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1、思考题思考题1、最早利用蒸汽力的人是哪能个国家的最早利用蒸汽力的人是哪能个国家的, ,叫什么名叫什么名字字? ?发生在哪个时期发生在哪个时期? ?2、蒸汽机的发明经历了哪几个科学家的研究蒸汽机的发明经历了哪几个科学家的研究? ?各有各有何特点何特点? ?3、简述蒸汽机的发明和利用与热学的关系。简述蒸汽机的发明和利用与热学的关系。 一、简要介绍蒸汽机发展的过程一、简要介绍蒸汽机发展的过程 二、纽可门蒸汽机与二、纽可门蒸汽机与瓦特蒸汽机的瓦特蒸汽机的发展与其工作发展与其工作 原理原理第一个利用蒸汽力的人第一个利用蒸汽力的人空心空心的、方向相反的弯管，把这个空心球卡在连通着蒸汽的管道上，当的、方向相
2、反的弯管，把这个空心球卡在连通着蒸汽的管道上，当球下面的器皿里的水烧沸腾起来的时候，蒸汽进入那个空心球，然后从球下面的器皿里的水烧沸腾起来的时候，蒸汽进入那个空心球，然后从装在空心球上的两根弯管的管口喷了出来，因为两个管口的方向相反，装在空心球上的两根弯管的管口喷了出来，因为两个管口的方向相反，两股相反的力形成一股扭力，这股扭力就会推动着空心球不停地迅速转两股相反的力形成一股扭力，这股扭力就会推动着空心球不停地迅速转动动 这是人类最早发明的将蒸汽力转变为一种运动的方法，用人们的现这是人类最早发明的将蒸汽力转变为一种运动的方法，用人们的现代科技名词来表述，它可以称得上是早期的蒸汽机代科技名词来表
3、述，它可以称得上是早期的蒸汽机 最早发现蒸汽的力量，并且利用这股最早发现蒸汽的力量，并且利用这股力量力量制作出了第一台利用蒸汽力的器具的制作出了第一台利用蒸汽力的器具的发明人，发明人，最早可追朔到公元前最早可追朔到公元前130年年埃埃及人希龙及人希龙.希龙希龙最著名的发明是用蒸汽推动的空最著名的发明是用蒸汽推动的空 心球心球空心球是用铜做的，上面连着两个空心球是用铜做的，上面连着两个 在此后的一千多年内在此后的一千多年内,并无进一步发展并无进一步发展,直到直到17世纪世纪,才才又对热机进行新的探索又对热机进行新的探索. 进入进入17世纪世纪,最先把蒸汽动力技术的设想付诸实施的，最先把蒸汽动力技
4、术的设想付诸实施的，是法国著名物理学家、工程师是法国著名物理学家、工程师丹尼斯丹尼斯巴本巴本（ Denis Papin 1647-1714 ）从从 1674 年开始，巴本致力于蒸汽泵的实验年开始，巴本致力于蒸汽泵的实验设计经过一段时间的实验研究与理论探索，他从欧洲当设计经过一段时间的实验研究与理论探索，他从欧洲当时的炼铁场广泛使用的那种活塞式风箱中受到启发，认为时的炼铁场广泛使用的那种活塞式风箱中受到启发，认为有可能把风箱变为汽缸，而把风箱中的活塞变为汽缸中的有可能把风箱变为汽缸，而把风箱中的活塞变为汽缸中的活塞活塞巴本的活塞式蒸汽机巴本的活塞式蒸汽机 1690年年, 丹尼斯丹尼斯巴本在德国发
