(nèi)燃機,，最終以其重量輕,，體積小、熱效率高和操作靈活等優(yōu)點,，在船舶和機車上逐漸取代了蒸汽機,。汽輪機則以其熱效率高、單機功率大,、轉(zhuǎn)速高,、單位功率重量輕和運行平穩(wěn)等優(yōu)點，將蒸汽機排擠出了電站,。

接著電動機又以其使用方便,，代替了蒸汽機在工業(yè)設(shè)備中的應用。然而小功率蒸汽機熱效率比汽輪機高,，所以在產(chǎn)煤區(qū)或只有劣質(zhì)燃料的地區(qū)或某些特殊場合,，蒸汽機仍有發(fā)揮作用的余地。

蒸汽機有很大的歷史作用,，它曾推動了機械工業(yè)甚至社會的發(fā)展,。隨著它的發(fā)展而建立的熱力學和機構(gòu)學為汽輪機和內(nèi)燃機的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；汽輪機繼承了蒸汽機以蒸汽為工質(zhì)的特點,，和采用凝汽器以降低排汽壓力的優(yōu)點,，摒棄了往復運動和間斷進汽的缺點；內(nèi)燃機繼承了蒸汽機的基本結(jié)構(gòu)和傳動形式,，采用了將燃油直接輸入汽缸內(nèi)燃燒的方式，形成了熱效率高得多的熱力循環(huán),；同時,，蒸汽機所采用的汽缸、活塞,、飛輪,、飛錘調(diào)速器，閥門和密封件等,，均是構(gòu)成多種現(xiàn)代機械的基本元件,。

四、蒸汽機的發(fā)展史,？

汽機的發(fā)展史是瓦特的創(chuàng)造性工作使蒸汽機迅速地發(fā)展,他使原來只能提水的機械,成為了可以普遍應 用的蒸汽機,并使蒸汽機的熱效率成倍提高,煤耗大大下降,。因此瓦特是蒸汽機的改良者。 自 18 世紀晚期起,蒸汽機不僅在采礦業(yè)中得到廣泛應用,在冶煉,、紡織,、機器制造等行業(yè) 中也都獲得迅速推廣,。