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發明歷史

世界上第一臺蒸汽機是(shi)由古(gu)希臘數學家亞歷(li)山大港(gang)的(de)希羅（Hero of Alexandria）于公元(yuan)1世紀(ji)發明的(de)汽轉球（Aeolipile），這是(shi)蒸汽機的(de)雛(chu)形。

約1679年法國物(wu)理學(xue)家丹(dan)尼斯·巴本在觀察(cha)蒸汽(qi)逃(tao)離他的高壓鍋(guo)后(hou)制造了第一臺蒸汽(qi)機的工作模(mo)型。同時代的薩繆爾·莫蘭(lan)也提出(chu)了蒸汽(qi)機的主意(yi)。

1698年(nian)(nian)托馬斯(si)·塞(sai)維利和1712年(nian)(nian)托馬斯(si)·紐(niu)科門制造(zao)了(le)早期的工(gong)業(ye)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)，他(ta)們對蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)的發(fa)展都做(zuo)出了(le)自己的貢獻。1807年(nian)(nian)羅伯特·富爾頓(dun)第一個成功地用(yong)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)來驅動輪船。瓦特運用(yong)科學理論，逐漸發(fa)現了(le)這種蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)的毛(mao)病所在。從1765年(nian)(nian)到1790年(nian)(nian)，他(ta)進行(xing)了(le)一系列發(fa)明(ming)，比如(ru)分離式冷(leng)凝器、汽(qi)(qi)缸外設置(zhi)絕(jue)熱層、用(yong)油潤滑(hua)活塞(sai)、行(xing)星式齒(chi)輪、平行(xing)運動連桿(gan)機(ji)構(gou)、離心(xin)式調速器、節氣閥(fa)、壓力計(ji)等等，使蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)的效率提(ti)高到原(yuan)來紐(niu)科門機(ji)的3倍多，最(zui)終發(fa)明(ming)出工(gong)業(ye)用(yong)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)。

16世紀(ji)末(mo)到(dao)(dao)17世紀(ji)后期，英國的(de)(de)(de)采礦(kuang)業(ye)，特別是煤礦(kuang)，已發展到(dao)(dao)相當的(de)(de)(de)規模，單靠人(ren)力、畜力已難以滿足排除礦(kuang)井地(di)下水(shui)的(de)(de)(de)要求，而(er)現場又有豐富(fu)而(er)廉價的(de)(de)(de)煤作(zuo)為(wei)燃料。現實的(de)(de)(de)需要促使許多人(ren)，如英國的(de)(de)(de)帕潘、薩弗里、紐科門(men)等(deng)就致(zhi)力于“以火力提水(shui)”的(de)(de)(de)探索和試驗(yan)。

最初的真空(kong)蒸汽(qi)機(ji)被(bei)用來(lai)將礦(kuang)井里(li)的水(shui)抽出來(lai)。紐科(ke)門的蒸汽(qi)機(ji)將蒸汽(qi)引入氣缸(gang)后閥門被(bei)關閉，然后冷水(shui)被(bei)撒入汽(qi)缸(gang)，蒸汽(qi)凝(ning)結(jie)時造成真空(kong)。活(huo)(huo)塞另一面的空(kong)氣壓力推動活(huo)(huo)塞。在礦(kuang)井中聯結(jie)一根深入豎井的桿(gan)(gan)來(lai)驅動一個泵。蒸汽(qi)機(ji)活(huo)(huo)塞的運(yun)動通過這根桿(gan)(gan)傳到泵的活(huo)(huo)塞來(lai)將水(shui)抽到井外。

第一個(ge)(ge)巨大(da)的(de)改善是將氣缸與凝結缸通過一個(ge)(ge)閥門(men)分開。瓦特(te)在伯明翰發明了這(zhe)(zhe)個(ge)(ge)改進(jin)。這(zhe)(zhe)個(ge)(ge)改進(jin)提高了蒸汽(qi)機的(de)效率。下一個(ge)(ge)改進(jin)是將閥門(men)的(de)操作自(zi)動化(hua)。

