【閱前提示】本篇出自『數理化自學叢書6677版』，此版叢書是“數理化自學叢書編委會”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎自學教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當于如今的初高中水平，其最大特點就是可用于“自學”。當然由于本書是大半個世紀前的教材，很多概念已經與如今迥異，因此不建議零基礎學生直接拿來自學。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎教育但卻很不扎實的學酥重新自修以查漏補缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的注解。

【山話嵓語】『數理化自學叢書』其實還有新版，即80年代的改開版，改開版內容較新而且還又增添了25本大學基礎自學內容，直接搞出了一套從初中到大學的一條龍數理化自學教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因為6677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時遇到的奇特專業(yè)術語和計算模式的來由。另外就是6677版的版權風險極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認為6677版不失為一套不錯的自學教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時間，將『數理化自學叢書6677版』上傳成文字版。

第八章熱機

【山話||? 本系列專欄中的力單位達因等于10??牛頓；功的單位爾格等于10??焦耳；熱量的單位卡路里等于4.186焦耳。另外這套老教材中的力的單位常用公斤，如今是不允許的，力是不能使用公斤為單位的?！?

§8-4蒸汽在汽缸內膨脹做功

【01】從§8-3的學習中已經知道蒸汽機工作的主要原理是利用蒸汽在汽缸中膨脹做功。現在用 P-V 圖（圖8·24）來研究汽缸中蒸汽壓強變化的情況和蒸汽做功的過程。為了詳細地了解它的變化過程，我們把它分為六個階段來討論。

【02】(1)開始時，汽缸左面的進汽管和汽室相通，過熱蒸汽立即沖進汽缸由于這時活塞在汽缸的左邊還沒有開始運動，所以汽的壓強在急劇地增加。這一階段，可以近似地看作為等容變化過程：汽缸中蒸汽的體積不變，而壓強卻從冷凝器中廢汽的壓強升高到鍋爐新蒸汽的壓強。相應地在 P-V 圖中，以直線 AB 來表示。在等容升壓時，蒸汽不對外做功。

【03】(2)左邊的進汽管還開放著，而活塞在高壓蒸汽的作用下向右移動。因為在這一階段汽缸和鍋爐是始終相通的，所以蒸汽的壓強總是保持不變，并等于鍋爐中的蒸汽壓。這個過程可以看作是等壓變化過程，用等壓線 BC 來表示。在等壓變化過程中，蒸汽所做的功，在數值上等于四邊形 BCC?B?B 的面積。

【04】(3)這時滑動閥把進汽管關閉，汽缸里的蒸汽就開始絕熱膨脹，消耗它的內能來推動活塞做功。因此，它的壓強逐漸減小，我們用絕熱線 CD 來表示它的變化。在這個過程中，蒸汽所做的功在數值上等于 CDD?C?C 所包圍的面積。

【05】(4)當活塞到達汽缸的右端時，滑動閥使汽缸的左邊和排汽管相通，使已經做過功的蒸汽開始排出。這時蒸汽的壓強突然下降到跟冷凝器中的壓強相同，在這一瞬間，蒸汽體積可以近似地看做不變，我們用直線 DE 來表示。

【06】(5)由于飛輪的慣性，帶動活塞通過靜點，并向相反方向運動。因此為了要排除汽缸中的廢汽，就要反抗它的壓強而做功。廢汽的壓強總是等于冷凝器的壓強，所以是一種等壓變化過程，并用等壓線 EA 來表示。但這時不是蒸汽對外做功，而是活塞依靠飛輪的慣性對廢汽做功?；钊麑U汽所做的功，在數值上等于 EAB?D?E 所包圍的面積。

【07】(6)當活塞反向運動到開始時，左面的汽缸又恢復到情況(1)，這時蒸汽壓強又開始急劇上升。只有采用這樣周而復始的變化，才能使蒸汽機繼續(xù)不斷地工作。

那么蒸汽機運轉一周究竟做了多少功呢？

【08】從 P-V 圖中可以看出，圖形 B?BCDD?B? 所包圍的面積表示蒸汽在等壓變化和絕熱膨脹時所做的功的和，也就是蒸汽對活塞所做的總功。圖形 EAB?D?E 包圍的面積表示活塞在排除廢汽時對廢汽所做的功。因此要計算蒸汽機運轉一周所做的有用功，應該從 B?BCDD?B? 的面積中，減去 EAB?D?E 的面積，也就是應當等于圖形 ABCDEA 的面積。

【09】根據圖形可以計算出蒸汽機運轉一周所做的功，如果還知道它在單位時間里的運轉周數，就能夠計算出蒸汽機的功率和某一段時間內所做的總功。

【10】圖線 ABCDEA 稱為蒸汽機的示功圖。實際上由于蒸汽機在工作中要受到很多其他因素的影響，所以它的幾個過程不是嚴格地等容、等壓或絕熱地進行，而僅僅是近似于這種情況。為了簡化問題、便于掌握事物的本質起見，我們常常忽略一些次要的因素。但是在進行蒸汽機的設計，研究蒸汽量的分配和汽缸的有效壓強時，就要掌握住汽缸中的具體情況。這時常常用一些精密的儀器，將汽缸中壓強變化的實際情況描繪出來，再做詳細的計算和研究。由于這已超出本書的范圍，這里不再詳細地說明了。

習題8-4

1、蒸汽機是怎樣工作的？

2、多級膨脹和提前閉汽的作用是什么？

3、冷凝器的構造和用途是怎樣的？

4、蒸汽機的壓強體積圖是怎樣畫成的？圖上的各線段表示什么意義？