6.蒸汽機

奇跡概覽

蒸汽機是一種把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(xiàn)，曾引起了18世紀的工業(yè)革命。直到20世紀初，它依然是世界上最為重要的原動機。后來，它才漸漸地被讓位于內(nèi)燃機和汽輪機等。可以說，蒸汽機是工業(yè)革命的領頭羊，恩格斯在《自然辯證法》中對蒸汽機這樣評論道：“沒有蒸汽機的出現(xiàn)，就沒有人類近代工業(yè)文明。”由此可見，蒸汽機的發(fā)明對人類所做出的巨大貢獻。

⊙奇跡探秘：

1.蒸汽機的發(fā)明者是誰？是在什么時間發(fā)明的？

很多人認為，瓦特是蒸汽機的發(fā)明者，其實并非如此。他只是對當時已經(jīng)出現(xiàn)的蒸汽機做了一系列的重大改進，發(fā)明了單缸動式和雙缸動式蒸汽機，大大提高了蒸汽機的熱效率和運行的可靠性，對當時的社會生產(chǎn)力的發(fā)展做出了重大貢獻。

詹姆斯·瓦特（1736-1819），英國著名發(fā)明家、工業(yè)革命時期的重要人物、英國皇家學會會員、法蘭西科學院外籍院士。他出生于英國格拉斯哥的一個商人家庭。童年時代，他曾在文法學校讀過書，但他沒有受過系統(tǒng)的教育。在父親做工的工廠里，他學到了很多機械制造方面的知識。后來，他到了倫敦一家鐘表店做學徒。1763年，他到格拉斯大學工作，修理教學儀器。在大學里，他經(jīng)常與教授討論理論和技術問題。1765年，29歲的瓦特發(fā)明了帶有單獨冷凝器的蒸汽機，從此拉開了第一次工業(yè)革命的序幕。1781年，他制造了從兩邊推動活塞的雙動蒸汽機。1785年，他因改進蒸汽機的重大貢獻被選為皇家學會會員。1819年8月25日，他在靠近伯明翰的希斯菲德逝世。在他的訃告中有對他發(fā)明蒸汽機的贊頌：“它武裝了人類，使虛弱無力的雙手變得力大無窮，健全了人類的大腦以處理一切難題。它為機械動力在未來創(chuàng)造奇跡打下了堅實的基礎，將有助并報償后代的勞動。”

2.國際單位中，功率與電功率的單位是什么？為什么？

國際單位制的功率和電功率的單位都是瓦特，符號為W。1瓦特＝1焦耳/秒，也就是每秒鐘轉換、使用或耗散的能量（以焦耳為量度單位）的速率。在日常生活中，常以千瓦為單位，1千瓦＝1000瓦特。這一單位是紀念詹姆斯·瓦特對蒸汽機的發(fā)展做出的重大貢獻而以他的名字（James Watt）命名的。

走近奇跡

蒸汽機的發(fā)明，點燃了第一次“工業(yè)革命”的導火線。它的出現(xiàn)，可以說是歷史的必然。

16世紀末至17世紀的后期，英國的采礦業(yè)，特別是煤礦，已發(fā)展到了相當大的規(guī)模。所以，僅僅靠人力和畜力已經(jīng)很難再滿足排出礦井地下水的要求了，而礦井的周圍又有非常豐富而價廉的煤作為燃料。因為現(xiàn)實的需要，很多人開始致力于“以火力提水”的研究。

1690年，一位名叫巴比的法國人首先發(fā)明了第一臺活塞式蒸汽機，但這臺蒸汽機并沒有實用價值。1698年，英國的一位名為塞萊斯的技師發(fā)明了實用的無活塞式蒸汽機。這種機器在礦井中得到了廣泛的應用，還被稱為“礦山之友”，而且還獲得了專利。它依靠真空的吸力吸水，吸水的深度不能超過6米。為了把幾十米深的礦井里的水吸上來，必須要把提水機裝在礦井的深處，用比較高的蒸汽壓力才能把水壓到地面上來，這在當時是困難而又危險的。另外，因為受當時材料和技術的限制，沒有辦法大范圍地推廣這種蒸汽機。

1712年，一位名叫紐科門的毫無名氣的鐵器商發(fā)明了第一臺實用的蒸汽機。這種蒸汽機先是在英國，后來在歐洲得到迅速推廣，其改型產(chǎn)品直到19世紀初還在制造。但是，這種蒸汽機的熱效率很低，主要是因為蒸汽進入汽缸時，在剛被水冷卻過的汽缸壁上冷凝而損失掉很多熱量，所以，它只在煤價低廉的產(chǎn)煤區(qū)推廣。