這(zhe)些早期的(de)(de)真(zhen)(zhen)空蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)的(de)(de)效(xiao)率(lv)有(you)限(xian)(xian)(xian)，但它(ta)(ta)們比較安(an)(an)(an)(an)全，因為它(ta)(ta)們的(de)(de)壓力(li)比較低，在(zai)物質發生損壞的(de)(de)情況(kuang)下(xia)機(ji)(ji)器(qi)向內收縮，而不是向外爆(bao)炸。它(ta)(ta)們的(de)(de)效(xiao)率(lv)受外部(bu)氣(qi)壓、氣(qi)缸(gang)變(bian)形、燃燒和沸騰的(de)(de)效(xiao)率(lv)和凝結能力(li)的(de)(de)限(xian)(xian)(xian)制(zhi)。理論最高(gao)效(xiao)率(lv)受水在(zai)普通大氣(qi)壓下(xia)比較低的(de)(de)沸騰溫(wen)度限(xian)(xian)(xian)制(zhi)。使用高(gao)溫(wen)高(gao)壓的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)為蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)的(de)(de)效(xiao)率(lv)帶來了巨(ju)大的(de)(de)提高(gao)。但這(zhe)種蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)比真(zhen)(zhen)空蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)危險得多。鍋爐和機(ji)(ji)器(qi)的(de)(de)爆(bao)炸造成了許多大事故。安(an)(an)(an)(an)全閥在(zai)這(zhe)里帶來了很大的(de)(de)改進，在(zai)壓力(li)過高(gao)的(de)(de)情況(kuang)下(xia)安(an)(an)(an)(an)全閥放氣(qi)減(jian)壓。但真(zhen)(zhen)正保(bao)證安(an)(an)(an)(an)全只有(you)依靠建(jian)造、運(yun)行和維(wei)護的(de)(de)經驗(yan)和安(an)(an)(an)(an)全規(gui)則。

薩弗里(li)制成的(de)世界上第(di)一(yi)臺實用(yong)的(de)蒸汽(qi)(qi)(qi)提水(shui)機，在1698年取(qu)得(de)標名(ming)為“礦(kuang)工之友”的(de)英國專利。他(ta)將一(yi)個蛋形容(rong)(rong)器(qi)先充滿蒸汽(qi)(qi)(qi)，然后關閉進(jin)汽(qi)(qi)(qi)閥(fa)(fa)(fa)，在容(rong)(rong)器(qi)外噴淋(lin)冷水(shui)使容(rong)(rong)器(qi)內蒸汽(qi)(qi)(qi)冷凝而(er)形成真空。打開(kai)進(jin)水(shui)閥(fa)(fa)(fa)，礦(kuang)井(jing)底的(de)水(shui)受大氣壓力作(zuo)用(yong)經進(jin)水(shui)管吸入(ru)容(rong)(rong)器(qi)中；關閉進(jin)水(shui)閥(fa)(fa)(fa)，重(zhong)開(kai)進(jin)汽(qi)(qi)(qi)閥(fa)(fa)(fa)，靠(kao)蒸汽(qi)(qi)(qi)壓力將容(rong)(rong)器(qi)中的(de)水(shui)經排水(shui)閥(fa)(fa)(fa)壓出。待(dai)容(rong)(rong)器(qi)中的(de)水(shui)被排空而(er)充滿蒸汽(qi)(qi)(qi)時，關閉進(jin)汽(qi)(qi)(qi)閥(fa)(fa)(fa)和排水(shui)閥(fa)(fa)(fa)，重(zhong)新噴水(shui)使蒸汽(qi)(qi)(qi)冷凝。如此反復循環(huan)，用(yong)兩個蛋形容(rong)(rong)器(qi)交(jiao)替工作(zuo)，可連續(xu)排水(shui)。

薩弗里的(de)(de)提(ti)水(shui)(shui)(shui)機依靠(kao)真空的(de)(de)吸(xi)力(li)汲水(shui)(shui)(shui)，汲水(shui)(shui)(shui)深度不能(neng)(neng)超過六(liu)米。為了從(cong)幾十米深的(de)(de)礦井(jing)汲水(shui)(shui)(shui)，須(xu)將(jiang)提(ti)水(shui)(shui)(shui)機裝在礦井(jing)深處，用較高的(de)(de)蒸(zheng)汽壓力(li)才能(neng)(neng)將(jiang)水(shui)(shui)(shui)壓到地面上，這在當時無疑是困難而又危險的(de)(de)。

紐科門及其助(zhu)手卡利在(zai)(zai)1705年發明了大(da)氣(qi)式(shi)(shi)蒸(zheng)汽(qi)機，用以驅動獨(du)立的提水(shui)泵，被稱(cheng)為紐科門大(da)氣(qi)式(shi)(shi)蒸(zheng)汽(qi)機。這種蒸(zheng)汽(qi)機先在(zai)(zai)英國，后(hou)來在(zai)(zai)歐洲大(da)陸(lu)得(de)到(dao)迅速推(tui)廣，它(ta)的改型產品(pin)直到(dao)19世紀初還在(zai)(zai)制(zhi)造。紐科門大(da)氣(qi)式(shi)(shi)蒸(zheng)汽(qi)機的熱(re)效率很低，這主要是由于(yu)蒸(zheng)汽(qi)進入(ru)汽(qi)缸時，在(zai)(zai)剛被水(shui)冷卻過的汽(qi)缸壁上冷凝而(er)損失掉大(da)量熱(re)量，只在(zai)(zai)煤價低廉(lian)的產煤區才得(de)到(dao)推(tui)廣。

