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發明歷史

世(shi)界上(shang)第(di)一臺蒸汽(qi)機是(shi)由古希臘(la)數(shu)學家亞歷(li)山大港的(de)希羅（Hero of Alexandria）于公元1世(shi)紀發明的(de)汽(qi)轉球（Aeolipile），這是(shi)蒸汽(qi)機的(de)雛(chu)形(xing)。

約(yue)1679年法國(guo)物理學(xue)家丹尼斯·巴本在觀察蒸汽(qi)逃(tao)離他(ta)的(de)高壓鍋后(hou)制造了(le)第(di)一臺蒸汽(qi)機的(de)工(gong)作(zuo)模型。同時代的(de)薩繆(mou)爾(er)·莫蘭也提出了(le)蒸汽(qi)機的(de)主意。

1698年(nian)(nian)托馬斯·塞維利和1712年(nian)(nian)托馬斯·紐科(ke)門制(zhi)造了(le)早期的(de)工業蒸汽(qi)機(ji)，他們對(dui)蒸汽(qi)機(ji)的(de)發展都做出了(le)自己(ji)的(de)貢(gong)獻。1807年(nian)(nian)羅伯特(te)·富爾頓第(di)一個(ge)成功地用(yong)蒸汽(qi)機(ji)來(lai)(lai)驅動(dong)輪船。瓦(wa)特(te)運用(yong)科(ke)學理論，逐(zhu)漸發現(xian)了(le)這種蒸汽(qi)機(ji)的(de)毛病所在。從1765年(nian)(nian)到1790年(nian)(nian)，他進行(xing)了(le)一系(xi)列發明(ming)，比如分離式冷凝器、汽(qi)缸外設置(zhi)絕(jue)熱層、用(yong)油潤滑活(huo)塞、行(xing)星式齒輪、平(ping)行(xing)運動(dong)連桿機(ji)構、離心式調速器、節(jie)氣閥(fa)、壓力(li)計(ji)等等，使蒸汽(qi)機(ji)的(de)效(xiao)率(lv)提高到原來(lai)(lai)紐科(ke)門機(ji)的(de)3倍多，最終發明(ming)出工業用(yong)蒸汽(qi)機(ji)。

16世(shi)紀末(mo)到17世(shi)紀后期，英國的(de)(de)(de)采礦(kuang)業，特別是煤礦(kuang)，已發展到相當(dang)的(de)(de)(de)規(gui)模，單靠人(ren)力(li)、畜力(li)已難以滿足排除礦(kuang)井(jing)地(di)下水的(de)(de)(de)要求(qiu)，而(er)現(xian)(xian)場又(you)有豐富而(er)廉價的(de)(de)(de)煤作為(wei)燃料。現(xian)(xian)實的(de)(de)(de)需要促使許多(duo)人(ren)，如英國的(de)(de)(de)帕潘(pan)、薩弗里、紐科門(men)等就致力(li)于“以火力(li)提(ti)水”的(de)(de)(de)探索和試驗。

最初的真(zhen)(zhen)空(kong)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)被用(yong)來(lai)(lai)(lai)將礦井里的水(shui)抽(chou)(chou)出來(lai)(lai)(lai)。紐科門的蒸(zheng)汽(qi)機(ji)將蒸(zheng)汽(qi)引入(ru)氣缸后閥門被關(guan)閉，然后冷(leng)水(shui)被撒入(ru)汽(qi)缸，蒸(zheng)汽(qi)凝結(jie)時(shi)造成(cheng)真(zhen)(zhen)空(kong)。活塞(sai)另一面的空(kong)氣壓力推(tui)動(dong)活塞(sai)。在(zai)礦井中聯結(jie)一根深入(ru)豎井的桿來(lai)(lai)(lai)驅(qu)動(dong)一個(ge)泵。蒸(zheng)汽(qi)機(ji)活塞(sai)的運動(dong)通(tong)過這(zhe)根桿傳到泵的活塞(sai)來(lai)(lai)(lai)將水(shui)抽(chou)(chou)到井外。

第一(yi)個巨大(da)的(de)改(gai)善是將(jiang)氣(qi)缸與(yu)凝結缸通過(guo)一(yi)個閥(fa)(fa)門分開(kai)。瓦特在(zai)伯(bo)明翰發明了(le)這個改(gai)進(jin)。這個改(gai)進(jin)提(ti)高了(le)蒸汽機的(de)效率。下一(yi)個改(gai)進(jin)是將(jiang)閥(fa)(fa)門的(de)操作(zuo)自動化。

