知識導航
汽車每天都在路上飛馳而過，有沒有想過汽車開動的能量從哪裡來呢？按照能量守衡定律，其實很簡單，就是將汽油燃燒的能量轉化為汽車的動能，那麼又是什麼東西實現了這個能量的轉化呢？那就是它的「心臟」——發動機。其實現在使用的發動機，就是由蒸汽機改進發展而來的，從蒸汽機到外燃機然後發展成今天的內燃機。
英國發明家瓦特
世界上第一臺蒸汽機出現於1世紀，其實它只是古希臘數學家希羅發明的汽轉球玩具而已，直到法國物理學家丹尼斯·巴本，於1679在觀察蒸汽逃離他的高壓鍋後製造了第一臺蒸汽機的工作模型。瓦特並不是蒸汽機的發明者，在他之前，早就出現了蒸汽機。紐可門於1705年獨立發明了紐科門蒸汽機，但它的耗煤量大、效率低。瓦特運用科學理論，逐漸發現了這種蒸汽機的毛病所在。從1765年到1790年，他進行了一系列發明，比如分離式冷凝器、汽缸外設置絕熱層、用油潤滑活塞、行星式齒輪、平行運動連杆機構、離心式調速器、節氣閥、壓力計等等，使蒸汽機的效率提高到原來紐科門機的3倍多，最終發明出了現代意義上的蒸汽機。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18世紀的工業革命。直到20世紀初，它仍然是世界上最重要的原動機，後來才逐漸讓位於內燃機和汽輪機等。
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工業革命
工業革命又稱產業革命，18世紀中葉起源於英國，隨後向英國以至整個歐洲大陸傳播，19世紀傳到北美。工業革命是資本主義發展史上的一個重要階段，實現了從傳統農業社會轉向現代工業社會的重要變化是一場技術的變革科技的變革，它使機器代替了手工勞動，工業革命同時也是一場深刻的社會關係的變革，它使社會明顯地分裂為兩大對立的階級──工業資產階級和工業無產階級。工業革命是由資本主義經濟發展的客觀要求所決定，以瓦特改良的蒸汽機作為標誌。蒸汽機、煤炭、鋼鐵是促成工業革命技術加速發展的三項主要因素，工業革命都是以輕工業開始，向其他部門發展。工業革命影響涉及人類社會生活的各個方面，使人類社會發生了巨大的變革，對推動人類的現代化進程起到了不可替代的作用，把人類推向了嶄新的「蒸汽時代」。
蒸汽機發明出來以後，還是有很多的問題，比如工率太低，消耗煤的量太大等。在後來的使用過程中，瓦特在伯明罕進行了第一個巨大的改善就是：將氣缸與凝結缸通過一個閥門分開，這個改進提高了蒸汽機的效率，緊接著將閥門的操作自動化，就是這麼一個小小的改動使蒸汽機迅速地發展，他使原來只能提水的機械，成為了可以普遍應用的蒸汽機，並使蒸汽機的熱效率成倍提高，煤耗大大下降，蒸汽機不僅在採礦業中得到廣泛應用，在冶煉、紡織、機器製造等行業中也都獲得迅速推廣。瓦特就是蒸汽機的改良者。
瓦特改良的蒸汽機
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蒸汽機最早用來做什麼
其實它是在16世紀末到17世紀後期，英國的採礦業，特別是煤礦，已發展到相當的規模，單靠人力、畜力已難以滿足排除礦井地下水的要求，而現場又有豐富而廉價的煤作為燃料，現實的需要促使許多人，如英國的帕潘、薩弗裡、紐科門等致力於「以火力提水」的探索和試驗，最初的真空蒸汽機被用來將礦井裡的水抽出來。
直到1698年託馬斯·塞維利、1712年託馬斯·紐科門和1769年詹姆斯·瓦特製造了早期的工業蒸汽機，他們對蒸汽機的發展都做出了自己的貢獻。1807年羅伯特·富爾頓第一個成功地用蒸汽機來驅動輪船。
