蒸汽机原理

从1765年到1790年，他进行 了一系列发明，比如分离式 冷凝器、汽缸外设置绝热层、 用油润滑活塞、行星式齿轮、 平行运动连杆机构、离心式 调速器、节气阀、压力计等 等，使蒸汽机的效率提高到 原来纽科门机的3倍多，最终 发明出了现代意义上的蒸汽 机。
蒸汽机模型 ,还原工作原理,全玻璃制作
典型蒸汽机原理
在蒸汽机车中，十字头通常与传动杆相连，从那里连到联杆，由联杆驱动机车 的轮子。结构通常如下所示：
主要是一个汽缸，汽缸运动到右侧末端时，打
开右侧进气阀向汽缸右侧冲高压水蒸汽，打开左侧 排气阀，高压水蒸汽推动活塞向左运动，运动最左 端时，打开左侧进气阀关闭右侧排气阀，向汽缸左 侧冲高压水蒸汽，使汽缸活塞向右运动。将汽缸活 塞的往复运动通过联杆滑块曲轴转化为旋转运动。 各阀门的开关也是通过联杆滑块带动滑阀进行的。
各种热机的效率
液体燃料火箭 48%
汽油机
25%
柴油机 蒸汽机
37%
8%
卡诺热机原理
1824 年法国的年青工程师卡诺提出一个工作 在两热源之间的理想循环—卡诺循环. 给出了热机 效率的理论极限值; 他还提出了著名的卡诺定理.
卡诺循环是由两个准静态等温过程和两个准静
态绝热过程组成 .
p
蒸汽机的发展与贡献
蒸汽机的发展首先体现在功率和效率的提高， 而这又主要取决于蒸汽参数的提高。初期蒸汽机的 蒸汽压力仅为0.11～0.13兆帕，19世纪初才达到 0.35～0.7兆帕，20世纪20年代曾用到6～10兆帕。 在蒸汽温度上，19世纪末还不超过250℃，而到20 世纪30年代曾用到450～480℃。
T1 T2
p2
T1 B
p4
W
D
p3
Q2 T2
C
V
o V1 V4
V2 V3
m Q2 W3 M RT2 ln
DA绝热压缩过程：Q
V4
V3
0
W4
E
m M
CV ,m (T1
T2 )
W 1 Q2
Q1
Q1
1 T2 ln V3 V4
T1 ln V2 V1
W 1 Q2 1 T2 ln V3 V4
热源的温度有关，两热源的温差越大，则卡诺 循环的效率越高 .
例如，设蒸汽机锅炉的温度为230℃，冷 却器温度为30℃，如果把它看作是理想气 体准静态过程的卡诺循环，其效率为
W 1 Q2 1 303 40%
Q1
Q1
503
实际上，由于各种损耗，其效率远比此值低， 实际蒸汽机效率只有12%~15%左右。
VA
VB
1.热机和热机效率
pA
c
W
d
B
o VA
VB V
热机（正循环）W 0
高温热源
Q1
热机
W
Q2
低温热源
热机效率 W Q1 Q2 1 Q2
Q1
Q1
Q1
第二节小结
1698年萨维利和1705年纽可门先后发明了蒸汽 机 ，当时蒸汽机的效率极低 .1765年瓦特进行了 重大改进 ，大大提高了效率 。但是典型蒸汽机 作为现代蒸汽机的雏形，效率低下。人们一直在 为提高热机的效率而努力，从理论上研究热机效 率问题，一方面指明了提高效率的方向，另一方 面也推动了热学理论的发展 .
蒸汽机原理
毛俊
铁路蒸汽机
目录
蒸汽机简介 典型蒸汽机原理 卡诺热机原理 蒸汽机的发展与贡献
蒸汽机简介
蒸汽机是将蒸汽的能量 转换为机械功的往复式 动力机械。蒸汽机的出 现曾引起了18世纪的工 业革命。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。
卡特
高中课本上说蒸汽机是瓦特在烧水的 时候看到水蒸气顶开瓶盖得到灵感发 明的，这并不是正确的。 1807年罗伯特·富尔顿第一个成功地 用蒸汽机来驱动轮船。瓦特并不是蒸 汽机的发明者，在他之前，早就出现 了蒸汽机，即纽科门蒸汽机，但它的 耗煤量大、效率低。瓦特运用科学理 论，逐渐发现了这种蒸汽机的毛病所 在。
下面的示意图展示了活塞式蒸汽机的主要部件。这是用在蒸汽机车 中的典型蒸汽机。
你在上图中可以看到废蒸汽被简单地排 放到了空气中。这就解释了关于蒸汽机 车的两件事： 1、它解释了为什么蒸汽机车需要在车 站加水——随着蒸汽的消耗，水不断地 在损失。 2、它解释了火车“呼哧”声的来源。 当阀门打开汽缸释放废蒸汽时，蒸汽以 很大的压力冲出来而产生“哧”的声音。 当火车刚启动的时候，活塞移动得很慢， 而后火车开始变快，活塞运动也在加快。 这就产生了我们在火车启动时常常听到 的效果：“呼…哧…呼哧…哧哧哧”。
循环过程
1.定义： 系统经历一系列的变化过程又回到初 始状态的过程。
2.特征：经历一个循环过程后内能不变，即ΔE=0。 3.P—V图：
AaB为膨胀过程：Wa
A
BbA为压缩过程：-Wb PA
a
结论净：功在：任W何 一Wa个循Wb环过 PB
程中，系统所作的净功在
b
B
数值上等于P-V图上循环
曲线所包围的面积。
Q1
Q1
T1 ln V2 V1
T1V2 1 T2V3 1
T1V1 1 T2V4 1
V2 V3 V1 V4
p
p1 A Q1
T1 T2
p2
T1 B
p4
W
D
p3
Q2 T2
C
V
o V1 V4
V2 V3
卡诺循环效率： W 1 Q2 1 T2
Q1
Q1
T1
卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个
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。
至于效率，瓦特初期连续运转的蒸汽机，按燃 料热值计总效率不超过3％；到1840年，最好的凝汽 式蒸汽机总效率可达8％；到20世纪，蒸汽机最高效 率可达到20％以上。
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。
p1 A
T1 T2
p2
T1 B
p4
W
DБайду номын сангаас
p3
T2
o V1 V4
V2
C
V V3
高温热源 T1 Q1
卡诺热机 W
Q2 低温热源 T2
卡诺热机
AB等温膨胀过程： E 0
Q1
W1
m M
RT1 ln
V2 V1
BC绝热膨胀过程： Q 0
W2
E
m M
CV ,m (T2
T1)
CD等温压缩过程：E 0
p
p1 A Q1