這(zhe)些早(zao)期(qi)的(de)(de)真(zhen)空蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)的(de)(de)效率(lv)有限(xian)，但它們比較安(an)全(quan)，因為它們的(de)(de)壓力(li)比較低(di)，在物質發(fa)生損壞的(de)(de)情(qing)況下機(ji)(ji)器(qi)向內(nei)收縮，而不是向外爆炸(zha)。它們的(de)(de)效率(lv)受外部氣壓、氣缸變形、燃燒(shao)和沸(fei)騰(teng)的(de)(de)效率(lv)和凝結能(neng)力(li)的(de)(de)限(xian)制(zhi)。理論最高效率(lv)受水在普(pu)通(tong)大(da)(da)氣壓下比較低(di)的(de)(de)沸(fei)騰(teng)溫度限(xian)制(zhi)。使用高溫高壓的(de)(de)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)為蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)的(de)(de)效率(lv)帶來(lai)了巨大(da)(da)的(de)(de)提高。但這(zhe)種蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)比真(zhen)空蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)機(ji)(ji)危險(xian)得多。鍋爐(lu)和機(ji)(ji)器(qi)的(de)(de)爆炸(zha)造(zao)成了許多大(da)(da)事(shi)故。安(an)全(quan)閥在這(zhe)里帶來(lai)了很大(da)(da)的(de)(de)改進，在壓力(li)過高的(de)(de)情(qing)況下安(an)全(quan)閥放氣減壓。但真(zhen)正保證安(an)全(quan)只(zhi)有依靠建(jian)造(zao)、運(yun)行(xing)和維(wei)護的(de)(de)經(jing)驗和安(an)全(quan)規則(ze)。

薩弗里制成的(de)世界(jie)上第(di)一臺(tai)實用的(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)提(ti)水(shui)(shui)機，在(zai)1698年取得標(biao)名(ming)為“礦(kuang)工之(zhi)友”的(de)英國專利(li)。他(ta)將一個蛋形容器先(xian)充滿蒸(zheng)(zheng)汽(qi)，然后關(guan)閉(bi)進(jin)(jin)汽(qi)閥(fa)(fa)(fa)，在(zai)容器外噴淋(lin)冷(leng)水(shui)(shui)使(shi)容器內蒸(zheng)(zheng)汽(qi)冷(leng)凝(ning)而(er)形成真(zhen)空(kong)。打開進(jin)(jin)水(shui)(shui)閥(fa)(fa)(fa)，礦(kuang)井底的(de)水(shui)(shui)受大氣(qi)壓(ya)力(li)作用經進(jin)(jin)水(shui)(shui)管吸入(ru)容器中；關(guan)閉(bi)進(jin)(jin)水(shui)(shui)閥(fa)(fa)(fa)，重(zhong)開進(jin)(jin)汽(qi)閥(fa)(fa)(fa)，靠蒸(zheng)(zheng)汽(qi)壓(ya)力(li)將容器中的(de)水(shui)(shui)經排(pai)水(shui)(shui)閥(fa)(fa)(fa)壓(ya)出(chu)。待容器中的(de)水(shui)(shui)被排(pai)空(kong)而(er)充滿蒸(zheng)(zheng)汽(qi)時(shi)，關(guan)閉(bi)進(jin)(jin)汽(qi)閥(fa)(fa)(fa)和排(pai)水(shui)(shui)閥(fa)(fa)(fa)，重(zhong)新噴水(shui)(shui)使(shi)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)冷(leng)凝(ning)。如(ru)此反(fan)復循環(huan)，用兩個蛋形容器交替工作，可連續排(pai)水(shui)(shui)。

薩弗(fu)里(li)的(de)(de)(de)提(ti)水機依靠真空的(de)(de)(de)吸力汲(ji)(ji)水，汲(ji)(ji)水深(shen)度(du)不能(neng)超(chao)過六米。為了(le)從幾十米深(shen)的(de)(de)(de)礦井(jing)汲(ji)(ji)水，須(xu)將提(ti)水機裝在礦井(jing)深(shen)處，用較高的(de)(de)(de)蒸汽壓力才能(neng)將水壓到地面上，這在當時無(wu)疑(yi)是困(kun)難而又危險的(de)(de)(de)。

紐(niu)(niu)(niu)科門及(ji)其(qi)助手卡利在(zai)1705年(nian)發明(ming)了大(da)(da)氣式(shi)(shi)蒸汽(qi)機(ji)，用以驅動獨立的提水泵，被(bei)稱為紐(niu)(niu)(niu)科門大(da)(da)氣式(shi)(shi)蒸汽(qi)機(ji)。這種蒸汽(qi)機(ji)先在(zai)英國，后來在(zai)歐洲大(da)(da)陸(lu)得(de)到迅速推廣，它(ta)的改型產品直到19世紀(ji)初還在(zai)制(zhi)造。紐(niu)(niu)(niu)科門大(da)(da)氣式(shi)(shi)蒸汽(qi)機(ji)的熱效率(lv)很低，這主要(yao)是由于蒸汽(qi)進(jin)入汽(qi)缸時，在(zai)剛被(bei)水冷(leng)卻過的汽(qi)缸壁上(shang)冷(leng)凝而損失掉(diao)大(da)(da)量熱量，只在(zai)煤價低廉的產煤區(qu)才得(de)到推廣。

