蒸汽機是將蒸汽的能量轉換為機械功的往復式動力機械。蒸汽機的出現曾引起了第一次工業革命。直到20世紀初，它仍然是世界上最重要的原動機，后來不僅逐漸讓位于內燃機和汽輪機，在工業設備領域還被電動機所取代。
18世紀工業革命的標志是蒸汽機的出現。蒸汽機提供了治理和利用熱能、為機械供給推動力的手段，并適宜于大批量生產和制造，使人類擺脫了畜力、風力和水力等自然動力的制約，人們可以根據自己的意愿選擇地點組織大規模的工業生產。
發明歷史
世界上第一臺蒸汽機的雛形為古希臘數學家希羅（Hero of Alexandria）于1世紀發明的汽轉球（Aeolipile）。該裝置通過蒸汽噴射產生的反作用力驅動旋轉，體現了將熱能轉化為機械能的基本原理。
1690年，法國人巴本(Denis PaPin，公元1647-1712)發明了第一臺活塞式蒸汽機，他先使汽缸中產生蒸汽，推動活塞上升到頂端，然后使汽缸冷卻，活塞在大氣壓力作用下下降，于是帶動抽水機運轉，用于排除礦井積水，推進船只等，盡管巴本的活塞式蒸汽機只是一種實驗性。
1698年，英國皇家工程隊的軍事工程師托馬斯·塞維利(Tho-mas Savery，公元1650-1715)制造了個蒸汽抽水機，它是由一個汽缸和三根管子組成的，一根管子伸進礦井水里，還有一根管子通向排水口。它的工作原理是：先讓蒸汽通入汽缸，然后使之冷卻，致使汽缸內形成部分真空，把水吸上來，然后再排走。塞維利機雖然存在著不可克服的困難，但它是人類歷史上可以實際應用的第一部蒸汽機。1698年，他取得標名為“礦工之友”的英國專利。
1705年，英國鉗工和鐵匠紐可門( Thomas Newe-comen，公元1663-1729)綜合了托馬斯·塞維利和巴本機的優點，發明了空氣蒸汽機，它的工作原理是：把低壓的蒸汽先引進汽缸，隨后關閉閥門，然后噴灑少量水使其冷卻，使汽缸內形成局部真空，使大氣壓力作用于活塞，活塞的運動通過礦井中連接深入豎井的桿傳遞給泵的活塞，進而帶動抽水泵排水。這是一個廣義上的把熱變為機械功的原動機。但它耗煤量大、效率低，而且只能作往復直線運動。英國工程師斯米頓 (John Smeaton，公元1724 -1792)對紐可門機進行了全面研究和改進，他改進了鍋爐和點火燃燒的方法，使紐可門機的效率幾乎提高了一倍。然而由于把汽缸又用作凝汽器造成熱的大量浪費，它的效率仍很低，只有1%左右，且僅在煤價低廉的產煤區才得到推廣。
格拉斯哥大學的儀器修理工瓦特(James Watt,公元1736-1819)，對紐可門機進行了根本性變革。瓦特在修理一部紐可門機模型時，他發現紐可門機為了產生真空，每一沖程都要將汽缸冷卻一次造成熱量的巨大損失，這正是機器效率很低的原因。瓦特運用科學理論，逐漸發現了這種蒸汽機的毛病所在，于1765年發明了把冷凝過程從汽缸中分離出來的分離式冷凝器。1768年制成了一臺單動作蒸汽機（活塞單方向推動做功），并于1769年取得了英國的專利。為了減少熱量損耗，瓦特想出把主汽缸始終保持在同一高溫上，而用另一個冷卻器來冷卻蒸汽，這樣就不會因為冷卻汽缸而損失能量。
當時瓦特和化學教授約瑟夫·布萊克（JosephBlack，公元1728-1799）同在一所大學工作，在布萊克的幫助下，瓦特終于在1765年研制成了分離冷凝器，制成了一臺“單動式蒸汽機”。這對于蒸汽發動機的發展起了關鍵性的作用，此時蒸汽機的效率已達到3%。1782年瓦特又將發動機從單動變為雙動，可將汽缸的功率提高一倍。瓦特利用蒸汽的膨脹作用，使活塞在運動到一半時就停止送入蒸汽，又大大節省了蒸汽消耗。1787年，瓦特又安裝了離心式調速器，以保證發動機速度相對穩定。這樣瓦特的雙動旋轉式蒸汽機已達到了近代水平。