1764年，當時還是一名儀器修理工的詹姆斯·瓦特在為格拉斯哥大學修理紐科門蒸汽機模型時，注意到了這個缺點。后來，他自籌資金，租了地下室，買了很多設備，經(jīng)過反復不懈的艱難的實驗，他終于在1765年發(fā)明了與汽缸分離的冷凝器，解決了制造精密汽缸、活塞的工藝問題，他還在汽缸外壁加裝了夾層，用蒸汽加熱汽缸壁，從而有效減少冷凝損失。這樣，他就制成了單動作蒸汽機。1769年，他取得了國家專利。

1782年，瓦特發(fā)明了具有連桿、飛輪和離心調速器的雙動作蒸汽機，這種蒸汽機實用價值更高。因為它的閥門可以利用蒸汽的壓力來推動活塞，既可向前又可向后，并借助連桿和飛輪把活塞的直線運動變成了圓周運動。為了保持蒸汽機勻速運轉，瓦特把一個離心調速器連接在進汽活門上，使其自動調節(jié)進汽量。他還設計了一個和汽缸分離的冷凝器，將高溫蒸汽從氣缸中導出并冷卻，使得主要汽缸能保持一定溫度。同時，他提高了汽缸的精密度，把活塞和閥門也做得光滑、嚴密。他的思路原理非常新穎，效率也高得驚人。

瓦特的創(chuàng)造性工作使蒸汽機得到了迅速發(fā)展，使原來只能提水的機器成了可以普遍應用的蒸汽機，并使蒸汽機的熱效率成倍提高，煤耗也大大地下降。也就是說，瓦特發(fā)明了現(xiàn)代意義上的蒸汽機。

從18世紀晚期起，蒸汽機不僅廣泛應用于采礦業(yè)，而且還推廣到冶煉、紡織、機器制造等行業(yè)和領域。蒸汽機的使用使得英國的紡織品產(chǎn)量在1766年到1789年的20多年內(nèi)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。

1776年，在船舶上采用蒸汽機作為推進動力的實驗開始了。經(jīng)過不斷地改進，1807年，美國的富爾頓制成了第一艘實用的蒸汽機船“克萊蒙”號。從此以后，蒸汽機在船舶上作為推進動力達100多年。

1800年，英國的特里維希克設計了一種高壓蒸汽機，這種機器可以安裝在較大車體上。1803年，他把它用來推動在一條環(huán)形軌道上開動的機車，這就是機車的雛型。后來，史蒂芬遜不斷改進機車，1829年創(chuàng)造了“火箭”號蒸汽機車，時速達46千米/時，開創(chuàng)了鐵路時代。

19世紀末，電力應用興起，電站中的主要動力機械就是蒸汽機。20世紀初，蒸汽機的發(fā)展達到了頂峰。當時的蒸汽機具有恒扭矩、可變速、可逆轉、運行可靠、制造和維修方便等優(yōu)點，被廣泛用于電站、工廠、機車和船舶等各個領域。尤其值得一提的是，蒸汽機在軍艦上成了當時唯一的原動機。

正是因為蒸汽機的發(fā)明，為工業(yè)大生產(chǎn)提供了強大的動力，從而使得人類社會的生產(chǎn)力得到迅猛的發(fā)展。

⊙奇跡探秘：

3.世界上第一臺蒸汽機是什么？

人類對蒸汽的認識和利用，經(jīng)歷了一個漫長的歷史過程。實際上，世界上第一臺蒸汽機在公元1世紀就產(chǎn)生了，它就是古希臘數(shù)學家羅希發(fā)明的，但是它僅僅是一個玩具而已。約在1679年，法國物理學家家丹尼斯·巴本制造了第一臺蒸汽機的工作模型。

相關鏈接

【蒸汽機的構造】

簡單蒸汽機主要由汽缸、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的。從鍋爐來的新蒸汽，經(jīng)過主汽閥和節(jié)流閥進入滑閥室，因為受滑閥的控制，所以會交替地進入汽缸的左側或右側，從而推動活塞運動。

知識百科

【工業(yè)革命】

工業(yè)革命又稱產(chǎn)業(yè)革命，指資本主義工業(yè)化的早期歷程，即資本主義生產(chǎn)完成了從工場手工業(yè)向機器大工業(yè)過渡的階段。工業(yè)革命是以機器生產(chǎn)逐步取代手工勞動，以大規(guī)模工廠化生產(chǎn)取代個體工廠手工生產(chǎn)的一場生產(chǎn)與科技革命。工業(yè)革命是資本主義經(jīng)濟發(fā)展的客觀要求所決定的。工業(yè)革命在18世紀60年代開始于英國，首先從棉紡織業(yè)開始，逐步發(fā)展到采礦、冶金、機器制造、運輸?shù)炔块T。