5、明了第一部巴本在德国发明了第一部活塞式蒸汽活塞式蒸汽机机巴本的蒸汽机是由巴本的蒸汽机是由一直径约一直径约2.5英寸，装有活塞和连杆英寸，装有活塞和连杆的竖式管子构成的管子下部盛水，加热使水变成蒸汽，的竖式管子构成的管子下部盛水，加热使水变成蒸汽，蒸汽推动活塞向上运动活塞上升到顶部时，被插销固定蒸汽推动活塞向上运动活塞上升到顶部时，被插销固定住，移去热源，再向汽缸内喷水住，移去热源，再向汽缸内喷水,使蒸汽冷凝，汽缸内形成使蒸汽冷凝，汽缸内形成真空拔去插销，在上部大气压力的推动下，使活塞慢慢真空拔去插销，在上部大气压力的推动下，使活塞慢慢向下运动，并通过杠杆提起重物向下运动，并通过杠杆提起重物竖式
6、管子完成了锅炉、竖式管子完成了锅炉、汽缸和凝汽器三重功能汽缸和凝汽器三重功能 巴本的活塞式蒸汽机巴本的活塞式蒸汽机水水管管火火插销插销重物重物 巴本是巴本是第一个应用蒸汽在汽缸中推动活塞的人第一个应用蒸汽在汽缸中推动活塞的人通通过这一实验，使巴本认识到，利用蒸汽压力、大气压力、过这一实验，使巴本认识到，利用蒸汽压力、大气压力、真空作用的交互作用，完全可以推动汽缸内的活塞及其真空作用的交互作用，完全可以推动汽缸内的活塞及其活塞杆作往返的直线运动而这种运动所产生的机械动活塞杆作往返的直线运动而这种运动所产生的机械动力可以带动其他机械的运动这样，第一台可以把热能力可以带动其他机械的运动这样，第一台可
7、以把热能转变为机械能的实验型的蒸汽泵，就于转变为机械能的实验型的蒸汽泵，就于1690年在德国试年在德国试验成功了验成功了巴本的活塞式蒸汽机只是巴本的活塞式蒸汽机只是实验性实验性的的, ,他设计的带安全他设计的带安全阀的锅炉，长期作为为学校物理课的教具阀的锅炉，长期作为为学校物理课的教具 16961696年，英国皇家工程队的机械工程师年，英国皇家工程队的机械工程师托马托马斯斯塞维利塞维利 (ThomasSavery(ThomasSavery，1650-1715)1650-1715)研制的研制的蒸汽泵蒸汽泵的主要构件是的主要构件是汽缸与锅炉汽缸与锅炉塞塞维利维利的汽缸的汽缸与与巴本巴本的汽缸很不相
8、同的汽缸很不相同塞塞维利维利的汽缸的汽缸未采用活未采用活塞塞，只是在其中接有吸水管、排水管和进汽管，只是在其中接有吸水管、排水管和进汽管, 直直接依靠真空把水吸上来，再用蒸汽压力把水挤出接依靠真空把水吸上来，再用蒸汽压力把水挤出去去 塞维利塞维利蒸汽机的工作原理如下蒸汽机的工作原理如下: :塞维利的蒸汽机塞维利的蒸汽机 连接锅炉和汽桶的管道有一阀门，可以连接锅炉和汽桶的管道有一阀门，可以启开通入蒸汽，也可以关闭不让蒸汽进启开通入蒸汽，也可以关闭不让蒸汽进入与汽桶相通的管和管，则都有一入与汽桶相通的管和管，则都有一个单向阀门，只能让水流进和流个单向阀门，只能让水流进和流出出 锅炉里的水烧开以后，
9、开启连接锅炉和汽锅炉里的水烧开以后，开启连接锅炉和汽桶的管道阀门桶的管道阀门, 蒸汽进入汽桶，蒸汽挤压着汽蒸汽进入汽桶，蒸汽挤压着汽桶里的水从通向上方的桶里的水从通向上方的管中排出，待汽管中排出，待汽桶里的水排空，关闭桶里的水排空，关闭管的阀门和开启连管的阀门和开启连接锅炉和汽桶的管道阀门接锅炉和汽桶的管道阀门, 将蒸汽冷凝，汽桶将蒸汽冷凝，汽桶变成真空状态，开启管的阀门变成真空状态，开启管的阀门, 大气压力就大气压力就会挤压着地下水从通向下方的管中涌上来，会挤压着地下水从通向下方的管中涌上来，将汽桶灌满如此反复进行将汽桶灌满如此反复进行.pp汽桶汽桶锅炉锅炉 塞塞维利维利发明的这种机器，原理
