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發明歷史

世界上第一臺蒸汽機(ji)是由古希臘數學家亞(ya)歷(li)山(shan)大港的(de)希羅（Hero of Alexandria）于公元1世紀發明的(de)汽轉球（Aeolipile），這是蒸汽機(ji)的(de)雛形。

約1679年(nian)法國(guo)物理學(xue)家丹尼斯·巴本在觀察蒸汽逃離他的(de)(de)高壓鍋后制(zhi)造(zao)了第一(yi)臺蒸汽機的(de)(de)工(gong)作(zuo)模(mo)型。同時代的(de)(de)薩繆爾·莫(mo)蘭也提出了蒸汽機的(de)(de)主意。

1698年托(tuo)(tuo)馬(ma)(ma)斯·塞維(wei)利(li)和1712年托(tuo)(tuo)馬(ma)(ma)斯·紐科(ke)(ke)門制造了早期的(de)(de)工業(ye)(ye)蒸汽(qi)機，他們對蒸汽(qi)機的(de)(de)發(fa)展都做(zuo)出了自己的(de)(de)貢獻。1807年羅伯特(te)·富爾頓(dun)第一個成功地(di)用蒸汽(qi)機來驅(qu)動輪船。瓦特(te)運用科(ke)(ke)學理論，逐(zhu)漸(jian)發(fa)現了這種蒸汽(qi)機的(de)(de)毛病所在。從1765年到1790年，他進行(xing)了一系列發(fa)明，比如分離式(shi)冷凝器、汽(qi)缸外(wai)設置絕(jue)熱層、用油潤滑(hua)活塞、行(xing)星式(shi)齒(chi)輪、平(ping)行(xing)運動連桿機構、離心(xin)式(shi)調速器、節氣閥、壓力(li)計等(deng)等(deng)，使蒸汽(qi)機的(de)(de)效率提(ti)高(gao)到原(yuan)來紐科(ke)(ke)門機的(de)(de)3倍多，最終發(fa)明出工業(ye)(ye)用蒸汽(qi)機。

16世(shi)(shi)紀末(mo)到(dao)17世(shi)(shi)紀后期(qi)，英(ying)國的(de)采礦(kuang)業(ye)，特別是煤礦(kuang)，已發(fa)展到(dao)相當的(de)規模，單靠人(ren)力(li)(li)、畜力(li)(li)已難以(yi)滿足(zu)排(pai)除礦(kuang)井(jing)地下水(shui)的(de)要求，而現場(chang)又有(you)豐富而廉價的(de)煤作為燃料。現實的(de)需要促使許多人(ren)，如英(ying)國的(de)帕潘、薩弗(fu)里、紐科門等就致力(li)(li)于(yu)“以(yi)火力(li)(li)提水(shui)”的(de)探(tan)索和試驗(yan)。

最初(chu)的(de)(de)(de)真(zhen)空蒸(zheng)汽(qi)機(ji)被用(yong)來將(jiang)(jiang)礦井里的(de)(de)(de)水(shui)抽出來。紐科(ke)門的(de)(de)(de)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)將(jiang)(jiang)蒸(zheng)汽(qi)引入氣缸后閥門被關閉(bi)，然(ran)后冷水(shui)被撒入汽(qi)缸，蒸(zheng)汽(qi)凝結(jie)時造(zao)成真(zhen)空。活塞另一(yi)面的(de)(de)(de)空氣壓力(li)推(tui)動(dong)活塞。在礦井中聯(lian)結(jie)一(yi)根(gen)深入豎井的(de)(de)(de)桿來驅動(dong)一(yi)個(ge)泵。蒸(zheng)汽(qi)機(ji)活塞的(de)(de)(de)運動(dong)通(tong)過這根(gen)桿傳到(dao)泵的(de)(de)(de)活塞來將(jiang)(jiang)水(shui)抽到(dao)井外(wai)。

第(di)一(yi)個巨大的(de)改(gai)(gai)善(shan)是將氣(qi)缸與凝(ning)結缸通(tong)過一(yi)個閥門分開(kai)。瓦特在伯明(ming)翰發明(ming)了這(zhe)個改(gai)(gai)進。這(zhe)個改(gai)(gai)進提高了蒸汽機的(de)效率(lv)。下一(yi)個改(gai)(gai)進是將閥門的(de)操作(zuo)自動化。