18世紀80年代，因蒸汽機的使用而得到進一步發(fā)展。到19世紀上半葉，英國工業(yè)革命基本完成。法、德、美等國也于19世紀完成了工業(yè)革命。工業(yè)革命使人類跨入了機器時代，帶來了生產(chǎn)力的巨大發(fā)展，以及社會階級結構的變化，形成了近代工業(yè)資產(chǎn)階級和無產(chǎn)階級兩大對立階級；拉大了東西方社會進步的距離，并把世界納入了資本主義的商品經(jīng)濟體系。

7.內(nèi)燃機

奇跡概覽

內(nèi)燃機是相對蒸汽機而言的，蒸汽機是通過外部加熱里面的水，形成蒸汽而膨脹，從而推動活塞往返，形成動力。而內(nèi)燃機則是由燃料直接在氣缸里燃燒膨脹推動活塞往返，進而形成動力。內(nèi)燃機包括往復活塞式內(nèi)燃機、自由活塞式發(fā)動機和噴氣式發(fā)動機等。不過，人們通常所說的內(nèi)燃機是指活塞式內(nèi)燃機，常見的有柴油機和汽油機。內(nèi)燃機具有許多優(yōu)點，如體積小、質量輕、方便移動、熱效率高等。

⊙奇跡探秘：

1.世界上第一臺內(nèi)燃機的發(fā)明者是誰？是在哪一年發(fā)明的？

目前，全世界各種類型的汽車、拖拉機和輪船以及農(nóng)業(yè)機械、工程機械等都以內(nèi)燃機為動力。內(nèi)燃機在人類活動中占有非常重要的地位。內(nèi)燃機的作用如此之大，那么世界上第一臺內(nèi)燃機是誰發(fā)明出來的呢？它是由一個名叫艾蒂安·勒努瓦的法國科學家模仿蒸汽機的結構設計制造出的，這臺內(nèi)燃機是以后生產(chǎn)的無數(shù)內(nèi)燃機的“祖爺爺”。

艾蒂安·勒努瓦（1822-1900），法國發(fā)明家，出生于比利時。他非常勤奮好學，善于創(chuàng)新，一生中取得了多項發(fā)明成就。其中，最為出名的是他在1869年發(fā)明了世界上第一臺實用的內(nèi)燃機。這是一臺用電點火、使用照明煤氣為燃料的內(nèi)燃機，它的基本結構與當時的蒸汽機相差不多。盡管這臺內(nèi)燃機的熱效率僅僅為4%左右，但是卻預示著內(nèi)燃機時代的到來。

走近奇跡

瓦特發(fā)明的蒸汽機，這是具有劃時代意義的偉大發(fā)明，它推動了第一次工業(yè)革命的迅猛發(fā)展。但是隨著工業(yè)的發(fā)展，蒸汽機的弊端日益顯現(xiàn)，蒸汽機本身有難以克服的缺點。如蒸汽機很笨重；操縱復雜；啟動慢，不能隨意停止；鍋爐容易爆炸，危險性大；并且鍋爐的燃燒需有經(jīng)驗的人專門看管。

其中蒸汽機更大的缺點是熱效率低，一般只有 5%-8%，最好的也不超過10%-13%。這是由于蒸汽機的鍋爐和汽缸是分離的，鍋爐在外面燃燒，熱量損失較大，因此蒸汽機的效率難以提高。于是，人們開始研究把蒸汽機的鍋爐和汽缸合并起來，燃料在外面燃燒改為在內(nèi)部燃燒，利用燃燒后的煙氣直接推動活塞運動，這就是內(nèi)燃機。

隨著科學探索的發(fā)展，人們提出了各種各樣的內(nèi)燃機方案，但是仍沒有人發(fā)明出內(nèi)燃機來。直到1860年，法國發(fā)明家勒努瓦發(fā)明了第一臺實用的內(nèi)燃機。它以煤氣為燃料，但這種最初的內(nèi)燃機燃料消耗量很大，效率低。

1862年，一位名叫羅沙的法國科學家對內(nèi)燃機熱力過程進行理論分析之后，提出提高內(nèi)燃機效率的要求，這就是最早的四沖程工作循環(huán)。

1876年，經(jīng)商出身的德國發(fā)明家尼古拉·奧古斯特·奧托（1832-1891）一次偶然在報紙上看到關于改進勒努瓦內(nèi)燃機的報道，非常高興。在此之前，奧托一直在關注內(nèi)燃機的研制情況。作為商人，他從蒸汽機的廣泛應用中看到了內(nèi)燃機的發(fā)展前途。奧托仔細研究羅沙的原理，憑著堅強的意志，終于試驗成功了第一臺往復活塞式、單缸、臥式的四沖程內(nèi)燃機，但仍以煤氣為燃料，采用火焰點火，熱效率達到14%。在當時，無論是功率還是熱效率，它都是最高的。