蒸汽机与第一次工业革命

第二节　蒸汽机与第一次工业革命

蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的动力机械，蒸汽机的出现曾引起了18世纪的工业革命。直到80世纪初，它仍然是世界上最重要的动力机械，后来才逐渐被内燃机和汽轮机等替代。

蒸汽机的发展与第一次工业革命

蒸汽用来作为动力古已有之，而使蒸汽动力技术实用化方面迈出了一大步的是法国工程师巴本。1679年，巴本研制出一种“蒸煮器”，“蒸煮器”就是现代人们常用的高压锅。

巴本制造的“蒸煮器”完全密封，水在里面煮沸后产生的蒸汽压使沸点升高，高温使食物极易煮烂，锅盖上还装有安全阀防止蒸汽压力过高。巴本在蒸煮器的基础上制成了第一台带活塞的蒸汽机，这是一个单缸活塞式蒸汽机。汽缸底部放有少量的水，将汽缸加热时所产生的蒸汽推动活塞至顶端，再将热源撤除，里面的蒸汽冷凝形成真空，于是汽缸内的活塞在大气压力作用下下落。

循环过程与热机效率

蒸汽机等热机是通过循环过程实现热能转化为机械能的机器。物质系统（简称工质）从某个状态出发，经过若干个分过程，又回到它的原来状态的整个过程称为循环过程，或简称循环。

循环过程的特点：工质经过一循环，内能不变。在p—V图上，工质的循环过程可用一条闭合曲线来表示，沿顺时针方向进行的循环是正循环，与热机的循环相对应；沿逆时针方向进行的循环是逆循环，与制冷机的循环相对应。

热机循环的工作原理是：在热机的每一次循环中，工质从高温热源吸收热量Q，增加内能，并将一部分内能通过做功转化为机械能（净功）A＝Q₁－Q₂，另一部分内能通过向低温热源放热而传给外界Q₂，使工质又回到原始状态。

为了表述在一个正循环中工质所吸收的热Q₁有多少转化为有用功（即净功）A，以评价热机的工作效益，我们定义热机的效率（或正循环的效率）为

在热机循环中，工质总要向外界放出一部分热量，即Q₂不能等于零，所以热机效率永远是η＜1。如早期的蒸汽机效率仅为4%左右。

卡诺热机

19世纪初，蒸汽机在生产中起着越来越大的作用，但将热转变为机械运动的理论研究一直未形成，瓦特等工程技术人员主要凭经验摸索并改进机器。当时生产技术提出的比较紧迫的问题是如何提高蒸汽机的热效率，即尽可能多地将热能转化为机械能，法国工程师卡诺从理论上说明热机运行过程并建立了相关理论。

卡诺为了研究热机的效率与哪些因素有关，他构想了一台理想热机，这种热机有一个高温热源和低温热源，循环过程是由两个绝热过程和两个等温过程组成，现在把这种理想的循环过程叫做卡诺循环，由卡诺循环组成的热机叫卡诺热机。他证明了卡诺热机的效率与高低温热源温度之差成正比，而与循环过程之中的温度变化无关。卡诺热机效率为

式中，T₁，T₂分别为高温热源和低温热源的温度。

他还证明了：卡诺热机的热效率是所有热机中热效率最高的，其他热机效率总是小于卡诺热机的效率。

由此可以知道提高热机效率的途径：第一是提高高温热源温度；第二是降低低温热源温度。但是要降低低温热源的温度在实际中是困难的。例如，在蒸汽机中低温热源的温度是用来冷却的冷凝器的温度。要想获得更低的温度，就必须加制冷机，制冷机要消耗外界能量，因而用降低低温热源温度来提高热机效率是不经济的，所以提高热机效率最好从提高高温热源温度着手。另外，在实际中可以通过减少汽缸的漏气及摩擦、提高绝热性等方法来提高热机效率。

卡诺还独立地提出了能量守恒原理，可惜卡诺的这一成果还未发表就由于染上霍乱而突然去世，其手稿和笔记直到1878年才由他的弟弟发现并发表。

他在笔记中写道：“热不是别的东西，而是动力（能量），或者可以说是改变了形态的运动，它是一种运动。动力是自然界的一个不变量。准确地说，它既不能产生，也不能消灭。实际上它只改变它的形式，也就是说，它有时引起一种运动，有时则引起另一种运动，但绝不消灭”。