1764年(nian)，英(ying)國的(de)儀器(qi)修理工詹(zhan)姆斯(si)·瓦特(te)為格(ge)拉(la)斯(si)哥(ge)大學修理紐可門(men)蒸汽(qi)(qi)機(ji)模型時，注意到了(le)這一缺(que)點(dian)，并(bing)于1765年(nian)發明(ming)了(le)設有與汽(qi)(qi)缸(gang)壁(bi)分開的(de)凝汽(qi)(qi)器(qi)的(de)蒸汽(qi)(qi)機(ji)，并(bing)于1769年(nian)取得(de)了(le)英(ying)國的(de)專利。初(chu)期的(de)瓦特(te)蒸汽(qi)(qi)機(ji)仍用平衡杠桿和(he)拉(la)桿機(ji)構來驅動提水(shui)泵，為了(le)從凝汽(qi)(qi)器(qi)中抽(chou)除凝結(jie)水(shui)和(he)空氣(qi)，瓦特(te)裝(zhuang)設了(le)抽(chou)氣(qi)泵。他還在(zai)汽(qi)(qi)缸(gang)外壁(bi)加裝(zhuang)夾(jia)層，用蒸汽(qi)(qi)加熱汽(qi)(qi)缸(gang)壁(bi)，以減少(shao)冷凝損失。

瓦特(te)的創(chuang)造性工(gong)作使(shi)蒸(zheng)汽機迅速地(di)發(fa)展(zhan)，他(ta)使(shi)原來只能提水的機械，成(cheng)為了可以普遍應用(yong)的蒸(zheng)汽機，并(bing)使(shi)蒸(zheng)汽機的熱效率成(cheng)倍提高，煤耗大(da)大(da)下降。因(yin)此瓦特(te)是(shi)蒸(zheng)汽機的改良(liang)者(zhe)。

自18世(shi)紀晚期(qi)起，蒸汽機不僅在采礦(kuang)業(ye)中(zhong)得(de)到廣(guang)泛應用，在冶(ye)煉、紡(fang)織(zhi)(zhi)、機器制造等行業(ye)中(zhong)也(ye)都獲(huo)得(de)迅速推廣(guang)。它使英國的(de)(de)紡(fang)織(zhi)(zhi)品產(chan)量在20多年(nian)內(從1766年(nian)到1789年(nian))增長了(le)(le)5倍，為市場提(ti)供了(le)(le)大(da)量消費(fei)商品，加(jia)速了(le)(le)資金(jin)的(de)(de)積累(lei)，并對運輸業(ye)提(ti)出了(le)(le)迫切(qie)要求。

在(zai)船(chuan)舶上(shang)采用(yong)蒸(zheng)汽機(ji)作為推(tui)(tui)進(jin)(jin)動力的實驗始于1776年,經(jing)過不斷改(gai)進(jin)(jin)，至1807年，美國(guo)的富爾頓制(zhi)成了第一艘實用(yong)的明輪推(tui)(tui)進(jin)(jin)的蒸(zheng)汽機(ji)船(chuan)“克(ke)萊蒙(meng)”號。此(ci)后，蒸(zheng)汽機(ji)在(zai)船(chuan)舶上(shang)作為推(tui)(tui)進(jin)(jin)動力歷百余年之久。

1800年(nian)，英國(guo)的(de)(de)特(te)里維(wei)西克設計了可安裝在(zai)較大車(che)(che)體上的(de)(de)高壓蒸汽機(ji)(ji)。1803年(nian)，他(ta)把它用來推動(dong)在(zai)一(yi)條(tiao)環(huan)形軌道上開動(dong)的(de)(de)機(ji)(ji)車(che)(che)，找來喜歡新奇玩意兒的(de)(de)人(ren)乘(cheng)坐，向他(ta)們收費，這就是機(ji)(ji)車(che)(che)的(de)(de)雛型。英國(guo)的(de)(de)史(shi)蒂(di)芬孫將機(ji)(ji)車(che)(che)不斷改進(jin)，于1829年(nian)創(chuang)造了“火箭”號(hao)蒸汽機(ji)(ji)車(che)(che)，該機(ji)(ji)車(che)(che)拖帶一(yi)節載有(you)30位乘(cheng)客的(de)(de)車(che)(che)廂，時速達46公里/時，引起了各國(guo)的(de)(de)重視(shi)，開創(chuang)了鐵路時代。

19世紀(ji)末，隨著電力應用的興起，蒸汽(qi)機(ji)曾一度(du)作為電站(zhan)中的主要動力機(ji)械。1900年，美國紐(niu)約曾有單機(ji)功率達五兆(zhao)瓦的蒸汽(qi)機(ji)電站(zhan)。

蒸汽機(ji)(ji)的(de)發展(zhan)在20世(shi)紀初(chu)達到了頂峰。它具有恒扭矩、可變速、可逆(ni)轉、運行可靠、制造和維修方(fang)便等優點，因此(ci)曾被廣泛用于電站(zhan)、工廠、機(ji)(ji)車和船舶等各個領域(yu)中(zhong)，特別(bie)在軍艦上成了當時唯一的(de)原動機(ji)(ji)。