1764年(nian)，英國(guo)的儀器(qi)修理(li)工(gong)詹姆斯·瓦特(te)(te)為格拉斯哥大學修理(li)紐可門蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)模型時，注意到了(le)這一缺點(dian)，并于1765年(nian)發明了(le)設有與汽(qi)(qi)缸(gang)(gang)壁(bi)(bi)分開的凝汽(qi)(qi)器(qi)的蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)，并于1769年(nian)取(qu)得(de)了(le)英國(guo)的專利。初期的瓦特(te)(te)蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)仍用(yong)平衡杠桿(gan)和(he)拉桿(gan)機(ji)構來驅動(dong)提水(shui)泵，為了(le)從凝汽(qi)(qi)器(qi)中抽除凝結水(shui)和(he)空氣，瓦特(te)(te)裝設了(le)抽氣泵。他(ta)還在汽(qi)(qi)缸(gang)(gang)外(wai)壁(bi)(bi)加裝夾層，用(yong)蒸(zheng)汽(qi)(qi)加熱(re)汽(qi)(qi)缸(gang)(gang)壁(bi)(bi)，以減少冷凝損(sun)失。

瓦(wa)特的(de)(de)創造性工(gong)作使蒸汽(qi)機(ji)迅速地發(fa)展，他使原來只(zhi)能提水(shui)的(de)(de)機(ji)械，成為了可以普遍應用的(de)(de)蒸汽(qi)機(ji)，并(bing)使蒸汽(qi)機(ji)的(de)(de)熱效率成倍提高，煤耗(hao)大大下降。因此瓦(wa)特是蒸汽(qi)機(ji)的(de)(de)改良者。

自18世紀晚期起，蒸(zheng)汽(qi)機不僅在(zai)(zai)采礦業(ye)(ye)中得到廣泛應用，在(zai)(zai)冶煉(lian)、紡織、機器制造等(deng)行業(ye)(ye)中也都(dou)獲得迅速(su)推(tui)廣。它使英國的(de)紡織品產量(liang)在(zai)(zai)20多年(nian)內(從1766年(nian)到1789年(nian))增長了5倍，為市(shi)場提(ti)供(gong)了大量(liang)消(xiao)費(fei)商品，加速(su)了資(zi)金的(de)積累，并(bing)對(dui)運輸業(ye)(ye)提(ti)出(chu)了迫切要求。

在船(chuan)舶(bo)上采(cai)用蒸汽機作為(wei)推(tui)進(jin)動力的實驗始(shi)于(yu)1776年,經過不(bu)斷改進(jin)，至1807年，美國的富爾頓制成了第一(yi)艘實用的明輪推(tui)進(jin)的蒸汽機船(chuan)“克萊蒙”號。此后，蒸汽機在船(chuan)舶(bo)上作為(wei)推(tui)進(jin)動力歷百余年之久(jiu)。

1800年，英國的(de)特里(li)維西克設計(ji)了可安裝在較大(da)車(che)(che)(che)體上的(de)高壓蒸汽(qi)(qi)機。1803年，他把它(ta)用來推動(dong)(dong)在一(yi)條環(huan)形軌(gui)道上開動(dong)(dong)的(de)機車(che)(che)(che)，找來喜歡新奇(qi)玩意兒(er)的(de)人乘坐，向他們收費(fei)，這(zhe)就是機車(che)(che)(che)的(de)雛(chu)型。英國的(de)史蒂芬孫將機車(che)(che)(che)不斷改進，于1829年創造了“火箭”號蒸汽(qi)(qi)機車(che)(che)(che)，該機車(che)(che)(che)拖帶一(yi)節載(zai)有30位乘客的(de)車(che)(che)(che)廂，時速達46公里(li)/時，引起了各國的(de)重視(shi)，開創了鐵路時代(dai)。

19世紀末(mo)，隨著(zhu)電(dian)(dian)力應用的興起(qi)，蒸汽機曾一度作為(wei)電(dian)(dian)站(zhan)中的主(zhu)要(yao)動力機械。1900年，美國(guo)紐約曾有單機功率達五(wu)兆瓦的蒸汽機電(dian)(dian)站(zhan)。

蒸汽(qi)機的發展(zhan)在20世紀(ji)初達到了(le)(le)頂(ding)峰。它(ta)具有恒扭(niu)矩、可變速、可逆(ni)轉(zhuan)、運行可靠、制(zhi)造(zao)和(he)維修方便等優點(dian)，因此曾被廣泛用于電站、工廠(chang)、機車和(he)船舶(bo)等各個(ge)領域中，特別在軍(jun)艦上(shang)成了(le)(le)當時唯一(yi)的原(yuan)動(dong)機。

需要特別(bie)注意的(de)是(shi)，許多教科書上(shang)（歷史書、物(wu)理書）說(shuo)瓦特是(shi)蒸(zheng)汽機的(de)發明者。這是(shi)誤傳(chuan)。蒸(zheng)汽機是(shi)英國人(ren)薩維利（Savery）于1698年、紐可門(men)（Newcomen）于1705年各自獨立發明的(de)，用于礦井抽水。當時效率(lv)很低(di)。