這(zhe)(zhe)些早期(qi)的(de)(de)真空(kong)蒸汽(qi)(qi)機(ji)的(de)(de)效(xiao)率(lv)(lv)有限(xian)，但它們比(bi)較安(an)全(quan)，因(yin)為它們的(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)比(bi)較低(di)(di)，在物質發生損(sun)壞的(de)(de)情(qing)況下機(ji)器向內收(shou)縮，而不是向外爆炸。它們的(de)(de)效(xiao)率(lv)(lv)受外部氣(qi)壓(ya)(ya)、氣(qi)缸(gang)變形、燃燒(shao)和(he)沸騰的(de)(de)效(xiao)率(lv)(lv)和(he)凝結能力(li)的(de)(de)限(xian)制(zhi)(zhi)。理論最高效(xiao)率(lv)(lv)受水在普通大(da)氣(qi)壓(ya)(ya)下比(bi)較低(di)(di)的(de)(de)沸騰溫度限(xian)制(zhi)(zhi)。使用高溫高壓(ya)(ya)的(de)(de)蒸汽(qi)(qi)為蒸汽(qi)(qi)機(ji)的(de)(de)效(xiao)率(lv)(lv)帶(dai)來了巨大(da)的(de)(de)提高。但這(zhe)(zhe)種(zhong)蒸汽(qi)(qi)機(ji)比(bi)真空(kong)蒸汽(qi)(qi)機(ji)危險得多。鍋爐和(he)機(ji)器的(de)(de)爆炸造成了許多大(da)事故(gu)。安(an)全(quan)閥(fa)在這(zhe)(zhe)里帶(dai)來了很大(da)的(de)(de)改進，在壓(ya)(ya)力(li)過(guo)高的(de)(de)情(qing)況下安(an)全(quan)閥(fa)放氣(qi)減壓(ya)(ya)。但真正(zheng)保證安(an)全(quan)只有依(yi)靠建(jian)造、運行和(he)維護的(de)(de)經驗和(he)安(an)全(quan)規(gui)則。

薩弗里制成(cheng)的(de)世界(jie)上第一臺實用(yong)的(de)蒸(zheng)汽(qi)提水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)機，在(zai)1698年取得標名為“礦工(gong)之友(you)”的(de)英國專(zhuan)利(li)。他將一個蛋形(xing)容(rong)(rong)器(qi)先充滿蒸(zheng)汽(qi)，然后關(guan)(guan)閉進(jin)(jin)(jin)汽(qi)閥(fa)，在(zai)容(rong)(rong)器(qi)外噴(pen)(pen)淋冷(leng)(leng)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)使容(rong)(rong)器(qi)內蒸(zheng)汽(qi)冷(leng)(leng)凝(ning)而(er)形(xing)成(cheng)真空(kong)(kong)。打開進(jin)(jin)(jin)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)閥(fa)，礦井底的(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)受大氣壓(ya)力作(zuo)用(yong)經進(jin)(jin)(jin)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)管吸入容(rong)(rong)器(qi)中；關(guan)(guan)閉進(jin)(jin)(jin)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)閥(fa)，重(zhong)(zhong)開進(jin)(jin)(jin)汽(qi)閥(fa)，靠蒸(zheng)汽(qi)壓(ya)力將容(rong)(rong)器(qi)中的(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)經排水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)閥(fa)壓(ya)出(chu)。待容(rong)(rong)器(qi)中的(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)被(bei)排空(kong)(kong)而(er)充滿蒸(zheng)汽(qi)時(shi)，關(guan)(guan)閉進(jin)(jin)(jin)汽(qi)閥(fa)和(he)排水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)閥(fa)，重(zhong)(zhong)新噴(pen)(pen)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)使蒸(zheng)汽(qi)冷(leng)(leng)凝(ning)。如(ru)此反(fan)復循環，用(yong)兩個蛋形(xing)容(rong)(rong)器(qi)交替工(gong)作(zuo)，可(ke)連續排水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)。

薩(sa)弗里的提水(shui)(shui)機依靠真空的吸力汲水(shui)(shui)，汲水(shui)(shui)深度不能超過六米。為了從幾十(shi)米深的礦(kuang)井汲水(shui)(shui)，須將(jiang)提水(shui)(shui)機裝在(zai)礦(kuang)井深處，用較高的蒸汽(qi)壓(ya)力才(cai)能將(jiang)水(shui)(shui)壓(ya)到地面上，這在(zai)當(dang)時無疑是困難(nan)而又危(wei)險的。

紐科(ke)門及其助手卡利在(zai)1705年發明了(le)大(da)(da)氣式蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)，用以驅(qu)動獨(du)立的(de)提水(shui)泵，被稱為紐科(ke)門大(da)(da)氣式蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)。這種蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)先在(zai)英國，后(hou)來(lai)在(zai)歐洲大(da)(da)陸得到迅速推廣(guang)，它的(de)改型產品(pin)直到19世紀初還在(zai)制造。紐科(ke)門大(da)(da)氣式蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)的(de)熱(re)效率很低，這主要是由于(yu)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)(qi)進入(ru)汽(qi)(qi)(qi)缸(gang)時，在(zai)剛被水(shui)冷卻(que)過的(de)汽(qi)(qi)(qi)缸(gang)壁(bi)上冷凝而損失掉(diao)大(da)(da)量(liang)熱(re)量(liang)，只(zhi)在(zai)煤價低廉的(de)產煤區才得到推廣(guang)。