10、和构造都比较简单，但发明的这种机器，原理和构造都比较简单，但却同时利用了两种力量：却同时利用了两种力量：利用蒸汽的张力把水送出去，利利用蒸汽的张力把水送出去，利用大气的压力将水从地下提上来用大气的压力将水从地下提上来 使人感到失望的是，使人感到失望的是，塞塞维利维利的的蒸汽抽水机蒸汽抽水机在实际应用在实际应用的过程中，并没有达到高的效率的过程中，并没有达到高的效率它并它并不能将水升到深井不能将水升到深井中所需要的高度中所需要的高度，而如果将蒸汽的压力再加大一些，又很，而如果将蒸汽的压力再加大一些，又很容易造成锅炉承受不住这么大的压力而发生爆炸容易造成锅炉承受不住这么大的压力而发生爆炸再者它再者
11、它的的锅炉受热面积太小锅炉受热面积太小，在冷凝过程中造成的燃料浪费十分，在冷凝过程中造成的燃料浪费十分严重，如果用它来给城市居民供水，费用又太昂严重，如果用它来给城市居民供水，费用又太昂贵，所以，贵，所以，蒸汽机只用在私人住宅的花园中进行装饰性喷水，因为这蒸汽机只用在私人住宅的花园中进行装饰性喷水，因为这不需要很大的功率，提升的高度也不大，效果还可以不需要很大的功率，提升的高度也不大，效果还可以 塞维利机是人类历史上可以实际应用的第一部蒸汽机塞维利机是人类历史上可以实际应用的第一部蒸汽机纽可门的蒸汽机纽可门的蒸汽机 由于由于塞塞维利维利的蒸汽机具有不少缺点，例如它动作缓慢，的蒸汽机具有不少缺点
12、，例如它动作缓慢，抽提水的高度和数量有限，还需要人在那里不断地定时启闭抽提水的高度和数量有限，还需要人在那里不断地定时启闭阀门；而且既没有压力计来测量锅炉里的压力，又没有调节阀门；而且既没有压力计来测量锅炉里的压力，又没有调节装置例如减压阀之类来减少压力，因而存在着实际的爆炸危装置例如减压阀之类来减少压力，因而存在着实际的爆炸危险性，所以它的推广有限，这种状态势必激励着其他的人来险性，所以它的推广有限，这种状态势必激励着其他的人来对蒸汽机进行创新、改良成果之一，就是导致了纽可门蒸对蒸汽机进行创新、改良成果之一，就是导致了纽可门蒸汽机的出现汽机的出现 英国铁匠英国铁匠托马斯托马斯纽可门纽可门(T
13、homasNewcomen，1663-1729)综合了塞维利和巴本机的优点，发明了综合了塞维利和巴本机的优点，发明了空气蒸汽机空气蒸汽机，并于，并于1712年有效地应用于矿井排水和农田灌溉纽可年有效地应用于矿井排水和农田灌溉纽可门设计的蒸门设计的蒸汽机比赛维利的更简单汽机比赛维利的更简单.纽可纽可门蒸汽机的门蒸汽机的原理：原理：锅炉与汽缸相通锅炉与汽缸相通连，汽缸上面有一个活塞，活塞借一根杆连，汽缸上面有一个活塞，活塞借一根杆系于一根摇动的横杆的一头，横杆的另一系于一根摇动的横杆的一头，横杆的另一头连着排水泵当汽缸里的蒸汽膨胀时，头连着排水泵当汽缸里的蒸汽膨胀时，推动活塞上升，使横杆的另一端下
14、降，下推动活塞上升，使横杆的另一端下降，下面连接有重量的平衡锤，挤压着水泵上的面连接有重量的平衡锤，挤压着水泵上的活塞下降；当向汽缸里的蒸汽喷洒少量的活塞下降；当向汽缸里的蒸汽喷洒少量的水使其冷凝，这样就在汽缸里造成局部真水使其冷凝，这样就在汽缸里造成局部真空，大气压力就会推动活塞下降，带动着空，大气压力就会推动活塞下降，带动着横杆将平衡锤提起使地下水被大气压力挤横杆将平衡锤提起使地下水被大气压力挤压着，冲开活塞涌入水泵这样，只要连压着，冲开活塞涌入水泵这样，只要连接着锅炉的汽缸不断充汽、冷凝，它的活接着锅炉的汽缸不断充汽、冷凝，它的活塞就会不断地上下往复，抽水机也就连续塞就会不断地上下往复，