需要特(te)別(bie)注意的是(shi)(shi)，許多教科(ke)書上（歷史(shi)書、物(wu)理(li)書）說瓦特(te)是(shi)(shi)蒸汽機的發(fa)明(ming)(ming)者。這是(shi)(shi)誤傳。蒸汽機是(shi)(shi)英國人薩維利(li)（Savery）于1698年(nian)、紐可門（Newcomen）于1705年(nian)各自(zi)獨立發(fa)明(ming)(ming)的，用于礦井抽水。當時(shi)效率(lv)很低。

1765年，瓦特(te)在修理紐(niu)可門機(ji)的基(ji)礎(chu)上，對蒸汽機(ji)做了(le)(le)重(zhong)大(da)改進(jin)，使(shi)冷凝器(qi)與汽缸(gang)分離(li)，發(fa)明曲軸(zhou)和齒(chi)輪(lun)傳動(dong)以(yi)及離(li)心調速器(qi)等，使(shi)蒸汽機(ji)實現(xian)了(le)(le)現(xian)代化，大(da)大(da)提(ti)高了(le)(le)蒸汽機(ji)的效率。瓦特(te)的這些發(fa)明，仍使(shi)用在現(xian)代蒸汽機(ji)中(zhong)，為紀(ji)念瓦特(te)的貢獻，功(gong)率的單位名稱(cheng)以(yi)其姓氏命名。

構造

蒸汽(qi)機(ji)主要(yao)由汽(qi)缸、底座、活塞、曲柄連桿(gan)機(ji)構(gou)、滑閥(fa)配汽(qi)機(ji)構(gou)、調速機(ji)構(gou)和飛輪等部分組成。汽(qi)缸和底座是靜止(zhi)部分。

在(zai)(zai)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)鍋爐中，通(tong)過燃燒過程(cheng)水沸騰為蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)。通(tong)過管(guan)道(dao)(dao)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)被送到汽(qi)(qi)缸(gang)。閥門控制(zhi)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)到達汽(qi)(qi)缸(gang)的時間(jian)，經主汽(qi)(qi)閥和節(jie)流閥進入滑(hua)閥室，受(shou)滑(hua)閥控制(zhi)交替地進入汽(qi)(qi)缸(gang)的左側或右(you)側，推動(dong)活(huo)塞(sai)運(yun)動(dong)。蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)在(zai)(zai)汽(qi)(qi)缸(gang)內推動(dong)活(huo)塞(sai)做(zuo)功，冷卻的蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)通(tong)過管(guan)道(dao)(dao)被引入冷凝(ning)器重(zhong)新凝(ning)結為水。這個過程(cheng)在(zai)(zai)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機運(yun)動(dong)時不斷重(zhong)復。

一(yi)般的(de)蒸汽(qi)機(ji)有(you)三個(ge)汽(qi)缸組成(cheng)一(yi)個(ge)組。蒸汽(qi)機(ji)直(zhi)接(jie)將活塞的(de)上下運動(dong)轉化為船(chuan)軸的(de)旋轉運動(dong)。新(xin)造的(de)蒸汽(qi)機(ji)中(zhong)還包含了一(yi)個(ge)小的(de)渦(wo)(wo)輪機(ji)，從汽(qi)缸中(zhong)出來的(de)蒸汽(qi)還可以利用它的(de)余熱在推動(dong)這(zhe)個(ge)渦(wo)(wo)輪機(ji)來提高整個(ge)驅動(dong)裝置(zhi)的(de)效率。這(zhe)個(ge)渦(wo)(wo)輪機(ji)也與船(chuan)的(de)螺旋漿軸相連。

分類

鍋爐分類

火管造(zao)型被用在早期的(de)船只和蒸汽機車(che)的(de)鍋爐中。在火管式鍋爐中，從燃燒室出來的(de)熱煙(yan)通(tong)過煙(yan)道由煙(yan)囪(cong)排出。這種鍋爐需要一個(ge)比較高的(de)煙(yan)囪(cong)。

水(shui)管造型的水(shui)由熱(re)氣通過多個管道加熱(re)。這些管道在交(jiao)換(huan)器(qi)的頂(ding)部流入(ru)一個蒸汽集(ji)合腔(qiang)。水(shui)管鍋爐(lu)的一個重要優(you)點是它在破壞時造成的危險比(bi)較小(xiao)，原因(yin)是因(yin)為鍋爐(lu)里的水(shui)的量比(bi)較小(xiao)，此(ci)外鍋爐(lu)里沒(mei)有(you)(you)多少會被磨(mo)損的運動(dong)的機(ji)械組(zu)成部分，一些水(shui)管鍋爐(lu)在排(pai)煙道上(shang)還有(you)(you)一個熱(re)交(jiao)換(huan)器(qi)來提(ti)高(gao)整個鍋爐(lu)的熱(re)效率。

