蒸汽機是一個能夠?qū)⑺羝械膭幽苻D(zhuǎn)換為功的熱機，由于其中的燃燒過程在熱機外部進行，屬于熱機中的外燃機。泵、火車頭和輪船曾使用蒸汽機驅(qū)動。蒸汽機在工業(yè)革命中起到了核心作用，這一系列技術(shù)革命引起了從手工勞動向動力機器生產(chǎn)轉(zhuǎn)變的重大飛躍。

1690年，法國工程師巴本（Denis Papin，1647－1712）制成了第一臺活塞式蒸汽機，它依靠蒸汽推動汽缸上升，在汽缸下落過程中輸出動力。

1698年，英國鐵匠塞維利（Thomas Savery，1650－1715）在著名物理學(xué)家胡克的幫助下，發(fā)明了世界上第一臺實用的蒸汽泵，用于礦山排水。

1705年，英國工程師紐科門（Thomas Newcomen，1663－1729）綜合了巴本和塞維利蒸汽機的優(yōu)點，設(shè)計了更為先進和實用的蒸汽機，迅速在英國的礦山和煤場中推廣使用。紐科門幼年僅受過初等教育，少年時代做過鍛工。17世紀80年代同卡利合伙經(jīng)營鐵器，后來開始研制蒸汽機，并于1705年取得“冷凝進入活塞下部的蒸汽和把活塞與連桿聯(lián)接以產(chǎn)生運動”的專利權(quán)。此后，紐科門繼續(xù)改進蒸汽機，于1712年首次制成可供實用的大氣式蒸汽機，被稱為紐科門蒸汽機。這臺蒸汽機的汽缸活塞直徑為30.48厘米,每分鐘往復(fù)12次，功率為5.5馬力。但熱效率低，燃料消耗量大，僅適用于煤礦等燃料充足的地方，所以紐科門的機器多年用于礦井排水，也用來提水以推動水車。但紐科門的蒸汽機只能做緩慢的往復(fù)運動，應(yīng)用范圍很有限。

紐科門蒸汽機被廣泛應(yīng)用了60多年，在瓦特完善蒸汽機的發(fā)明后很長時間還在使用。紐科門蒸汽機是第一個實用的蒸汽機。他為后來蒸汽機的發(fā)展和完善奠定了基礎(chǔ)。

紐科門蒸汽機

而真正將蒸汽機普及到各行各業(yè)的功臣是瓦特，1763年，瓦特得知格拉斯哥大學(xué)有一臺紐科門蒸汽機，但是正在倫敦修理，他請求學(xué)校取回了這臺蒸汽機并親自進行了修理。修理后這臺蒸汽機勉強可以工作，但是效率很低。經(jīng)過大量實驗，瓦特發(fā)現(xiàn)效率低的原因是由于活塞每推動一次，氣缸里的蒸汽都要先冷凝，然后再加熱進行下一次推動，從而使得蒸汽80%的熱量都耗費在維持氣缸的溫度上面。1765年，瓦特取得了關(guān)鍵性的進展，他想到將冷凝器與氣缸分離開來，使得氣缸溫度可以持續(xù)維持在注入的蒸汽的溫度，并在此基礎(chǔ)上很快建造了一個可以運轉(zhuǎn)的模型。

1776年，在與博爾頓的親密合作下，瓦特對蒸汽機進行了成功的改進，第一批新型蒸汽機制造成功并應(yīng)用于實際生產(chǎn)。但這批蒸汽機只能提供往復(fù)直線運動，所以主要應(yīng)用于抽水泵上。在博爾頓的要求下，瓦特開始繼續(xù)研究如何將蒸汽機的直線往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為圓周運動，以便使得蒸汽機能為絕大多數(shù)機器提供動力。

1781年，瓦特公司的雇員威廉?默多克（William Murdoch）發(fā)明了一種稱為“太陽與行星”的曲柄齒輪傳動系統(tǒng)，并以瓦特的名義成功申請了專利。這一發(fā)明將蒸汽機的直線往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為圓周運動，極大地擴展了蒸汽機的應(yīng)用。

之后的6年里，瓦特又對蒸汽機作了一系列改進并取得了一系列專利：如自動調(diào)節(jié)蒸汽機運轉(zhuǎn)速度的離心式調(diào)速器（1788年）、壓力計（1790年）、計數(shù)器、示功器、節(jié)流閥以及許多其他儀器……所有這些革新結(jié)合到一起，使得瓦特的新型蒸汽機的效率是過去的紐科門蒸汽機的5倍。

瓦特蒸汽機

自瓦特改進蒸汽機起，蒸汽機不僅在采礦業(yè)中得到廣泛應(yīng)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。

而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，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。此后，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(yīng)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。

蒸汽機的出現(xiàn)和改進大大促進了社會經(jīng)濟的發(fā)展，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。不能忘卻的是，蒸汽機結(jié)束了人類對畜力、風(fēng)力和水力的由來已久的依賴。這時，一個巨大的新能源已經(jīng)為人類所獲得，而且不久，人類還開發(fā)出倘藏在地球中的其他礦物燃料，即石油和燃氣。蒸汽機促進了第一次工業(yè)革命的產(chǎn)生，從而人類實現(xiàn)了由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)社會轉(zhuǎn)向現(xiàn)代工業(yè)社會的重要變革，譜寫了一段輝煌壯麗的發(fā)展史。

 

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工業(yè)曙光——蒸汽機

圖文簡介

蒸汽機是一個能夠?qū)⑺羝械膭幽苻D(zhuǎn)換為功的熱機，由于其中的燃燒過程在熱機外部進行，屬于熱機中的外燃機。