15、抽水机也就连续不断地工作了不断地工作了纽可门蒸汽机原理图纽可门蒸汽机原理图 纽可门蒸汽机活塞为纽可门蒸汽机活塞为单程作功单程作功，即，即汽缸汽缸进汽之后顶起活塞进汽之后顶起活塞作功一次，然后回程不作功，然后再进汽，再顶起做功作功一次，然后回程不作功，然后再进汽，再顶起做功 纽可门蒸汽机发明之初，是一种制作工艺相当粗糙而且简纽可门蒸汽机发明之初，是一种制作工艺相当粗糙而且简陋的机型，由于不具备对机器零部件进行精密加工的设备，陋的机型，由于不具备对机器零部件进行精密加工的设备，活活塞与汽缸彼此间本应要求是紧密吻合的塞与汽缸彼此间本应要求是紧密吻合的，但达不到这种要求，但达不到这种要求，相互间留着相
16、当大的相互间留着相当大的空隙空隙，工作时只有，工作时只有靠水覆盖靠水覆盖着才能达到密着才能达到密闭的要求；而用冷水浇灌汽缸使里面的蒸汽冷凝，由于闭的要求；而用冷水浇灌汽缸使里面的蒸汽冷凝，由于冷却的冷却的温度不够，未能获得理想的、完全的真空温度不够，未能获得理想的、完全的真空；特别恼人的是，安；特别恼人的是，安装在汽缸与锅炉通道上的那个装在汽缸与锅炉通道上的那个龙头龙头，每隔七八分钟就需人去开每隔七八分钟就需人去开关一次关一次，十分繁琐，等等，都是不可否认的缺陷，十分繁琐，等等，都是不可否认的缺陷 尽管纽可门蒸汽机还存在着这样那样的缺点或不足之尽管纽可门蒸汽机还存在着这样那样的缺点或不足之处，
17、但它毕竟是蒸汽机发展过程中一个重要的转点正是处，但它毕竟是蒸汽机发展过程中一个重要的转点正是由于纽可门蒸汽机的出现，蒸汽机才真正在社会工业生产由于纽可门蒸汽机的出现，蒸汽机才真正在社会工业生产中展现出它那巨大的推动力量中展现出它那巨大的推动力量 至于说到蒸汽机在理论上和实践上都取得重大突破，至于说到蒸汽机在理论上和实践上都取得重大突破，这个问题，要等到将近半个世纪以后，由瓦特对它进行深这个问题，要等到将近半个世纪以后，由瓦特对它进行深入地研究，并和当时的物理学家进行探讨以后，才发生了入地研究，并和当时的物理学家进行探讨以后，才发生了根本性的变化根本性的变化 1763年，英国格拉斯哥大学有一台教
18、学用的纽可门蒸年，英国格拉斯哥大学有一台教学用的纽可门蒸汽机坏了，虽然曾经把送到伦敦去找名匠修理过，可取回汽机坏了，虽然曾经把送到伦敦去找名匠修理过，可取回来后不久又不运转了，于是该校的仪器修理工来后不久又不运转了，于是该校的仪器修理工瓦特瓦特(TamesWatt,1736-1819)着手修理这部机器在修理的过程着手修理这部机器在修理的过程中，瓦特发现纽可门蒸汽机并不像他渴望和仰慕已久的蒸中，瓦特发现纽可门蒸汽机并不像他渴望和仰慕已久的蒸汽机那样完美，而存着不少明显的缺点汽机那样完美，而存着不少明显的缺点 比如说，瓦特发现纽可门蒸汽机也太费燃料了，通过比如说，瓦特发现纽可门蒸汽机也太费燃料了，