蒸汽機分類

按蒸(zheng)(zheng)汽在活塞一側或兩側工作，蒸(zheng)(zheng)汽機(ji)可分為單作用和雙作用式(shi)兩種；

按汽(qi)(qi)(qi)缸(gang)(gang)(gang)布(bu)置方(fang)式(shi)，可(ke)(ke)分為(wei)立式(shi)和臥式(shi)；按蒸汽(qi)(qi)(qi)是在(zai)一個汽(qi)(qi)(qi)缸(gang)(gang)(gang)中(zhong)膨(peng)脹(zhang)或依次連(lian)續在(zai)多(duo)(duo)個汽(qi)(qi)(qi)缸(gang)(gang)(gang)中(zhong)膨(peng)脹(zhang)，可(ke)(ke)分為(wei)單脹(zhang)式(shi)和多(duo)(duo)脹(zhang)式(shi)；按蒸汽(qi)(qi)(qi)在(zai)汽(qi)(qi)(qi)缸(gang)(gang)(gang)中(zhong)的流向(xiang)，可(ke)(ke)分為(wei)回(hui)流式(shi)和單流式(shi)；

按排汽方式和排汽壓(ya)力可分為凝汽式、大氣式和背壓(ya)式。

發展提高

功效

蒸汽(qi)機的發展(zhan)首先體現在功率和效率的提高(gao)，而(er)這又主(zhu)要取(qu)決(jue)于蒸汽(qi)參數的提高(gao)。初期蒸汽(qi)機的蒸汽(qi)壓力(li)僅為0.11～0.13兆(zhao)帕(pa)，19世紀(ji)初才達(da)到0.35～0.7兆(zhao)帕(pa)，20世紀(ji)20年代曾用到6～10兆(zhao)帕(pa)。在蒸汽(qi)溫度(du)上，19世紀(ji)末(mo)還不超(chao)過(guo)250℃，而(er)到20世紀(ji)30年代曾用到450～480℃。

效率

至于效(xiao)(xiao)率，瓦特初期連續運轉的(de)蒸汽(qi)機，按燃料熱值計總效(xiao)(xiao)率不(bu)超(chao)過3%；到1840年，最好的(de)凝汽(qi)式(shi)蒸汽(qi)機總效(xiao)(xiao)率可達(da)(da)8%；到20世紀，蒸汽(qi)機最高(gao)效(xiao)(xiao)率可達(da)(da)到20%以(yi)上。

轉速

在轉速方(fang)面，18世(shi)紀(ji)末瓦特蒸汽(qi)(qi)機(ji)僅(jin)40～50轉/分(fen)；20世(shi)紀(ji)初(chu)(chu)轉速達到100～300轉/分(fen)，個(ge)別蒸汽(qi)(qi)機(ji)曾達到2500轉/分(fen)。在功(gong)率(lv)方(fang)面，最初(chu)(chu)單機(ji)功(gong)率(lv)僅(jin)幾馬力(li)，20世(shi)紀(ji)初(chu)(chu)的一臺船用蒸汽(qi)(qi)機(ji)的功(gong)率(lv)可達25000馬力(li)。

隨著蒸(zheng)汽(qi)(qi)參(can)數和功率(lv)的(de)提(ti)高(gao)，蒸(zheng)汽(qi)(qi)已不可能(neng)在一個(ge)汽(qi)(qi)缸中繼(ji)續膨(peng)脹，還必須在相連接(jie)的(de)汽(qi)(qi)缸中繼(ji)續膨(peng)脹，于是出現了(le)多級膨(peng)脹的(de)蒸(zheng)汽(qi)(qi)機。蒸(zheng)汽(qi)(qi)機因受(shou)(shou)到潤滑油閃(shan)點的(de)限制(zhi)，所用(yong)蒸(zheng)汽(qi)(qi)的(de)最高(gao)溫(wen)度(du)一般(ban)都不超(chao)過(guo)400℃，機車，船(chuan)用(yong)等移動式蒸(zheng)汽(qi)(qi)機還略低一些，多數不高(gao)于350℃。考慮到膨(peng)脹的(de)可能(neng)性(xing)和結構的(de)經濟性(xing)，常用(yong)壓力在2.5兆帕以下。蒸(zheng)汽(qi)(qi)參(can)數受(shou)(shou)到限制(zhi)，從而也(ye)限制(zhi)了(le)蒸(zheng)汽(qi)(qi)機功率(lv)的(de)進一步提(ti)高(gao)。

意義

蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)的(de)出(chu)現(xian)和改(gai)進(jin)促進(jin)了社(she)會經濟的(de)發(fa)(fa)展，但(dan)同時(shi)經濟的(de)發(fa)(fa)展反過(guo)來又向蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)提出(chu)了更高的(de)要求，如要求蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)功率(lv)大(da)、效(xiao)率(lv)高、重量(liang)輕、尺寸小(xiao)等。盡管(guan)人(ren)們(men)對蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)作過(guo)許多改(gai)進(jin)，不斷擴大(da)它的(de)使用范圍和改(gai)善(shan)它的(de)性能，但(dan)是隨著汽(qi)(qi)輪機(ji)(ji)和內燃(ran)機(ji)(ji)的(de)發(fa)(fa)展，蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)因存在不可克服的(de)弱點(dian)而逐漸衰落(luo)。