1765年(nian)，瓦特(te)在修理(li)紐可(ke)門(men)機(ji)的基礎上，對蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)做了重大改(gai)進，使(shi)冷凝器(qi)與汽(qi)(qi)缸分離，發(fa)(fa)明(ming)(ming)曲軸和齒輪(lun)傳(chuan)動(dong)以(yi)及(ji)離心調速器(qi)等，使(shi)蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)實現(xian)了現(xian)代化，大大提高了蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)的效率(lv)。瓦特(te)的這些發(fa)(fa)明(ming)(ming)，仍使(shi)用在現(xian)代蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)中，為紀念瓦特(te)的貢獻，功率(lv)的單位名(ming)稱(cheng)以(yi)其姓(xing)氏命名(ming)。

構造

蒸(zheng)汽(qi)機主要(yao)由汽(qi)缸、底(di)座、活塞、曲柄(bing)連桿機構(gou)、滑閥配汽(qi)機構(gou)、調速機構(gou)和飛輪等(deng)部(bu)分組成。汽(qi)缸和底(di)座是靜止部(bu)分。

在(zai)蒸(zheng)汽(qi)(qi)鍋爐中，通過(guo)燃燒過(guo)程水(shui)沸騰為(wei)蒸(zheng)汽(qi)(qi)。通過(guo)管(guan)(guan)道(dao)蒸(zheng)汽(qi)(qi)被送到汽(qi)(qi)缸(gang)。閥(fa)門控(kong)制(zhi)蒸(zheng)汽(qi)(qi)到達(da)汽(qi)(qi)缸(gang)的(de)(de)時間(jian)，經主(zhu)汽(qi)(qi)閥(fa)和節(jie)流閥(fa)進入(ru)滑閥(fa)室，受滑閥(fa)控(kong)制(zhi)交替地進入(ru)汽(qi)(qi)缸(gang)的(de)(de)左(zuo)側(ce)或右側(ce)，推動活塞運動。蒸(zheng)汽(qi)(qi)在(zai)汽(qi)(qi)缸(gang)內推動活塞做功(gong)，冷卻的(de)(de)蒸(zheng)汽(qi)(qi)通過(guo)管(guan)(guan)道(dao)被引(yin)入(ru)冷凝器重新凝結為(wei)水(shui)。這(zhe)個(ge)過(guo)程在(zai)蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)運動時不(bu)斷重復。

一(yi)般的(de)蒸汽(qi)機(ji)(ji)(ji)有三(san)個汽(qi)缸(gang)組成(cheng)一(yi)個組。蒸汽(qi)機(ji)(ji)(ji)直接(jie)將活塞的(de)上下(xia)運動(dong)轉(zhuan)化為船軸(zhou)的(de)旋轉(zhuan)運動(dong)。新造(zao)的(de)蒸汽(qi)機(ji)(ji)(ji)中(zhong)還(huan)包含了一(yi)個小的(de)渦輪機(ji)(ji)(ji)，從汽(qi)缸(gang)中(zhong)出來的(de)蒸汽(qi)還(huan)可以利用它的(de)余熱在推動(dong)這個渦輪機(ji)(ji)(ji)來提(ti)高(gao)整個驅動(dong)裝置的(de)效率。這個渦輪機(ji)(ji)(ji)也與(yu)船的(de)螺旋漿軸(zhou)相連。

分類

鍋爐分類

火管造(zao)型被(bei)用在(zai)早期的船(chuan)只和蒸汽機車(che)的鍋爐中。在(zai)火管式鍋爐中，從(cong)燃燒(shao)室(shi)出來的熱煙(yan)(yan)通過煙(yan)(yan)道由煙(yan)(yan)囪(cong)排出。這(zhe)種鍋爐需要(yao)一個比較高(gao)的煙(yan)(yan)囪(cong)。

水(shui)管造型的(de)(de)(de)水(shui)由熱(re)氣(qi)通過多個(ge)管道加熱(re)。這些(xie)管道在(zai)交換器的(de)(de)(de)頂(ding)部流入(ru)一(yi)個(ge)蒸汽(qi)集合腔。水(shui)管鍋(guo)爐(lu)的(de)(de)(de)一(yi)個(ge)重要優(you)點是(shi)它在(zai)破壞時(shi)造成(cheng)的(de)(de)(de)危(wei)險比(bi)較(jiao)(jiao)小，原因是(shi)因為鍋(guo)爐(lu)里的(de)(de)(de)水(shui)的(de)(de)(de)量(liang)比(bi)較(jiao)(jiao)小，此外鍋(guo)爐(lu)里沒有多少會被磨損的(de)(de)(de)運動的(de)(de)(de)機(ji)械組成(cheng)部分，一(yi)些(xie)水(shui)管鍋(guo)爐(lu)在(zai)排煙道上(shang)還有一(yi)個(ge)熱(re)交換器來提高(gao)整個(ge)鍋(guo)爐(lu)的(de)(de)(de)熱(re)效率。

