蒸汽机的原理

蒸汽机的原理

蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械。原理是将水蒸气中的动能转换为功，由于其中的燃烧过程在热机外部进行，属于热机中的外燃机。蒸汽机的主要功能是将热能转化为机械能，为机械提供动力。蒸汽机主要由汽缸、底座、活塞、曲柄连杆机构、滑阀配汽机构、调速机构和飞轮等部分组成。

蒸汽机的出现曾引起了18世纪的工业革命，在工业革命中起了基本的作用。直到20世纪初，它仍然是世界上最重要的原动机，后来才逐渐让位于内燃机和汽轮机等。蒸汽机需要一个使水沸腾产生高压蒸汽的锅炉（在该演示实验中使用空气压缩机替代高压蒸汽锅炉），这个锅炉可以使用木头、煤、石油或天然气甚至垃圾作为热源。蒸汽膨胀推动活塞做功。早期的蒸汽机使用蒸汽凝结时产生的真空来做功，后来的则使用蒸汽膨胀来做功。

图a. 蒸汽机构件示意图

以下是蒸汽机的工作原理：蒸汽推动活塞做往复运动，活塞通过连杆、摇杆、曲柄将往复直线运动转变为圆周运动。蒸汽机中滑动阀门由偏心轮和连杆来控制。当活塞向右运动时偏心轮带动连杆推动滑动阀向左运动，当活塞运动到最左端时滑动阀挡住左侧进气口，使蒸汽不能进入左侧气缸。当滑动阀向右运动同时滑块下方连接排气口，左侧低温气体由滑动阀下腔进入排气口排出。滑动阀运动到最左端后左侧排气口关闭，进气口打开，高温高压蒸汽进入右侧气缸，推动活塞向右运动，同时滑动阀在偏心轮的带动下向右运动，打开左侧排气道。当活塞运动到最左端时，右侧进气道关闭，左侧排气口打开……如此往复，蒸汽不断推动活塞带动轮转动，蒸汽的内能转变为飞轮的动能对外做功，用皮带将机械与外边的皮带轮链接，就能利用蒸汽机实现工业生产。

蒸汽机的出现和改进促进了社会经济的发展，但同时经济的发展反过来又向蒸汽机提出了更高的要求，如要求蒸汽机功率大、效率高、重量轻、尺寸小等。尽管人们对蒸汽机作过许多改进，不断扩大它的使用范围和改善它的性能，但是随着汽轮机和内燃机的发展，蒸汽机因存在不可克服的弱点而逐渐衰落。

蒸汽机的弱点是：离不开锅炉，整个装置既笨重又庞大；新蒸汽的压力和温度不能过高，排气压力不能过低，热效率难以提高；它是一种往复式机器，惯性力限制了转速的提高；工作过程是不连续的，蒸汽的流量受到限制，也就限制了功率的提高。

蒸汽机的出现，推动了社会的发展，将人类带入机械化时代，虽然现在已经被淘汰，但是蒸汽机上面的很多零件如气缸、活塞、飞轮、阀门和密封件等构成了现代机械的基本组件，因此，蒸汽机的出现具有划时代的意义。

蒸汽机物理演示实验：

实验介绍：蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械。蒸汽机的主要功能是将热能转化为机械能，为机械提供动力。蒸汽机主要由汽缸、底座、活塞、曲柄连杆机构、滑阀配汽机构、调速机构和飞轮等部分组成。

实验原理：原理是：蒸汽机将水蒸气中的动能转换为功，由于其中的燃烧过程在热机外部进行，属于热机中的外燃机；锅炉中的水沸腾产生高压蒸汽，蒸汽膨胀推动活塞做功，在该本演示实验中使用空气压缩机替代高压蒸汽锅炉。早期的蒸汽机使用蒸汽凝结时产生的真空来做功，后来的则使用蒸汽膨胀来做功。蒸汽推动活塞做往复运动，活塞通过连杆、摇杆、曲柄将往复直线运动转变为圆周运动。蒸汽机中滑动阀门由偏心轮和连杆来控制。当活塞向右运动时偏心轮带动连杆推动滑动阀向·左运动，当活塞运动到最左端时滑动阀挡住左侧进气口，使蒸汽不能进入左侧气缸。当滑动阀向右运动同时滑块下方连接排气口，左侧低温气体由滑动阀下腔进入排气口排出。滑动阀运动到最左端后左侧排气口关闭，进气口打开，高温高压蒸汽进入右侧气缸，推动活塞向右运动，同时滑动阀在偏心轮的带动下向右运动，打开左侧排气道。当活塞运动到最左端时，右侧进气道关闭，左侧排气口打开……如此往复，蒸汽不断推动活塞带动轮转动，蒸汽的内能转变为飞轮的动能对外做功，用皮带将机械与外边的皮带轮链接，就能利用蒸汽机实现工业生产。

实验过程：打开空气压缩机，轻轻推动曲柄，等待活塞运动，观察实验现象。