經濟的發展和生產力的提高，為市場提供了大量消費的商品，加速了資金的積累，並對運輸業提出了迫切要求。1807年，一個叫富爾頓的美國人，製成了第一艘實用的明輪推進的蒸汽機船「克萊蒙」號，從此以後蒸汽機在船舶上作為推進動力歷百餘年之久，促進了海上貿易的發展，為人類的商業活動進一步擴大了範圍。在陸路交通方面，英國的史蒂芬孫率先取得了突破性成果，1814年，他研製的第一輛蒸汽機車「布拉策號」試運行成功。1825年9月27日，史蒂芬孫親自駕駛他同別人合作設計製造的「旅行者號」蒸汽機車在新鋪設的鐵路上試車，並獲得成功。蒸汽機在交通運輸業中的應用，使人類邁入了「火車時代」，迅速地擴大了人類的活動範圍。
史蒂芬孫發明的蒸汽機車
蒸汽機如此的偉大，在工業革命中起了基本的作用，那麼它是如何工作的呢？蒸汽機是一個能夠將蒸汽中的動能轉換為功的熱機。蒸汽機需要一個使水沸騰產生高壓蒸汽的鍋爐，這個鍋爐可以使用木頭、煤、石油或天然氣甚至垃圾作為熱源，蒸汽膨脹推動活塞做功，但是這種蒸汽機比較危險，鍋爐和機器的爆炸造成了許多大事故，安全閥在這裡帶來了很大的改進，在壓力過高的情況下安全閥放氣減壓。現代蒸汽機的最大優點是它幾乎可以利用所有的燃料將熱能轉化為機械能，像內燃機那樣對其燃料不挑剔。蒸汽機的弱點是：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；它是一種往復式機器，慣性力限制了轉速的提高；工作過程是不連續的，蒸汽的流量受到限制，也就限制了功率的提高。蒸汽機按蒸汽在活塞一側或兩側工作，可分為單作用和雙作用式兩種；按汽缸布置方式，可分為立式和臥式；按蒸汽是在一個汽缸中膨脹或依次連續在多個汽缸中膨脹，可分為單脹式和多脹式；按蒸汽在汽缸中的流向，可分為回流式和單流式；按排汽方式和排汽壓力可分為凝汽式、大氣式和背壓式。
蒸汽機的出現和改進促進了社會經濟的發展，但同時經濟的發展反過來又向蒸汽機提出了更高的要求，如要求蒸汽機功率大、效率高、質量輕、尺寸小等。儘管人們對蒸汽機作過許多改進，不斷擴大它的使用範圍和改善它的性能，但是隨著汽輪機和內燃機的發展，蒸汽機因存在不可克服的弱點而逐漸衰落。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，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。
蒸汽機
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火車的由來
史蒂芬孫經過大量的實驗之後終於在1814年開出了第一個蒸汽機車，取名為「布拉策號」機車，雖然取得了成功，但也暴露出許多問題，如噪音太大，振動強烈，蒸汽機隨時都有爆炸的可能。機車開動時，濃煙滾滾，車輪摩擦鐵軌時火星四濺，坐在車上的人則滿面煙塵，被顛得筋疲力盡，有時蒸汽機冒出的火焰把附近的樹木都燒焦了，圍觀的人群嘲笑他，並把這個機車形象地比喻為「火車」。史蒂芬孫沒有氣餒，而是不斷地進行改進，他在車廂下面加裝了減震的彈簧，用熟鐵代替生鐵作鐵軌的材料，在枕木下加鋪了小石子，增加車頭和車廂的車輪數量，把蒸汽機安裝在車頭以減少發生危險時的損害等。經過長時間的摸索，1825年，「旅行者號」牽引著6節煤車、20節擠滿乘客的車廂，載重達90噸，時速15千米。隨著火車的一聲鳴叫，它向全世界宣告了鐵路時代的到來。