蒸汽機分類

按蒸(zheng)汽(qi)在活塞一側或兩側工作(zuo)，蒸(zheng)汽(qi)機可(ke)分為單作(zuo)用和雙(shuang)作(zuo)用式兩種(zhong)；

按(an)汽(qi)(qi)(qi)缸布置方式(shi)(shi)，可(ke)(ke)分為立式(shi)(shi)和臥式(shi)(shi)；按(an)蒸汽(qi)(qi)(qi)是在(zai)一(yi)個汽(qi)(qi)(qi)缸中膨(peng)脹(zhang)(zhang)或依次連續在(zai)多個汽(qi)(qi)(qi)缸中膨(peng)脹(zhang)(zhang)，可(ke)(ke)分為單(dan)脹(zhang)(zhang)式(shi)(shi)和多脹(zhang)(zhang)式(shi)(shi)；按(an)蒸汽(qi)(qi)(qi)在(zai)汽(qi)(qi)(qi)缸中的流向，可(ke)(ke)分為回流式(shi)(shi)和單(dan)流式(shi)(shi)；

按排汽(qi)方式和排汽(qi)壓(ya)力可分為(wei)凝汽(qi)式、大氣式和背壓(ya)式。

發展提高

功效

蒸汽機的發(fa)展首先(xian)體現在(zai)功(gong)率(lv)和效率(lv)的提高(gao)，而這又主要取決于蒸汽參數的提高(gao)。初(chu)期蒸汽機的蒸汽壓力僅為0.11～0.13兆(zhao)帕(pa)(pa)(pa)，19世(shi)紀(ji)初(chu)才達到0.35～0.7兆(zhao)帕(pa)(pa)(pa)，20世(shi)紀(ji)20年代曾用(yong)到6～10兆(zhao)帕(pa)(pa)(pa)。在(zai)蒸汽溫度上，19世(shi)紀(ji)末還不超過250℃，而到20世(shi)紀(ji)30年代曾用(yong)到450～480℃。

效率

至于(yu)效(xiao)率，瓦特初期連續運(yun)轉的蒸(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)，按燃料熱值計總效(xiao)率不超過3%；到1840年，最好(hao)的凝汽(qi)式(shi)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)總效(xiao)率可達(da)8%；到20世紀，蒸(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)最高效(xiao)率可達(da)到20%以上(shang)。

轉速

在轉速方面，18世(shi)(shi)紀(ji)末瓦特蒸汽機(ji)僅(jin)40～50轉/分；20世(shi)(shi)紀(ji)初轉速達到100～300轉/分，個別蒸汽機(ji)曾(ceng)達到2500轉/分。在功(gong)率方面，最初單機(ji)功(gong)率僅(jin)幾馬力(li)，20世(shi)(shi)紀(ji)初的(de)一臺船用(yong)蒸汽機(ji)的(de)功(gong)率可(ke)達25000馬力(li)。

隨著(zhu)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)參數(shu)和功率的(de)提(ti)高，蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)已不可能在一個汽(qi)缸中繼(ji)續膨(peng)脹，還必須(xu)在相(xiang)連接的(de)汽(qi)缸中繼(ji)續膨(peng)脹，于(yu)是出現了多級膨(peng)脹的(de)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)。蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)因受(shou)到(dao)潤滑(hua)油閃點的(de)限制(zhi)，所(suo)用(yong)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)的(de)最高溫度(du)一般(ban)都不超過400℃，機(ji)車，船(chuan)用(yong)等移動式蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)還略(lve)低(di)一些，多數(shu)不高于(yu)350℃。考慮到(dao)膨(peng)脹的(de)可能性和結構的(de)經濟性，常用(yong)壓力在2.5兆(zhao)帕以下。蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)參數(shu)受(shou)到(dao)限制(zhi)，從而也限制(zhi)了蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)機(ji)功率的(de)進(jin)一步(bu)提(ti)高。

意義

蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)的(de)(de)出現(xian)和(he)(he)改(gai)進促進了社會經濟的(de)(de)發展，但同時經濟的(de)(de)發展反過來又向(xiang)蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)提出了更(geng)高的(de)(de)要求，如要求蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)功(gong)率大、效率高、重量輕、尺寸小(xiao)等。盡管人(ren)們對蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)作(zuo)過許多改(gai)進，不斷(duan)擴大它的(de)(de)使用(yong)范圍(wei)和(he)(he)改(gai)善它的(de)(de)性能，但是隨著汽(qi)(qi)輪(lun)機(ji)(ji)和(he)(he)內(nei)燃(ran)機(ji)(ji)的(de)(de)發展，蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)因存在不可克服的(de)(de)弱點(dian)而逐漸(jian)衰落。