1764年，英(ying)國的(de)儀器修理工詹姆斯(si)·瓦特為(wei)格拉斯(si)哥大學(xue)修理紐可門蒸汽機模型時(shi)，注(zhu)意到(dao)了這一缺點，并于(yu)1765年發(fa)明了設有與汽缸壁分開的(de)凝(ning)汽器的(de)蒸汽機，并于(yu)1769年取得了英(ying)國的(de)專利。初期的(de)瓦特蒸汽機仍用平衡杠桿(gan)和(he)(he)拉桿(gan)機構來驅動提(ti)水(shui)泵(beng)，為(wei)了從凝(ning)汽器中抽除(chu)凝(ning)結(jie)水(shui)和(he)(he)空氣，瓦特裝設了抽氣泵(beng)。他還在汽缸外壁加(jia)裝夾(jia)層，用蒸汽加(jia)熱汽缸壁，以減少(shao)冷凝(ning)損(sun)失(shi)。

瓦特的創造性工作(zuo)使蒸汽(qi)機(ji)迅(xun)速(su)地(di)發展，他使原來只能提水(shui)的機(ji)械(xie)，成為了可以普遍應(ying)用的蒸汽(qi)機(ji)，并使蒸汽(qi)機(ji)的熱效率(lv)成倍提高，煤耗大大下(xia)降。因(yin)此瓦特是蒸汽(qi)機(ji)的改(gai)良(liang)者(zhe)。

自18世紀(ji)晚期起(qi)，蒸汽機(ji)不(bu)僅在采礦業中(zhong)得到廣泛應用，在冶煉、紡織、機(ji)器制(zhi)造等行(xing)業中(zhong)也(ye)都獲得迅速推廣。它(ta)使英國的(de)紡織品(pin)產量(liang)在20多年(nian)內(從1766年(nian)到1789年(nian))增長了(le)5倍，為市場提供了(le)大量(liang)消費商品(pin)，加速了(le)資金的(de)積累，并對運(yun)輸業提出了(le)迫切(qie)要求(qiu)。

在(zai)船舶上(shang)采用蒸(zheng)汽機(ji)作為推(tui)(tui)進動力的實(shi)驗始于1776年(nian)(nian),經過不斷改進，至(zhi)1807年(nian)(nian)，美國的富爾頓(dun)制成了第(di)一艘實(shi)用的明輪推(tui)(tui)進的蒸(zheng)汽機(ji)船“克萊蒙”號(hao)。此后，蒸(zheng)汽機(ji)在(zai)船舶上(shang)作為推(tui)(tui)進動力歷百(bai)余年(nian)(nian)之久(jiu)。

1800年，英國的特(te)里維西克設(she)計(ji)了可(ke)安裝(zhuang)在較大車體上的高壓蒸(zheng)汽機(ji)。1803年，他(ta)把它用來推(tui)動在一(yi)(yi)條環形軌道(dao)上開(kai)動的機(ji)車，找來喜歡新奇(qi)玩意兒(er)的人乘坐(zuo)，向(xiang)他(ta)們收費，這(zhe)就是(shi)機(ji)車的雛型。英國的史蒂芬孫(sun)將機(ji)車不(bu)斷改進，于1829年創(chuang)造(zao)了“火箭”號(hao)蒸(zheng)汽機(ji)車，該機(ji)車拖(tuo)帶一(yi)(yi)節載有30位(wei)乘客的車廂，時速達46公里/時，引起了各國的重視，開(kai)創(chuang)了鐵(tie)路時代。

19世(shi)紀末，隨著電(dian)力應用的興起，蒸汽(qi)機曾(ceng)一度作為電(dian)站(zhan)中的主要動(dong)力機械。1900年，美國紐約曾(ceng)有(you)單機功(gong)率達五兆瓦的蒸汽(qi)機電(dian)站(zhan)。

蒸汽機(ji)(ji)的發(fa)展在20世紀初達(da)到了頂峰。它具有恒扭(niu)矩、可(ke)(ke)變速、可(ke)(ke)逆轉、運行(xing)可(ke)(ke)靠、制(zhi)造和(he)維修(xiu)方便等優點，因(yin)此曾被廣泛(fan)用于電站、工廠(chang)、機(ji)(ji)車和(he)船舶等各個領(ling)域(yu)中(zhong)，特別在軍艦(jian)上成了當(dang)時(shi)唯一(yi)的原動(dong)機(ji)(ji)。

需要特別注意(yi)的是，許多教科(ke)書上（歷史(shi)書、物(wu)理書）說瓦特是蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)的發(fa)明(ming)者(zhe)。這是誤傳。蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)是英國(guo)人薩維利（Savery）于1698年、紐可門（Newcomen）于1705年各自獨立發(fa)明(ming)的，用于礦井(jing)抽水。當時效率很低。