蒸汽機很快被應用到許多工業部門，1769年尼古拉·居紐首次用他的“蒸汽車”展示了自動的蒸汽車的可行性。這輛車可以說是現代意義上的第一輛汽車。這輛車作為運輸工具不太有用，但用來拖農具卻很不錯。1785年被用于紡織工業，1807年被用于輪船，1825年被應用于火車和鐵路。
世界上第一列蒸汽機火車是1804年2月21日特里維西克在北威爾士展示的。
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，英國的特里維希克設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形軌道上開動的機車，找來喜歡新奇玩意兒的人乘坐，這就是機車的雛型。英國的喬治·史蒂芬遜將機車不斷改進，于1829年創造了“火箭”號蒸汽機車，該機車曾拖帶一節載有30位乘客的車廂，時速達46公里/時，引起了各國的重視，開創了鐵路時代。
在轉速方面，18世紀末瓦特蒸汽機僅40～50轉／分；20世紀初轉速達到100～300轉/分，個別蒸汽機曾達到2500轉/分。
十九世紀初，法國工程師薩迪·卡諾（Carnot，1796—1832）研究了蒸汽機的熱力學原理，提出著名的卡諾循環，考察了熱一功轉化關系。
至于效率，瓦特初期連續運轉的蒸汽機，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。
蒸汽機的發展首先體現在功率和效率的提高，而這又主要取決于蒸汽參數的提高。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℃。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。
1900年，紐約曾有單機功率達五兆瓦的蒸汽機電站。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。
蒸汽機的發展在20世紀初達到了頂峰。它具有恒扭矩、可變速、可逆轉、運行可靠、制造和維修方便等優點，因此曾被廣泛用于電站、工廠、機車和船舶等各個領域中，特別在軍艦上成了當時唯一的原動機。
構造與原理
構造
蒸汽機主要由汽缸、底座、活塞、曲柄連桿機構、滑閥配汽機構、調速機構和飛輪等部分組成。汽缸和底座是靜止部分。
工作原理
在蒸汽鍋爐中，通過燃燒過程水沸騰為蒸汽。作為外燃機，蒸汽機需要一個通過外部燃料燃燒使水沸騰產生高壓蒸汽的鍋爐，這個鍋爐可以使用木頭、煤、石油或天然氣甚至可燃垃圾作為熱源。通過管道蒸汽被送到汽缸。閥門控制蒸汽到達汽缸的時間，經主汽閥和節流閥進入滑閥室。受滑閥控制交替地進入汽缸的左側或右側，推動活塞運動。蒸汽在汽缸內推動活塞做功，冷卻的蒸汽通過管道被引人冷凝器重新凝結為水。這個過程在蒸汽機運動時不斷重復。一般的蒸汽機有三個汽缸組成一個組。蒸汽機直接將活塞的上下運動轉化為軸的旋轉運動。現在新造的蒸汽機中還包含了一個小的渦輪機，從汽缸中出來的蒸汽還可以利用它的余熱在推動這個渦輪機來提高整個驅動裝置的效率。這個渦輪機也與船的螺旋槳軸相連。
蒸汽機分類
按蒸汽工作的方式分類
(1）單動式蒸汽機——如果蒸汽只從汽缸的一側進入，我只從一隨推動活塞（通常是從汽缸蓋側），另一側則保持滿大氣相通，這樣的蒸汽機稱為單動式蒸汽機。
(2）雙動式蒸汽機—如圖1所示，作為帶壓蒸汽技術被發明后的下一個重要改進，其采用雙動活塞設計，汽缸左側進汽時右側排汽，而當右側進汽時左側則排汽。帶壓蒸汽在一個汽缸壓力降低到普通大氣壓或在其凝結過程中可以推動另一個汽缸，因此不管活塞往右或往左移動時，都有蒸汽推動活塞工作，所以稱為雙動式蒸汽機。