改良過程

1764年，學校請瓦(wa)特(te)(te)(te)(te)修理(li)一臺紐可門(men)式(shi)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機，在修理(li)的(de)(de)(de)過程中，瓦(wa)特(te)(te)(te)(te)熟悉了(le)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機的(de)(de)(de)構造和原理(li)，并且(qie)發現了(le)這種蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機的(de)(de)(de)兩大(da)缺點：活塞動作不連續(xu)而且(qie)慢(man)；蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)利用(yong)率低，浪費原料(liao)。以(yi)后，瓦(wa)特(te)(te)(te)(te)開(kai)始思(si)考改進的(de)(de)(de)辦法。直到1765年的(de)(de)(de)春天，在一次散步時，瓦(wa)特(te)(te)(te)(te)想到，既然(ran)紐可門(men)蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機的(de)(de)(de)熱效(xiao)率低是蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)在缸內冷凝(ning)造成的(de)(de)(de)，那么為什(shen)么不能(neng)讓蒸(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)在缸外(wai)冷凝(ning)呢？瓦(wa)特(te)(te)(te)(te)產生了(le)采(cai)用(yong)分(fen)離冷凝(ning)器的(de)(de)(de)最初設想。

在(zai)產(chan)生這種(zhong)設想以后，瓦(wa)特在(zai)同年設計(ji)(ji)了(le)(le)一(yi)種(zhong)帶有分(fen)(fen)離(li)冷凝器的蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)。按(an)照設計(ji)(ji)，冷凝器與汽(qi)(qi)缸之(zhi)間有一(yi)個調節閥門相連，使他們既能(neng)連通又能(neng)分(fen)(fen)開。這樣，既能(neng)把做功(gong)后的蒸(zheng)汽(qi)(qi)引入汽(qi)(qi)缸外(wai)的冷凝器，又可(ke)以使汽(qi)(qi)缸內產(chan)生同樣的真空，避免了(le)(le)汽(qi)(qi)缸在(zai)一(yi)冷一(yi)熱(re)過程中熱(re)量的消耗，據瓦(wa)特理論計(ji)(ji)算，這種(zhong)新(xin)的蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)的熱(re)效率將(jiang)是(shi)紐(niu)可(ke)門蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)的三倍。

從(cong)理論上(shang)說，瓦(wa)(wa)(wa)特(te)的(de)這種帶有(you)(you)分(fen)離器冷(leng)凝器的(de)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)顯(xian)然優于紐可(ke)門(men)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)，但是，要(yao)把理論上(shang)的(de)東(dong)西變(bian)為(wei)實際(ji)上(shang)的(de)東(dong)西，把圖(tu)紙上(shang)的(de)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)變(bian)為(wei)實在的(de)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)，還要(yao)走很(hen)長的(de)路。瓦(wa)(wa)(wa)特(te)辛(xin)辛(xin)苦苦造(zao)出了(le)幾臺蒸(zheng)汽(qi)機(ji)，但效(xiao)果反而不如紐可(ke)門(men)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)，甚至四(si)處漏氣(qi)，無法(fa)開(kai)動。盡管耗資巨(ju)大的(de)試驗使他(ta)(ta)債臺高筑，但他(ta)(ta)沒有(you)(you)在困難面(mian)前怯步，繼續進行試驗。當(dang)(dang)(dang)布萊克(ke)知道瓦(wa)(wa)(wa)特(te)的(de)奮斗(dou)目(mu)標和困難處境時，他(ta)(ta)把瓦(wa)(wa)(wa)特(te)介紹(shao)給了(le)自己一個(ge)(ge)十分(fen)富(fu)有(you)(you)的(de)朋友--化工技師(shi)羅巴(ba)克(ke)。當(dang)(dang)(dang)時羅巴(ba)克(ke)是一個(ge)(ge)十分(fen)富(fu)有(you)(you)的(de)企業家，他(ta)(ta)在蘇格蘭的(de)卡隆開(kai)辦了(le)第(di)一座規模較大的(de)煉(lian)鐵廠。雖然當(dang)(dang)(dang)時羅巴(ba)克(ke)已近(jin)50歲，但對(dui)科學技術(shu)的(de)新(xin)發明(ming)仍然傾注著極大的(de)熱情。他(ta)(ta)對(dui)當(dang)(dang)(dang)時只有(you)(you)三(san)十來歲的(de)瓦(wa)(wa)(wa)特(te)的(de)新(xin)裝置很(hen)是贊許(xu)，當(dang)(dang)(dang)即與瓦(wa)(wa)(wa)特(te)簽訂合(he)同，贊助瓦(wa)(wa)(wa)特(te)進行新(xin)式蒸(zheng)汽(qi)機(ji)的(de)試制。