1765年，瓦特在修(xiu)理紐(niu)可門機(ji)的(de)(de)(de)(de)基礎上，對蒸(zheng)汽機(ji)做了(le)重(zhong)大改進，使(shi)冷(leng)凝器與汽缸分離(li)，發(fa)明曲(qu)軸和齒輪傳動以及離(li)心調速器等(deng)，使(shi)蒸(zheng)汽機(ji)實現了(le)現代化，大大提高了(le)蒸(zheng)汽機(ji)的(de)(de)(de)(de)效率。瓦特的(de)(de)(de)(de)這些發(fa)明，仍使(shi)用在現代蒸(zheng)汽機(ji)中(zhong)，為(wei)紀念瓦特的(de)(de)(de)(de)貢獻，功率的(de)(de)(de)(de)單位名稱以其姓氏命(ming)名。

構造

蒸汽機(ji)主要由汽缸、底座、活塞、曲柄連桿機(ji)構、滑閥配汽機(ji)構、調速機(ji)構和(he)飛輪等部分組成(cheng)。汽缸和(he)底座是靜止部分。

在蒸(zheng)汽(qi)鍋爐中(zhong)，通過燃(ran)燒過程(cheng)水沸騰為蒸(zheng)汽(qi)。通過管(guan)道(dao)蒸(zheng)汽(qi)被(bei)(bei)送到(dao)汽(qi)缸(gang)(gang)。閥門控制蒸(zheng)汽(qi)到(dao)達汽(qi)缸(gang)(gang)的時(shi)間，經主汽(qi)閥和節流閥進(jin)入(ru)滑閥室，受滑閥控制交替地進(jin)入(ru)汽(qi)缸(gang)(gang)的左側或(huo)右側，推(tui)動(dong)活塞運動(dong)。蒸(zheng)汽(qi)在汽(qi)缸(gang)(gang)內推(tui)動(dong)活塞做功，冷(leng)卻的蒸(zheng)汽(qi)通過管(guan)道(dao)被(bei)(bei)引入(ru)冷(leng)凝器(qi)重(zhong)新凝結為水。這個(ge)過程(cheng)在蒸(zheng)汽(qi)機(ji)運動(dong)時(shi)不(bu)斷重(zhong)復。

一(yi)(yi)(yi)般的(de)(de)蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)有三個(ge)汽(qi)(qi)缸(gang)(gang)組成一(yi)(yi)(yi)個(ge)組。蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)直接(jie)將活塞(sai)的(de)(de)上下運動(dong)轉化為船軸的(de)(de)旋轉運動(dong)。新造的(de)(de)蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)中還(huan)包含了一(yi)(yi)(yi)個(ge)小的(de)(de)渦輪機(ji)，從汽(qi)(qi)缸(gang)(gang)中出(chu)來的(de)(de)蒸(zheng)汽(qi)(qi)還(huan)可以利用它的(de)(de)余熱在推動(dong)這個(ge)渦輪機(ji)來提高整個(ge)驅動(dong)裝置的(de)(de)效率。這個(ge)渦輪機(ji)也與船的(de)(de)螺旋漿(jiang)軸相連。

分類

鍋爐分類

火管造型被用在(zai)早期的(de)(de)船(chuan)只和蒸汽機車的(de)(de)鍋(guo)(guo)爐中(zhong)。在(zai)火管式(shi)鍋(guo)(guo)爐中(zhong)，從燃燒室出(chu)(chu)來的(de)(de)熱(re)煙(yan)(yan)通過(guo)煙(yan)(yan)道(dao)由煙(yan)(yan)囪(cong)排(pai)出(chu)(chu)。這種鍋(guo)(guo)爐需要一個(ge)比較高的(de)(de)煙(yan)(yan)囪(cong)。

水管造型的(de)(de)(de)水由熱(re)(re)氣通過多個(ge)(ge)管道加熱(re)(re)。這些管道在(zai)交換(huan)器的(de)(de)(de)頂部流(liu)入一(yi)個(ge)(ge)蒸汽集合(he)腔。水管鍋(guo)爐(lu)(lu)(lu)的(de)(de)(de)一(yi)個(ge)(ge)重(zhong)要優點是它在(zai)破壞時造成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)危(wei)險比較小，原因是因為鍋(guo)爐(lu)(lu)(lu)里(li)的(de)(de)(de)水的(de)(de)(de)量比較小，此外鍋(guo)爐(lu)(lu)(lu)里(li)沒(mei)有(you)多少會被磨損的(de)(de)(de)運動的(de)(de)(de)機械組成(cheng)(cheng)部分，一(yi)些水管鍋(guo)爐(lu)(lu)(lu)在(zai)排煙道上還有(you)一(yi)個(ge)(ge)熱(re)(re)交換(huan)器來提高(gao)整個(ge)(ge)鍋(guo)爐(lu)(lu)(lu)的(de)(de)(de)熱(re)(re)效率(lv)。

蒸汽機分類

按蒸汽(qi)在(zai)活塞一側或兩側工作(zuo)，蒸汽(qi)機可分為單作(zuo)用和(he)雙作(zuo)用式兩種；

按(an)(an)汽(qi)(qi)缸(gang)布(bu)置方式，可分為(wei)(wei)立式和(he)臥式；按(an)(an)蒸汽(qi)(qi)是在一個汽(qi)(qi)缸(gang)中(zhong)膨脹或依次連續(xu)在多個汽(qi)(qi)缸(gang)中(zhong)膨脹，可分為(wei)(wei)單(dan)脹式和(he)多脹式；按(an)(an)蒸汽(qi)(qi)在汽(qi)(qi)缸(gang)中(zhong)的流(liu)向，可分為(wei)(wei)回流(liu)式和(he)單(dan)流(liu)式；