19、通过大量的试验和计算，发现用煤烧出的蒸汽，仅仅只有四分大量的试验和计算，发现用煤烧出的蒸汽，仅仅只有四分之一用在作功上，而那四分之三却白白浪费了之一用在作功上，而那四分之三却白白浪费了 瓦特蒸汽机瓦特蒸汽机 格拉斯哥大学化学教授格拉斯哥大学化学教授布莱克布莱克 (JosephBlaCk，1728-1799)用他的潜热学理论对纽可门用他的潜热学理论对纽可门蒸汽机蒸汽机的弊病作了解释的弊病作了解释 ：纽可门蒸纽可门蒸汽机的要害在蒸汽机的要害在蒸汽缸上它的汽缸既容纳从锅炉里喷出来的蒸汽缸上它的汽缸既容纳从锅炉里喷出来的蒸汽，当蒸汽注满以后，又要立即喷上冷水，使蒸汽冷凝才能产汽，当蒸汽注满以后，又要立
20、即喷上冷水，使蒸汽冷凝才能产生真空生真空, 利用气压的压差去推动横杆这样，汽缸一会儿需要加利用气压的压差去推动横杆这样，汽缸一会儿需要加热到充满蒸汽的程度，一会儿又要浇凉到使蒸汽完全冷凝的程热到充满蒸汽的程度，一会儿又要浇凉到使蒸汽完全冷凝的程度，更何况将浇开的水加热成水蒸汽，还需要相当多的度，更何况将浇开的水加热成水蒸汽，还需要相当多的“潜潜热热”，那当然得多烧很多的煤，那当然得多烧很多的煤. 再说，这样用冷水去浇汽缸而使再说，这样用冷水去浇汽缸而使蒸汽冷凝的方法，所得到的冷凝效果也是不充分的蒸汽冷凝的方法，所得到的冷凝效果也是不充分的. 原来那没有原来那没有产生做功作用而白白烧掉的四分之三
21、的煤，都消耗在既作为汽产生做功作用而白白烧掉的四分之三的煤，都消耗在既作为汽缸，又完成冷凝功能，一物两用的汽缸兼冷凝器上面缸，又完成冷凝功能，一物两用的汽缸兼冷凝器上面 为了减少热量的损耗、提高效率，瓦特想出把为了减少热量的损耗、提高效率，瓦特想出把主汽缸主汽缸始终保持在同一高温上，而用一个保持低温的冷却器来冷始终保持在同一高温上，而用一个保持低温的冷却器来冷凝蒸汽，凝蒸汽，这样每次动作就用不着重新加热汽缸而损失热量这样每次动作就用不着重新加热汽缸而损失热量. . 1765 1765年瓦特运用热学理论终于研制成了年瓦特运用热学理论终于研制成了分离冷凝器分离冷凝器. . 瓦特改进的蒸汽机，瓦特改
22、进的蒸汽机，锅炉与汽缸相通，锅炉与汽缸相通，冷凝器与汽缸之间冷凝器与汽缸之间有一个调节阀门相连，使冷凝器与汽缸既能连通又能分有一个调节阀门相连，使冷凝器与汽缸既能连通又能分开开这样，既能把这样，既能把汽缸中汽缸中做工后的蒸汽引入汽缸外的冷凝做工后的蒸汽引入汽缸外的冷凝器冷却，又可以使汽缸内产生同样的真空，避免了汽缸在器冷却，又可以使汽缸内产生同样的真空，避免了汽缸在一冷一热过程中热量的消耗瓦特也因发明冷凝器而获得一冷一热过程中热量的消耗瓦特也因发明冷凝器而获得他在革新纽可门蒸汽机的过程中的第一项专利他在革新纽可门蒸汽机的过程中的第一项专利 汽缸汽缸锅炉锅炉冷凝器冷凝器活塞活塞据理论计算，瓦特改
23、进后的蒸汽机的效率据理论计算，瓦特改进后的蒸汽机的效率将是纽可门将是纽可门蒸汽机的三倍然而，瓦特辛辛苦苦造出了几台蒸汽机，蒸汽机的三倍然而，瓦特辛辛苦苦造出了几台蒸汽机，效果反而不如纽可门蒸汽机，甚至四处漏气，无法开动效果反而不如纽可门蒸汽机，甚至四处漏气，无法开动 在此后三年多的时间里，瓦特克服了在材料和工艺等在此后三年多的时间里，瓦特克服了在材料和工艺等各方面的困难，终于在各方面的困难，终于在1769年制出了第一台样机年制出了第一台样机 第一第一台带有冷凝器的蒸汽机虽然试制成功了，但它同纽可门蒸台带有冷凝器的蒸汽机虽然试制成功了，但它同纽可门蒸汽机相比，除了热效率有显著提高外，在作为动力机