從1766年開(kai)始(shi)，在(zai)三年多的(de)(de)時間(jian)里，瓦特(te)克服了在(zai)材(cai)料和工藝等各(ge)方面(mian)的(de)(de)困難(nan)，終于在(zai)1769年制出了第(di)一臺(tai)樣機(ji)。同年，瓦特(te)因(yin)發(fa)明冷凝器(qi)而(er)獲得他(ta)在(zai)革(ge)新(xin)紐(niu)可(ke)門蒸(zheng)汽機(ji)的(de)(de)過程中的(de)(de)第(di)一項專利(li)。第(di)一臺(tai)帶有冷凝器(qi)的(de)(de)蒸(zheng)汽機(ji)雖(sui)然試制成功了，但它同紐(niu)可(ke)門蒸(zheng)汽機(ji)相(xiang)比，除了熱效(xiao)率(lv)有顯著提高外，在(zai)作(zuo)為動(dong)力(li)機(ji)來帶動(dong)其他(ta)工作(zuo)機(ji)的(de)(de)性(xing)能方面(mian)仍未取得實質性(xing)進展。就(jiu)是(shi)說，瓦特(te)的(de)(de)這種(zhong)蒸(zheng)汽機(ji)還是(shi)無(wu)法(fa)作(zuo)為真(zhen)正的(de)(de)動(dong)力(li)機(ji)。

優點

現代蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)的(de)最(zui)大的(de)優點(dian)是它幾乎可以(yi)利用(yong)所(suo)有的(de)燃料將熱能(neng)轉化(hua)為機(ji)(ji)械(xie)能(neng)。不像內燃機(ji)(ji)那(nei)樣，它對其燃料不挑剔。此外沒有蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)的(de)話(hua)原(yuan)子(zi)(zi)能(neng)無(wu)法被使(shi)用(yong)。原(yuan)子(zi)(zi)反(fan)應堆即不直(zhi)接產生機(ji)(ji)械(xie)能(neng)，又不直(zhi)接產生電能(neng)，原(yuan)子(zi)(zi)反(fan)應堆實際(ji)上只是加熱水，這個水被沸騰后的(de)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)通過(guo)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)來(lai)(lai)轉化(hua)為有用(yong)的(de)功。蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)不一(yi)定需要通過(guo)燃燒來(lai)(lai)產生，比如使(shi)用(yong)太(tai)陽能(neng)聚(ju)熱器也可以(yi)產生蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)推動蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)。

另(ling)一種有(you)類似優點(dian)的小巧的外(wai)燃機是斯特林發動機。其缺點(dian)是它(ta)在許(xu)多情況下難以運行。

尤(you)其在(zai)高(gao)山上蒸汽機機車(che)(che)(che)(che)的(de)(de)(de)優點(dian)顯(xian)著，因為它們也(ye)可以在(zai)比較低的(de)(de)(de)氣壓下運行(xing)。當南美洲將用(yong)柴油(you)-電力機車(che)(che)(che)(che)取(qu)代它們的(de)(de)(de)蒸汽機車(che)(che)(che)(che)后這一點(dian)就(jiu)被發現(xian)了。在(zai)高(gao)山上他(ta)們不(bu)得(de)不(bu)放棄使用(yong)功率比較高(gao)的(de)(de)(de)柴油(you)機車(che)(che)(che)(che)，取(qu)而(er)代之的(de)(de)(de)還是功率雖然(ran)不(bu)如柴油(you)機車(che)(che)(che)(che)但(dan)不(bu)受(shou)海(hai)拔限(xian)制的(de)(de)(de)蒸汽機車(che)(che)(che)(che)。

在瑞士和奧(ao)地(di)利新(xin)的(de)(de)齒軌鐵(tie)路(lu)使用現代的(de)(de)蒸(zheng)汽機(ji)(ji)，這些蒸(zheng)汽機(ji)(ji)只需(xu)要一個人(ren)來(lai)運行(xing)，比起過去的(de)(de)蒸(zheng)汽機(ji)(ji)它節省(sheng)60%的(de)(de)燃料，比起電力機(ji)(ji)和柴油機(ji)(ji)它輕(qing)50%，因(yin)此對齒軌的(de)(de)磨(mo)損小得(de)多。在日內瓦湖上也有一艘(sou)新(xin)的(de)(de)蒸(zheng)汽機(ji)(ji)船，它是世界上第一艘(sou)遙控(kong)的(de)(de)蒸(zheng)汽機(ji)(ji)船。

缺點

蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機的(de)(de)弱點是(shi)：離不(bu)(bu)開鍋(guo)爐(lu)，整(zheng)個裝置(zhi)既笨重又龐大(da)；新(xin)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)的(de)(de)壓力(li)和溫度(du)不(bu)(bu)能過高(gao)，排(pai)氣壓力(li)不(bu)(bu)能過低，熱效率難以提高(gao)；它是(shi)一種往(wang)復(fu)式(shi)機器，慣性限(xian)(xian)制了轉速(su)的(de)(de)提高(gao)；工作過程是(shi)不(bu)(bu)連續的(de)(de)，蒸(zheng)(zheng)汽(qi)的(de)(de)流量受到限(xian)(xian)制，也就限(xian)(xian)制了功率的(de)(de)提高(gao)。