改良過程

1764年，學校請瓦(wa)特(te)修理(li)一(yi)臺紐可門式(shi)蒸汽(qi)(qi)機(ji)，在(zai)(zai)修理(li)的(de)過程中，瓦(wa)特(te)熟悉了蒸汽(qi)(qi)機(ji)的(de)構(gou)造和原理(li)，并且(qie)(qie)發(fa)現了這種蒸汽(qi)(qi)機(ji)的(de)兩大(da)缺點：活(huo)塞動作不(bu)連續而且(qie)(qie)慢；蒸汽(qi)(qi)利(li)用率(lv)(lv)低(di)，浪費(fei)原料。以后(hou)，瓦(wa)特(te)開始思考改進的(de)辦法。直到1765年的(de)春天，在(zai)(zai)一(yi)次散(san)步(bu)時，瓦(wa)特(te)想到，既然紐可門蒸汽(qi)(qi)機(ji)的(de)熱(re)效率(lv)(lv)低(di)是蒸汽(qi)(qi)在(zai)(zai)缸內冷凝造成的(de)，那么為(wei)什么不(bu)能(neng)讓蒸汽(qi)(qi)在(zai)(zai)缸外冷凝呢？瓦(wa)特(te)產生了采用分(fen)離冷凝器的(de)最初(chu)設想。

在產(chan)生(sheng)這(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)設想以(yi)后(hou)，瓦特在同年設計了一種(zhong)(zhong)帶有分離冷凝(ning)器的(de)(de)蒸(zheng)汽(qi)(qi)機。按照設計，冷凝(ning)器與汽(qi)(qi)缸之間有一個調節閥門相連(lian)，使他(ta)們既能連(lian)通又(you)能分開(kai)。這(zhe)(zhe)樣，既能把做功后(hou)的(de)(de)蒸(zheng)汽(qi)(qi)引(yin)入汽(qi)(qi)缸外(wai)的(de)(de)冷凝(ning)器，又(you)可(ke)以(yi)使汽(qi)(qi)缸內產(chan)生(sheng)同樣的(de)(de)真空，避免(mian)了汽(qi)(qi)缸在一冷一熱過程中(zhong)熱量的(de)(de)消耗，據(ju)瓦特理論計算，這(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)新的(de)(de)蒸(zheng)汽(qi)(qi)機的(de)(de)熱效率將是(shi)紐可(ke)門蒸(zheng)汽(qi)(qi)機的(de)(de)三倍。

從理論上說，瓦特(te)的(de)(de)(de)這種帶有(you)(you)(you)分離器冷凝器的(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)顯然(ran)(ran)(ran)優于紐可(ke)門蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)，但(dan)是，要(yao)把(ba)理論上的(de)(de)(de)東西(xi)變為實際上的(de)(de)(de)東西(xi)，把(ba)圖(tu)紙上的(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)變為實在的(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)，還要(yao)走很長的(de)(de)(de)路。瓦特(te)辛辛苦苦造出了(le)幾臺蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)，但(dan)效果反(fan)而不(bu)如紐可(ke)門蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)，甚至四處漏(lou)氣，無法(fa)開動。盡管耗資巨大的(de)(de)(de)試驗(yan)使他(ta)(ta)債(zhai)臺高(gao)筑，但(dan)他(ta)(ta)沒(mei)有(you)(you)(you)在困難(nan)面前怯步，繼續(xu)進(jin)行(xing)試驗(yan)。當(dang)(dang)布(bu)萊(lai)克(ke)(ke)知(zhi)道(dao)瓦特(te)的(de)(de)(de)奮斗目標和困難(nan)處境(jing)時(shi)(shi)，他(ta)(ta)把(ba)瓦特(te)介(jie)紹給了(le)自己一(yi)個(ge)十分富有(you)(you)(you)的(de)(de)(de)朋友--化工技師(shi)羅(luo)巴(ba)克(ke)(ke)。當(dang)(dang)時(shi)(shi)羅(luo)巴(ba)克(ke)(ke)是一(yi)個(ge)十分富有(you)(you)(you)的(de)(de)(de)企業家，他(ta)(ta)在蘇格蘭的(de)(de)(de)卡(ka)隆(long)開辦了(le)第(di)一(yi)座規模(mo)較大的(de)(de)(de)煉鐵廠。雖然(ran)(ran)(ran)當(dang)(dang)時(shi)(shi)羅(luo)巴(ba)克(ke)(ke)已近50歲，但(dan)對科(ke)學技術的(de)(de)(de)新發(fa)明仍然(ran)(ran)(ran)傾注著(zhu)極(ji)大的(de)(de)(de)熱情。他(ta)(ta)對當(dang)(dang)時(shi)(shi)只有(you)(you)(you)三十來歲的(de)(de)(de)瓦特(te)的(de)(de)(de)新裝置很是贊許，當(dang)(dang)即與瓦特(te)簽訂合同，贊助瓦特(te)進(jin)行(xing)新式蒸(zheng)(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)試制(zhi)。