24、来带汽机相比，除了热效率有显著提高外，在作为动力机来带动其他工作机的性能方面仍未取得实质性进展就是说，动其他工作机的性能方面仍未取得实质性进展就是说，瓦特的这种蒸汽机还是无法作为真正的动力机瓦特的这种蒸汽机还是无法作为真正的动力机 自自1769年试制出带有分离冷凝器的蒸汽机样机之后，瓦特就年试制出带有分离冷凝器的蒸汽机样机之后，瓦特就已看出热效率低已不是他的蒸汽机的主要弊病，而已看出热效率低已不是他的蒸汽机的主要弊病，而活塞只能作活塞只能作往返的直线运动往返的直线运动才是它的根本局限才是它的根本局限1781年，瓦特可能是受当年，瓦特可能是受当年发现的年发现的天王星以及由此引出的行星绕日的圆周运
25、动天王星以及由此引出的行星绕日的圆周运动的启发，的启发，也许是受也许是受钟表中的齿轮的圆周运动钟表中的齿轮的圆周运动的启发他想到了把活塞往的启发他想到了把活塞往返的直线运动变为旋转的圆周运动就可以使动力传给任何工作返的直线运动变为旋转的圆周运动就可以使动力传给任何工作机同年，他研制出了一套被称为机同年，他研制出了一套被称为“太阳和行星太阳和行星”的齿轮联动的齿轮联动装置，终于把活塞的往返的装置，终于把活塞的往返的直线运动直线运动转变为齿轮的转变为齿轮的旋转运旋转运动动为了使轮轴的旋轴增加惯性，从而使圆周运动更加均匀，为了使轮轴的旋轴增加惯性，从而使圆周运动更加均匀，瓦特还在轮轴上加装了一个瓦特
26、还在轮轴上加装了一个火飞轮火飞轮由于对传统机构的这一重由于对传统机构的这一重大革新，瓦特的这种蒸汽机才真正成为了能带动一切工作的动大革新，瓦特的这种蒸汽机才真正成为了能带动一切工作的动力机力机1781年底，瓦特以发明年底，瓦特以发明带有齿轮和拉杆的机械联动装置带有齿轮和拉杆的机械联动装置获得第二个专利获得第二个专利 瓦特在发明齿轮联动装置之后，对汽缸本身进行了研究，他瓦特在发明齿轮联动装置之后，对汽缸本身进行了研究，他发现，他虽然把纽可门蒸汽机的内部冷凝变成了外部冷凝，使蒸发现，他虽然把纽可门蒸汽机的内部冷凝变成了外部冷凝，使蒸汽机的热效率有了显著提高，但他的蒸汽机中蒸汽推动活塞的冲汽机的热效
27、率有了显著提高，但他的蒸汽机中蒸汽推动活塞的冲程工艺与纽可门蒸汽机没有不同两者的蒸汽都是程工艺与纽可门蒸汽机没有不同两者的蒸汽都是单项运动，单项运动，从从一端进入、另一端出来他想，如果让蒸汽能够从一端进入、另一端出来他想，如果让蒸汽能够从两端进入和排两端进入和排出出，就可以让蒸汽既能推动活塞，就可以让蒸汽既能推动活塞向上运动向上运动又能推动活塞又能推动活塞向下运向下运动动那么，他的效率就可以提高一倍那么，他的效率就可以提高一倍1782年，瓦特根据这一设年，瓦特根据这一设想，试制出了一种带有双向装置的新汽缸由此瓦特获得了他的想，试制出了一种带有双向装置的新汽缸由此瓦特获得了他的第三项专利把原来的第三项专利把原来的单项汽缸装置单项汽缸装置改装成改装成双向汽缸双向汽缸，这是瓦特，这是瓦特在改进纽可门蒸汽机的过程中的第三次飞跃通过这三次技术飞
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