因此，拋(pao)棄了笨重鍋(guo)爐的內燃機(ji)(ji)(ji)，最終以其重量輕，體積小、熱效率(lv)高和操(cao)作靈活等(deng)優(you)(you)點(dian)，在(zai)船舶和機(ji)(ji)(ji)車上逐漸取代(dai)了蒸汽(qi)機(ji)(ji)(ji)。汽(qi)輪(lun)機(ji)(ji)(ji)則以其熱效率(lv)高、單機(ji)(ji)(ji)功率(lv)大、轉(zhuan)速高、單位功率(lv)重量輕和運行(xing)平穩等(deng)優(you)(you)點(dian)，將蒸汽(qi)機(ji)(ji)(ji)排擠出了電站(zhan)。

接著電動機(ji)(ji)(ji)又以其(qi)使用方便，代(dai)替了蒸(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)(ji)在(zai)工業設備中的(de)(de)應用。然而小(xiao)功率蒸(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)(ji)熱效率比汽(qi)輪機(ji)(ji)(ji)高，所(suo)以在(zai)產煤區或只(zhi)有劣質燃料的(de)(de)地區或某些特殊場合，蒸(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)(ji)仍有發揮(hui)作用的(de)(de)余地。

歷史作用

蒸(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)(ji)有很大的(de)歷史作用，它曾推動(dong)了(le)機(ji)(ji)(ji)械工業甚至(zhi)社會的(de)發展，解決了(le)大機(ji)(ji)(ji)器(qi)生產中最(zui)關鍵的(de)問題，推動(dong)了(le)交通運(yun)輸空前的(de)進(jin)步。隨(sui)著(zhu)它的(de)發展而建立的(de)熱(re)力(li)學(xue)和機(ji)(ji)(ji)構學(xue)為汽(qi)輪(lun)機(ji)(ji)(ji)和內(nei)燃機(ji)(ji)(ji)的(de)發展奠定了(le)基(ji)礎；汽(qi)輪(lun)機(ji)(ji)(ji)繼承了(le)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)(ji)以(yi)(yi)蒸(zheng)汽(qi)為工質的(de)特點，和采(cai)(cai)用凝汽(qi)器(qi)以(yi)(yi)降低排汽(qi)壓(ya)力(li)的(de)優點，摒棄了(le)往復運(yun)動(dong)和間(jian)斷進(jin)汽(qi)的(de)缺點；內(nei)燃機(ji)(ji)(ji)繼承了(le)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)(ji)的(de)基(ji)本(ben)結構和傳動(dong)形式，采(cai)(cai)用了(le)將燃油直接輸入汽(qi)缸(gang)內(nei)燃燒的(de)方式，形成了(le)熱(re)效率高得多的(de)熱(re)力(li)循環；同時，蒸(zheng)汽(qi)機(ji)(ji)(ji)所采(cai)(cai)用的(de)汽(qi)缸(gang)、活(huo)塞、飛輪(lun)、飛錘(chui)調速器(qi)，閥門和密封件等(deng)，均是(shi)構成多種現代機(ji)(ji)(ji)械的(de)基(ji)本(ben)元件。

工(gong)業革(ge)命的(de)(de)產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)一部分原(yuan)因是(shi)因為(wei)蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)的(de)(de)改(gai)(gai)(gai)(gai)良(liang)(liang)(瓦(wa)特沒有(you)(you)發明蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)，他只是(shi)改(gai)(gai)(gai)(gai)良(liang)(liang))，而蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)車的(de)(de)產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)也(ye)是(shi)因為(wei)蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)的(de)(de)改(gai)(gai)(gai)(gai)良(liang)(liang)以及后人(ren)的(de)(de)應用而產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)(de)，當時(shi)(shi)英國鼓勵發明，并且在人(ren)口增加(jia)需要增加(jia)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)速度(du)之(zhi)(zhi)時(shi)(shi)，便(bian)開(kai)始有(you)(you)人(ren)努(nu)力的(de)(de)改(gai)(gai)(gai)(gai)進當時(shi)(shi)的(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)設備，瓦(wa)特便(bian)是(shi)其中之(zhi)(zhi)一，而瓦(wa)特改(gai)(gai)(gai)(gai)良(liang)(liang)蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)導致一系列(lie)技術革(ge)命引(yin)起了從手工(gong)勞動(dong)向動(dong)力機(ji)器生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)轉變(bian)。因此蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)的(de)(de)改(gai)(gai)(gai)(gai)良(liang)(liang)絕對是(shi)促成(cheng)工(gong)業革(ge)命的(de)(de)原(yuan)因之(zhi)(zhi)一。而蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)車是(shi)一種以蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)引(yin)擎作為(wei)動(dong)力來(lai)源的(de)(de)鐵(tie)路機(ji)車，因此若(ruo)沒有(you)(you)蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)的(de)(de)改(gai)(gai)(gai)(gai)良(liang)(liang)便(bian)不可(ke)能有(you)(you)這項交通工(gong)具(ju)的(de)(de)誕生(sheng)(sheng)(sheng)。