從1766年開始(shi)，在三年多的(de)(de)(de)時(shi)間里，瓦特(te)克(ke)服了(le)在材(cai)料和(he)工藝(yi)等各方面(mian)的(de)(de)(de)困難，終于(yu)在1769年制出(chu)了(le)第(di)一臺(tai)樣機(ji)(ji)。同年，瓦特(te)因發明冷凝器而獲(huo)得他(ta)在革新紐可門蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)過程(cheng)中的(de)(de)(de)第(di)一項專(zhuan)利。第(di)一臺(tai)帶有冷凝器的(de)(de)(de)蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)雖然試制成(cheng)功了(le)，但它同紐可門蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)相比(bi)，除了(le)熱效率有顯著(zhu)提高外，在作為(wei)(wei)動(dong)力(li)機(ji)(ji)來帶動(dong)其他(ta)工作機(ji)(ji)的(de)(de)(de)性能方面(mian)仍(reng)未取(qu)得實(shi)質性進(jin)展(zhan)。就是說(shuo)，瓦特(te)的(de)(de)(de)這種蒸(zheng)汽(qi)(qi)機(ji)(ji)還是無法作為(wei)(wei)真正的(de)(de)(de)動(dong)力(li)機(ji)(ji)。

優點

現代蒸(zheng)汽(qi)機(ji)的(de)(de)最(zui)大(da)的(de)(de)優點是它幾乎可以利(li)用(yong)(yong)所有(you)(you)的(de)(de)燃(ran)(ran)(ran)料將熱(re)能(neng)轉(zhuan)化(hua)為機(ji)械(xie)能(neng)。不(bu)(bu)像內燃(ran)(ran)(ran)機(ji)那樣，它對其燃(ran)(ran)(ran)料不(bu)(bu)挑剔。此外沒有(you)(you)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)的(de)(de)話原(yuan)子(zi)能(neng)無(wu)法(fa)被(bei)(bei)使用(yong)(yong)。原(yuan)子(zi)反(fan)應(ying)堆即不(bu)(bu)直接產(chan)(chan)(chan)生(sheng)機(ji)械(xie)能(neng)，又不(bu)(bu)直接產(chan)(chan)(chan)生(sheng)電能(neng)，原(yuan)子(zi)反(fan)應(ying)堆實際上只是加熱(re)水，這個水被(bei)(bei)沸騰后的(de)(de)蒸(zheng)汽(qi)通(tong)(tong)過(guo)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)來轉(zhuan)化(hua)為有(you)(you)用(yong)(yong)的(de)(de)功。蒸(zheng)汽(qi)不(bu)(bu)一定(ding)需要通(tong)(tong)過(guo)燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)來產(chan)(chan)(chan)生(sheng)，比如使用(yong)(yong)太陽能(neng)聚熱(re)器也可以產(chan)(chan)(chan)生(sheng)蒸(zheng)汽(qi)推動蒸(zheng)汽(qi)機(ji)。

另(ling)一種有類(lei)似(si)優(you)點(dian)的小巧的外(wai)燃機(ji)是斯特林發(fa)動機(ji)。其缺(que)點(dian)是它在許多情況下(xia)難以運行。

尤(you)其在(zai)高(gao)(gao)山上(shang)蒸汽(qi)機(ji)機(ji)車的(de)(de)優點(dian)顯(xian)著，因為(wei)它們也可以在(zai)比(bi)較低的(de)(de)氣壓下運行。當南美洲將用柴油(you)-電力(li)機(ji)車取代它們的(de)(de)蒸汽(qi)機(ji)車后這一(yi)點(dian)就被發現(xian)了。在(zai)高(gao)(gao)山上(shang)他們不(bu)得不(bu)放棄使用功(gong)率比(bi)較高(gao)(gao)的(de)(de)柴油(you)機(ji)車，取而代之的(de)(de)還是功(gong)率雖(sui)然不(bu)如柴油(you)機(ji)車但不(bu)受海拔(ba)限制(zhi)的(de)(de)蒸汽(qi)機(ji)車。

在(zai)瑞(rui)士和奧(ao)地(di)利(li)新的(de)(de)齒(chi)軌鐵(tie)路使(shi)用現代(dai)的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽機，這些蒸(zheng)(zheng)汽機只(zhi)需要一(yi)個人(ren)來(lai)運行，比起過去的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽機它(ta)節(jie)省(sheng)60%的(de)(de)燃料，比起電力機和柴油機它(ta)輕50%，因此對齒(chi)軌的(de)(de)磨(mo)損小得多(duo)。在(zai)日內瓦(wa)湖上也有一(yi)艘新的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽機船，它(ta)是世界上第(di)一(yi)艘遙控的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)汽機船。

缺點

蒸(zheng)(zheng)汽(qi)機的弱點是：離不開鍋爐，整(zheng)個裝置既笨重又(you)龐大；新蒸(zheng)(zheng)汽(qi)的壓力和溫(wen)度不能(neng)過(guo)(guo)高，排(pai)氣(qi)壓力不能(neng)過(guo)(guo)低(di)，熱(re)效率難以提(ti)(ti)(ti)高；它是一種往復式機器(qi)，慣性限(xian)制(zhi)了轉速的提(ti)(ti)(ti)高；工作過(guo)(guo)程是不連續的，蒸(zheng)(zheng)汽(qi)的流量受(shou)到限(xian)制(zhi)，也就限(xian)制(zhi)了功(gong)率的提(ti)(ti)(ti)高。