按(an)排(pai)(pai)汽(qi)方(fang)式和排(pai)(pai)汽(qi)壓力(li)可(ke)分為凝(ning)汽(qi)式、大氣(qi)式和背壓式。

發展提高

功效

蒸汽機的(de)發展首先體現在功率和效(xiao)率的(de)提高，而這又主要(yao)取(qu)決于蒸汽參數(shu)的(de)提高。初期蒸汽機的(de)蒸汽壓力(li)僅為0.11～0.13兆帕，19世(shi)紀初才達到0.35～0.7兆帕，20世(shi)紀20年(nian)代曾用到6～10兆帕。在蒸汽溫度上，19世(shi)紀末還不超(chao)過250℃，而到20世(shi)紀30年(nian)代曾用到450～480℃。

效率

至于效(xiao)(xiao)率(lv)，瓦特初期(qi)連續運(yun)轉的(de)蒸(zheng)汽機(ji)(ji)(ji)，按(an)燃料熱(re)值計總(zong)效(xiao)(xiao)率(lv)不超(chao)過3%；到(dao)1840年，最(zui)好的(de)凝(ning)汽式(shi)蒸(zheng)汽機(ji)(ji)(ji)總(zong)效(xiao)(xiao)率(lv)可達8%；到(dao)20世紀(ji)，蒸(zheng)汽機(ji)(ji)(ji)最(zui)高(gao)效(xiao)(xiao)率(lv)可達到(dao)20%以上。

轉速

在轉(zhuan)(zhuan)速(su)方面(mian)，18世紀末瓦特蒸汽(qi)機(ji)(ji)僅(jin)40～50轉(zhuan)(zhuan)/分(fen)；20世紀初轉(zhuan)(zhuan)速(su)達到100～300轉(zhuan)(zhuan)/分(fen)，個別蒸汽(qi)機(ji)(ji)曾達到2500轉(zhuan)(zhuan)/分(fen)。在功(gong)率方面(mian)，最初單機(ji)(ji)功(gong)率僅(jin)幾馬力(li)，20世紀初的(de)一臺船用(yong)蒸汽(qi)機(ji)(ji)的(de)功(gong)率可達25000馬力(li)。

隨著蒸汽(qi)參數(shu)和功(gong)率的提(ti)高(gao)(gao)，蒸汽(qi)已(yi)不可能在(zai)一個汽(qi)缸(gang)(gang)中(zhong)繼續(xu)膨(peng)(peng)脹(zhang)，還(huan)必須在(zai)相連(lian)接的汽(qi)缸(gang)(gang)中(zhong)繼續(xu)膨(peng)(peng)脹(zhang)，于是出現了多級(ji)膨(peng)(peng)脹(zhang)的蒸汽(qi)機(ji)。蒸汽(qi)機(ji)因受到潤滑油閃(shan)點的限制(zhi)，所用(yong)(yong)(yong)蒸汽(qi)的最(zui)高(gao)(gao)溫度一般都不超(chao)過400℃，機(ji)車，船用(yong)(yong)(yong)等(deng)移動式蒸汽(qi)機(ji)還(huan)略低一些，多數(shu)不高(gao)(gao)于350℃。考慮到膨(peng)(peng)脹(zhang)的可能性和結構的經(jing)濟性，常用(yong)(yong)(yong)壓力在(zai)2.5兆帕以下。蒸汽(qi)參數(shu)受到限制(zhi)，從而(er)也限制(zhi)了蒸汽(qi)機(ji)功(gong)率的進一步提(ti)高(gao)(gao)。

意義

蒸汽(qi)(qi)機(ji)的(de)出現(xian)和改(gai)進促進了社(she)會經(jing)濟的(de)發展，但同(tong)時經(jing)濟的(de)發展反過來又向蒸汽(qi)(qi)機(ji)提出了更高(gao)的(de)要(yao)求，如要(yao)求蒸汽(qi)(qi)機(ji)功率(lv)大(da)(da)、效率(lv)高(gao)、重量(liang)輕、尺寸小等。盡管人們對(dui)蒸汽(qi)(qi)機(ji)作過許多改(gai)進，不(bu)斷擴大(da)(da)它(ta)的(de)使(shi)用范圍和改(gai)善它(ta)的(de)性能，但是隨著汽(qi)(qi)輪機(ji)和內燃機(ji)的(de)發展，蒸汽(qi)(qi)機(ji)因存(cun)在不(bu)可克服的(de)弱點而逐(zhu)漸衰落。