按蒸汽的性質分類
（1）用飽和蒸汽的蒸汽機—進入蒸汽機的蒸汽是直接從鍋燃中引出的濕蒸汽，或是由另外的蒸汽原動機中排出的已作過一部分功的乏汽。現在這一種蒸汽機巳少見了。
(2)用過熱蒸汽的蒸汽機——進入汽機的蒸汽是經過鍋爐過熱器后再引進來的。這一種蒸汽機在多汽缸式蒸汽帆中是常見的。現代蒸汽機可采用的過熱蒸汽的溫度甚至達500℃。因為新蒸汽溫度越高，它所舍的熱量也越多，蒸汽在汽缸中作的功也越多。所以使用過熱蒸汽的蒸汽機比工作容量相同而使用飽和蒸汽的蒸汽機的尺寸要小的多。
按照乏汽處理的方式分類
(1)排汽式蒸汽機——工作后的乏汽直接排到大氣中，這種蒸汽機的效率較低。
(2)凝汽式蒸汽鞏——工作后的乏汽引入凝汽器中，使蒸汽和冶卻水相遇趕結為水，然后再排出凝汽器。這樣，蒸汽帆的效率就可以提高很多。
按汽缸的數目和排列的方式分類
(1)單汽缸式蒸汽機——容量較小的蒸汽機常屬這種型式。單缸式蒸汽機按汽缸排列的方向又可分為臥式和立式兩種。
(2)多汽缸式蒸汽機——兩個以上的汽缸排列在一起，．所有的汽缸共用一根主軸。最簡單的多汽缸蒸汽機是由幾個愾缸組成的，每個汽缸都進入新蒸汽，這些汽缸通常是排成一列的。這種蒸汽機又稱為單膨脹式多汽缸蒸汽機。隨著蒸汽參數和功率的提高，蒸汽已不可能在一個汽缸中繼續膨脹，還必須在相連接的汽缸中繼續膨脹，于是出現了多級膨脹的蒸汽機，多汽缸蒸汽機也可以作成多級膨脹的型式，如復膨脹、三膨脹和四膨脹式蒸汽機。
按照配汽的方式分類
（1）滑間式蒸汽機—-由滑閥控制蒸汽的流入或排出。
（2）提開式蒸汽機———進汽和排汽各用一個上下移動的開門來控制。此外，每分鐘轉速在150轉以下的蒸汽機稱為低速蒸汽機；轉數較高的稱為高速蒸汽機（通常的轉數為每分鐘300-1400轉，最快的可達1500—3000轉）。
大多數蒸汽機的蒸汽壓力為10～20個大氣壓，通常稱為中壓蒸汽機；蒸汽壓力高于25個大氣壓的稱為高壓蒸汽機。
特性
優點
設備簡單，工作可靠，反轉方便，轉速、功率變動范圍大，能燒劣等燃料。
缺點
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（效率低）；慣性限制了轉速的提高（速度不能太高）；工作過程不連續，蒸汽流量受限，限制了功率的提高（功率低）；振動沖擊大。
應用與意義
應用
蒸汽機的應用從礦山排水發展到交通運輸、冶金、機械、化工、紡織等一系列工業領域。它使英國的紡織品產量在20多年內增長了5倍，為市場提供了大量消費商品，使社會生產力以前所未有的速度和規模發展，并形成了以蒸汽機的廣泛使用為主要標志的技術革命。
意義
蒸汽機的歷史意義在于它提供了治理和利用熱能、為機械供給推動力的手段，并適宜于大批量生產和制造，使人類擺脫了畜力、風力和水力等自然動力的制約，人們可以根據自己的意愿選擇地點組織大規模的工業生產。蒸汽機在紡織工業、采礦工業、冶金工業、運輸工具、通信聯絡等方面的廣泛應用以及行業之間的相互促進，使生產力出現了令人驚嘆的進展。
蒸汽機有很大的歷史作用，它曾推動了機械工業甚至社會的發展，解決了大機器生產中最關鍵的問題，推動了交通運輸空前的進步。隨著它的發展而建立的熱力學和機構學為汽輪機和內燃機的發展奠定了基礎；汽輪機繼承了蒸汽機以蒸汽為工質的特點，和采用凝汽器以降低排汽壓力的優點，摒棄了往復運動和間斷進汽的缺點；內燃機繼承了蒸汽機的基本結構和傳動形式，采用了將燃油直接輸入汽缸內燃燒的方式，形成了熱效率高得多的熱力循環；同時，蒸汽機所采用的汽缸、活塞、飛輪、流星錘調速器，閥門和密封件等，均是構成多種現代機械的基本元件。
參考資料 >
一分鐘科普 | 揭秘蒸汽機的前世今生.微信公眾平臺.2025-05-10