因此，拋棄了笨重鍋(guo)爐的內燃機(ji)，最終以其重量(liang)輕，體積小、熱效率(lv)高(gao)和(he)操(cao)作靈活等優點(dian)，在船舶和(he)機(ji)車上(shang)逐漸取代了蒸汽機(ji)。汽輪機(ji)則以其熱效率(lv)高(gao)、單機(ji)功率(lv)大、轉速(su)高(gao)、單位功率(lv)重量(liang)輕和(he)運(yun)行平穩等優點(dian)，將(jiang)蒸汽機(ji)排(pai)擠出了電站(zhan)。

接(jie)著電(dian)動機(ji)(ji)又以(yi)其使用方便，代替了蒸汽(qi)機(ji)(ji)在工業(ye)設備中的應(ying)用。然(ran)而小功(gong)率蒸汽(qi)機(ji)(ji)熱(re)效率比(bi)汽(qi)輪機(ji)(ji)高，所以(yi)在產煤區或(huo)只有(you)劣質燃料的地(di)區或(huo)某些(xie)特殊場合，蒸汽(qi)機(ji)(ji)仍(reng)有(you)發揮作用的余地(di)。

歷史作用

蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)機有很大(da)的(de)歷史作用(yong)(yong)，它曾推動(dong)了(le)機械工業(ye)甚至社會(hui)的(de)發(fa)展(zhan)，解決了(le)大(da)機器生(sheng)產中最關鍵的(de)問題，推動(dong)了(le)交通運輸空前的(de)進步。隨著它的(de)發(fa)展(zhan)而建立的(de)熱(re)力(li)學和(he)(he)機構學為汽(qi)(qi)(qi)(qi)輪機和(he)(he)內(nei)燃(ran)(ran)機的(de)發(fa)展(zhan)奠定了(le)基(ji)(ji)礎；汽(qi)(qi)(qi)(qi)輪機繼(ji)承了(le)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)機以蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)為工質的(de)特點，和(he)(he)采用(yong)(yong)凝汽(qi)(qi)(qi)(qi)器以降低排(pai)汽(qi)(qi)(qi)(qi)壓力(li)的(de)優(you)點，摒棄了(le)往復(fu)運動(dong)和(he)(he)間斷進汽(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)缺點；內(nei)燃(ran)(ran)機繼(ji)承了(le)蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)機的(de)基(ji)(ji)本(ben)結構和(he)(he)傳動(dong)形式，采用(yong)(yong)了(le)將燃(ran)(ran)油直接(jie)輸入汽(qi)(qi)(qi)(qi)缸(gang)內(nei)燃(ran)(ran)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(tong)時，蒸(zheng)汽(qi)(qi)(qi)(qi)機所(suo)采用(yong)(yong)的(de)汽(qi)(qi)(qi)(qi)缸(gang)、活塞、飛輪、飛錘(chui)調速器，閥門和(he)(he)密封件等，均(jun)是構成多種現代機械的(de)基(ji)(ji)本(ben)元件。

工(gong)業(ye)(ye)革(ge)命(ming)的(de)(de)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)一部分原(yuan)因(yin)(yin)(yin)是(shi)(shi)因(yin)(yin)(yin)為蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)的(de)(de)改良(瓦(wa)特(te)(te)沒(mei)有發(fa)明(ming)蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)，他只是(shi)(shi)改良)，而蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)車的(de)(de)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)也是(shi)(shi)因(yin)(yin)(yin)為蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)的(de)(de)改良以(yi)(yi)及后人的(de)(de)應(ying)用而產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)(de)，當(dang)時英國鼓勵(li)發(fa)明(ming)，并且在人口增加(jia)需要(yao)增加(jia)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)(chan)速(su)度之時，便開始有人努力(li)的(de)(de)改進當(dang)時的(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)(chan)設備，瓦(wa)特(te)(te)便是(shi)(shi)其(qi)中之一，而瓦(wa)特(te)(te)改良蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)導致(zhi)一系列技術(shu)革(ge)命(ming)引(yin)起了從手(shou)工(gong)勞動向動力(li)機(ji)(ji)器生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)(chan)轉變。因(yin)(yin)(yin)此(ci)蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)的(de)(de)改良絕對(dui)是(shi)(shi)促成工(gong)業(ye)(ye)革(ge)命(ming)的(de)(de)原(yuan)因(yin)(yin)(yin)之一。而蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)車是(shi)(shi)一種(zhong)以(yi)(yi)蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽引(yin)擎(qing)作為動力(li)來源的(de)(de)鐵路機(ji)(ji)車，因(yin)(yin)(yin)此(ci)若沒(mei)有蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽機(ji)(ji)的(de)(de)改良便不可能有這(zhe)項交(jiao)通工(gong)具(ju)的(de)(de)誕(dan)生(sheng)(sheng)(sheng)。