改良過程

1764年(nian)，學(xue)校請瓦特(te)(te)修理一臺紐可門式蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)機，在修理的(de)(de)(de)過程(cheng)中，瓦特(te)(te)熟悉了蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)機的(de)(de)(de)構造(zao)和原理，并且發現了這(zhe)種蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)機的(de)(de)(de)兩大缺點：活塞動作(zuo)不連續而且慢；蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)利用率低(di)，浪費原料。以后，瓦特(te)(te)開(kai)始思考改進的(de)(de)(de)辦法。直到1765年(nian)的(de)(de)(de)春天，在一次散步時，瓦特(te)(te)想到，既然紐可門蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)機的(de)(de)(de)熱效率低(di)是蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)在缸(gang)內(nei)冷(leng)(leng)凝(ning)(ning)造(zao)成的(de)(de)(de)，那么為什么不能讓蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)在缸(gang)外冷(leng)(leng)凝(ning)(ning)呢？瓦特(te)(te)產(chan)生了采用分離冷(leng)(leng)凝(ning)(ning)器的(de)(de)(de)最(zui)初設想。

在產生(sheng)這(zhe)種(zhong)(zhong)設想以(yi)(yi)后(hou)，瓦(wa)特在同(tong)年設計(ji)(ji)了(le)一(yi)種(zhong)(zhong)帶有(you)分離冷(leng)凝(ning)器(qi)的(de)(de)(de)蒸汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)。按照設計(ji)(ji)，冷(leng)凝(ning)器(qi)與汽(qi)(qi)缸(gang)之間有(you)一(yi)個調節閥門相連，使他們既能連通又(you)能分開。這(zhe)樣(yang)，既能把做(zuo)功后(hou)的(de)(de)(de)蒸汽(qi)(qi)引入(ru)汽(qi)(qi)缸(gang)外的(de)(de)(de)冷(leng)凝(ning)器(qi)，又(you)可以(yi)(yi)使汽(qi)(qi)缸(gang)內產生(sheng)同(tong)樣(yang)的(de)(de)(de)真空，避免了(le)汽(qi)(qi)缸(gang)在一(yi)冷(leng)一(yi)熱(re)過程中熱(re)量(liang)的(de)(de)(de)消耗(hao)，據瓦(wa)特理論(lun)計(ji)(ji)算，這(zhe)種(zhong)(zhong)新(xin)的(de)(de)(de)蒸汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)熱(re)效率將是(shi)紐可門蒸汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)三倍。

從理論上(shang)(shang)(shang)說，瓦特(te)(te)的(de)(de)這種帶(dai)有(you)分離(li)器冷凝器的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)(ji)(ji)顯然(ran)優于紐可門(men)蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)(ji)(ji)，但(dan)是，要把理論上(shang)(shang)(shang)的(de)(de)東(dong)西(xi)變為實(shi)際(ji)上(shang)(shang)(shang)的(de)(de)東(dong)西(xi)，把圖紙上(shang)(shang)(shang)的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)(ji)(ji)變為實(shi)在(zai)(zai)(zai)的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)(ji)(ji)，還要走很長的(de)(de)路。瓦特(te)(te)辛辛苦(ku)苦(ku)造出(chu)了幾臺蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)(ji)(ji)，但(dan)效果反(fan)而不如紐可門(men)蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)(ji)(ji)，甚至(zhi)四(si)處漏(lou)氣，無(wu)法開(kai)動。盡管耗資巨大(da)的(de)(de)試(shi)(shi)驗(yan)使他(ta)債臺高筑(zhu)，但(dan)他(ta)沒(mei)有(you)在(zai)(zai)(zai)困(kun)難(nan)(nan)面前怯步(bu)，繼續進行試(shi)(shi)驗(yan)。當(dang)(dang)布(bu)萊克知道(dao)瓦特(te)(te)的(de)(de)奮(fen)斗目標和困(kun)難(nan)(nan)處境時(shi)，他(ta)把瓦特(te)(te)介紹給(gei)了自己(ji)一個(ge)十(shi)分富有(you)的(de)(de)朋友--化工技師羅(luo)巴(ba)克。當(dang)(dang)時(shi)羅(luo)巴(ba)克是一個(ge)十(shi)分富有(you)的(de)(de)企業家，他(ta)在(zai)(zai)(zai)蘇格(ge)蘭的(de)(de)卡隆開(kai)辦了第一座規(gui)模較大(da)的(de)(de)煉鐵廠。雖然(ran)當(dang)(dang)時(shi)羅(luo)巴(ba)克已近50歲(sui)，但(dan)對(dui)科學技術(shu)的(de)(de)新(xin)發明仍然(ran)傾注著極大(da)的(de)(de)熱情。他(ta)對(dui)當(dang)(dang)時(shi)只有(you)三十(shi)來歲(sui)的(de)(de)瓦特(te)(te)的(de)(de)新(xin)裝置很是贊許(xu)，當(dang)(dang)即(ji)與瓦特(te)(te)簽訂合(he)同，贊助瓦特(te)(te)進行新(xin)式(shi)蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)試(shi)(shi)制(zhi)。

從(cong)1766年開始，在(zai)三年多的(de)(de)時間里(li)，瓦特(te)克(ke)服了(le)(le)在(zai)材料和(he)工藝等各方(fang)面的(de)(de)困難，終(zhong)于在(zai)1769年制出了(le)(le)第(di)一(yi)臺(tai)樣機(ji)(ji)。同年，瓦特(te)因(yin)發明(ming)冷凝器(qi)而獲得(de)他在(zai)革新紐可門蒸汽機(ji)(ji)的(de)(de)過(guo)程中的(de)(de)第(di)一(yi)項專利。第(di)一(yi)臺(tai)帶有冷凝器(qi)的(de)(de)蒸汽機(ji)(ji)雖然試制成功了(le)(le)，但它同紐可門蒸汽機(ji)(ji)相比，除(chu)了(le)(le)熱(re)效率(lv)有顯著提高(gao)外，在(zai)作為動(dong)力機(ji)(ji)來帶動(dong)其他工作機(ji)(ji)的(de)(de)性能方(fang)面仍未(wei)取得(de)實質性進展。就是(shi)說(shuo)，瓦特(te)的(de)(de)這(zhe)種蒸汽機(ji)(ji)還是(shi)無法作為真(zhen)正的(de)(de)動(dong)力機(ji)(ji)。

優點

現代蒸汽機(ji)的(de)(de)最(zui)大的(de)(de)優點(dian)是(shi)它幾乎可以利用所(suo)有(you)的(de)(de)燃(ran)料將熱(re)能(neng)轉(zhuan)(zhuan)化為機(ji)械(xie)能(neng)。不(bu)(bu)像(xiang)內燃(ran)機(ji)那樣，它對其燃(ran)料不(bu)(bu)挑剔。此外沒有(you)蒸汽機(ji)的(de)(de)話原(yuan)子(zi)能(neng)無法被使(shi)用。原(yuan)子(zi)反應(ying)堆即不(bu)(bu)直接產生(sheng)機(ji)械(xie)能(neng)，又不(bu)(bu)直接產生(sheng)電能(neng)，原(yuan)子(zi)反應(ying)堆實(shi)際上(shang)只是(shi)加熱(re)水(shui)，這個水(shui)被沸(fei)騰(teng)后的(de)(de)蒸汽通過(guo)(guo)蒸汽機(ji)來(lai)轉(zhuan)(zhuan)化為有(you)用的(de)(de)功。蒸汽不(bu)(bu)一定(ding)需要通過(guo)(guo)燃(ran)燒來(lai)產生(sheng)，比如使(shi)用太陽能(neng)聚熱(re)器也可以產生(sheng)蒸汽推(tui)動蒸汽機(ji)。

另(ling)一種有類似(si)優點(dian)的小巧的外(wai)燃(ran)機是斯特林(lin)發(fa)動機。其缺點(dian)是它在(zai)許多情況下難以運(yun)行。

尤(you)其在(zai)(zai)高山上蒸(zheng)汽(qi)機機車的優點(dian)顯著，因為它們(men)也(ye)可以在(zai)(zai)比(bi)較低(di)的氣壓下運行。當南(nan)美洲將用(yong)柴(chai)油(you)-電(dian)力機車取代(dai)它們(men)的蒸(zheng)汽(qi)機車后這一點(dian)就(jiu)被(bei)發現了。在(zai)(zai)高山上他(ta)們(men)不得不放棄(qi)使用(yong)功(gong)率(lv)(lv)比(bi)較高的柴(chai)油(you)機車，取而代(dai)之的還是功(gong)率(lv)(lv)雖然(ran)不如柴(chai)油(you)機車但不受海拔限制的蒸(zheng)汽(qi)機車。

在(zai)瑞士和奧(ao)地利新的(de)(de)齒(chi)軌鐵(tie)路使用(yong)現代的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)，這些蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)只需要一個人(ren)來(lai)運行(xing)，比起過(guo)去的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)它節省60%的(de)(de)燃料，比起電(dian)力機(ji)和柴(chai)油(you)機(ji)它輕(qing)50%，因(yin)此對齒(chi)軌的(de)(de)磨(mo)損小得多。在(zai)日(ri)內(nei)瓦湖上(shang)也(ye)有一艘(sou)新的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)船，它是世(shi)界(jie)上(shang)第一艘(sou)遙控的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)船。

缺點

蒸(zheng)汽機(ji)的(de)弱點是(shi)：離不(bu)(bu)開(kai)鍋爐，整個裝置既(ji)笨重又龐大；新蒸(zheng)汽的(de)壓力(li)和溫度不(bu)(bu)能過(guo)高，排氣(qi)壓力(li)不(bu)(bu)能過(guo)低(di)，熱(re)效率難以提高；它(ta)是(shi)一種(zhong)往復(fu)式機(ji)器，慣性(xing)限制(zhi)了(le)轉速的(de)提高；工(gong)作過(guo)程是(shi)不(bu)(bu)連續的(de)，蒸(zheng)汽的(de)流量受到限制(zhi)，也就限制(zhi)了(le)功率的(de)提高。

因此，拋棄了(le)笨重鍋爐的(de)內燃機(ji)，最終以其(qi)重量輕(qing)，體積小、熱(re)效率(lv)高和(he)操(cao)作靈(ling)活等優(you)點(dian)，在船舶和(he)機(ji)車(che)上逐漸取代了(le)蒸汽機(ji)。汽輪機(ji)則以其(qi)熱(re)效率(lv)高、單機(ji)功率(lv)大(da)、轉速高、單位功率(lv)重量輕(qing)和(he)運行平(ping)穩等優(you)點(dian)，將蒸汽機(ji)排擠出了(le)電站。

接著電動機(ji)又以(yi)其(qi)使(shi)用方便，代替了蒸(zheng)汽(qi)機(ji)在工(gong)業設備中(zhong)的應(ying)用。然而小功率(lv)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)熱(re)效率(lv)比汽(qi)輪機(ji)高，所以(yi)在產煤區或只有(you)劣質(zhi)燃料的地區或某(mou)些特殊場合，蒸(zheng)汽(qi)機(ji)仍有(you)發揮作用的余(yu)地。

歷史作用

蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)有(you)很大的(de)(de)(de)歷(li)史作用，它(ta)曾推動(dong)了(le)(le)機(ji)(ji)械工業甚(shen)至社會的(de)(de)(de)發(fa)(fa)展，解決了(le)(le)大機(ji)(ji)器生(sheng)產中最(zui)關鍵的(de)(de)(de)問題，推動(dong)了(le)(le)交通運(yun)輸空前的(de)(de)(de)進步。隨著它(ta)的(de)(de)(de)發(fa)(fa)展而建立的(de)(de)(de)熱力學和(he)(he)(he)(he)機(ji)(ji)構(gou)學為(wei)(wei)汽(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)輪(lun)機(ji)(ji)和(he)(he)(he)(he)內燃機(ji)(ji)的(de)(de)(de)發(fa)(fa)展奠(dian)定了(le)(le)基礎；汽(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)輪(lun)機(ji)(ji)繼承了(le)(le)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)以(yi)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)為(wei)(wei)工質的(de)(de)(de)特點(dian)，和(he)(he)(he)(he)采(cai)用凝汽(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)器以(yi)降低排(pai)汽(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)壓力的(de)(de)(de)優(you)點(dian)，摒棄了(le)(le)往復(fu)運(yun)動(dong)和(he)(he)(he)(he)間斷(duan)進汽(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)缺點(dian)；內燃機(ji)(ji)繼承了(le)(le)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)基本(ben)結構(gou)和(he)(he)(he)(he)傳動(dong)形(xing)式(shi)，采(cai)用了(le)(le)將(jiang)燃油(you)直(zhi)接輸入汽(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)缸內燃燒的(de)(de)(de)方式(shi)，形(xing)成了(le)(le)熱效率高得多的(de)(de)(de)熱力循環(huan)；同(tong)時，蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)所采(cai)用的(de)(de)(de)汽(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)缸、活塞、飛輪(lun)、飛錘調速器，閥(fa)門和(he)(he)(he)(he)密封件等，均是構(gou)成多種現代(dai)機(ji)(ji)械的(de)(de)(de)基本(ben)元件。

工(gong)業革命的(de)(de)(de)(de)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)一(yi)(yi)部分原因(yin)是(shi)因(yin)為蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機的(de)(de)(de)(de)改(gai)良(liang)(liang)(瓦(wa)特(te)沒有(you)發(fa)明蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機，他只是(shi)改(gai)良(liang)(liang))，而蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機車的(de)(de)(de)(de)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)也是(shi)因(yin)為蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機的(de)(de)(de)(de)改(gai)良(liang)(liang)以(yi)及(ji)后人的(de)(de)(de)(de)應用而產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)，當時英國鼓勵發(fa)明，并(bing)且在人口增加需(xu)要增加生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)速(su)度(du)之(zhi)時，便開始有(you)人努力的(de)(de)(de)(de)改(gai)進當時的(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)設備，瓦(wa)特(te)便是(shi)其中之(zhi)一(yi)(yi)，而瓦(wa)特(te)改(gai)良(liang)(liang)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機導致一(yi)(yi)系列技術革命引(yin)起了從手工(gong)勞動向動力機器(qi)生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)轉變。因(yin)此(ci)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機的(de)(de)(de)(de)改(gai)良(liang)(liang)絕(jue)對(dui)是(shi)促成工(gong)業革命的(de)(de)(de)(de)原因(yin)之(zhi)一(yi)(yi)。而蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機車是(shi)一(yi)(yi)種以(yi)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)引(yin)擎作為動力來源的(de)(de)(de)(de)鐵路機車，因(yin)此(ci)若沒有(you)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機的(de)(de)(de)(de)改(gai)良(liang)(liang)便不可能有(you)這(zhe)項交通工(gong)具的(de)(de)(de)(de)誕生(sheng)(sheng)。