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

【山話嵓語(yǔ)】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實(shí)還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因?yàn)?677版保留了很多古早知識(shí)，讓我終于搞明白了和老工程師交流時(shí)遇到的奇特專業(yè)術(shù)語(yǔ)和計(jì)算模式的來(lái)由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險(xiǎn)極小，即使出版社再版也只會(huì)再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯(cuò)的自學(xué)教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時(shí)間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。

第八章熱機(jī)

【山話||? 本系列專欄中的力單位達(dá)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?！?/span>

§8-3蒸汽機(jī)

【01】從鍋爐里出來(lái)的高壓過熱蒸汽蘊(yùn)藏有很多的能量，通過蒸汽機(jī)可以把它釋放出來(lái)對(duì)外作功。下面我們就來(lái)討論一下蒸汽機(jī)是怎樣工作的。

【02】圖8·14所示的是一種臥式蒸汽機(jī)，圖中 1 是臥式汽缸，2 是活塞，3 是汽室，4 是曲柄，5 是飛輪，6 是離心節(jié)速器，7 是排氣管，8 是進(jìn)汽管，9 是偏心輪。

1、蒸汽機(jī)的構(gòu)造和工作原理

(1)汽缸和汽室：

【03】汽缸是蒸汽膨脹做功的部分，也是蒸汽機(jī)中最主要的組成部分。如圖8·15所示，1 是汽缸；2 是活塞，它可以在汽缸內(nèi)往復(fù)移動(dòng)，但又須與汽缸緊密連接而不漏汽。汽缸上有一個(gè)汽室 3，汽室里有四個(gè)汽管。汽管 4 和 5 與汽缸兩端相通；汽管 6 是進(jìn)汽管，過熱蒸汽由它通入；汽管 7 是排氣管。汽室內(nèi)還有一個(gè)可以左右移動(dòng)的滑動(dòng)閥 8，它在同一時(shí)刻內(nèi)只能遮住兩個(gè)管口：排汽管口和某一個(gè)通汽缸的管口。

【04】在圖8·15所示的情況下，過熱蒸汽經(jīng)過汽管 6，進(jìn)入汽室 3，再?gòu)钠?3 通過開啟著的右汽管 5，進(jìn)入汽缸的右邊。也就是說，這時(shí)汽缸右端和鍋爐連通，從鍋爐來(lái)的高壓過熱蒸汽推動(dòng)活塞向左移動(dòng)。被滑動(dòng)閥覆蓋著的左汽管 4 跟排汽管 7 連接，因此活塞左邊的蒸汽被活塞推壓，從汽管 4 經(jīng)過排氣管 7 排出。

【05】活塞間接帶動(dòng)滑動(dòng)閥運(yùn)動(dòng)，在活塞向左移動(dòng)的后一段時(shí)間里，滑動(dòng)閥向右移動(dòng)。結(jié)果當(dāng)活塞到達(dá)汽缸左端時(shí)，滑動(dòng)閥把右汽管 5 關(guān)閉，左汽管 4 打開。在圖8·16中，蒸汽從左汽管 4 進(jìn)入汽缸，推動(dòng)活塞向右移動(dòng)。而汽缸右面剛剛經(jīng)過膨脹的廢汽經(jīng)過右汽管 5 排出。當(dāng)活塞移動(dòng)到汽缸右端時(shí)，滑動(dòng)閥又回到圖8·15所示的狀態(tài)。這樣由于蒸汽膨脹做功推動(dòng)活塞，往復(fù)不停地運(yùn)動(dòng)著。

(2)將活塞左右移動(dòng)變成飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置：

【06】這部分的工作原理跟我們推磨子的情況很相似，如圖8·17所示，人手前后移動(dòng)，可以通過曲柄的作用，變成磨子的轉(zhuǎn)動(dòng)。在圖8·18中，1 是活塞，2 是活塞桿，3 是十字頭，4 是連桿，5 是曲柄，6 是飛輪?；钊系幕钊麠U跟十字頭連在一起，十字頭在兩塊導(dǎo)板里左右運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)板是彼此平行的，因此活塞桿只能左右移動(dòng)，不能上下運(yùn)動(dòng)。十字頭 3 通過連桿和曲柄連接在一起，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，連桿拉動(dòng)曲柄，并帶著機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)活塞在最左或最右的位置時(shí)，活塞桿、連桿和曲柄位于一條直線上。連桿不能使曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)位置叫做靜點(diǎn)，為了使曲柄在靜點(diǎn)的時(shí)候還能夠繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，就在機(jī)軸上裝置一個(gè)很重的飛輪，依靠它的慣性，使曲柄通過靜點(diǎn)，維持機(jī)器連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)。

(3)滑動(dòng)閥的運(yùn)動(dòng)：

【07】圖8·19滑動(dòng)閥上的閥桿，由一個(gè)活動(dòng)接頭 1 和偏心輪桿 2 相連接。偏心輪桿的末端是一個(gè)圓環(huán) 3，叫做偏心輪套，輪套套在偏心輪 4 外，隨著偏心輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，偏心輪牢固地裝在機(jī)軸上，而機(jī)軸是通過偏心輪中心的一邊的。當(dāng)活塞推動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，偏心輪隨著而轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)偏心輪套，偏心輪套又帶動(dòng)偏心輪桿和閥桿作往復(fù)的運(yùn)動(dòng)。

【08】滑動(dòng)閥不僅要有規(guī)則地管理著蒸汽的進(jìn)出，而且還要控制進(jìn)汽的多少，因此滑動(dòng)閥的形狀，偏心輪和曲柄的相對(duì)位置都要經(jīng)過精確的計(jì)算和設(shè)計(jì)，使它起到分配蒸汽和調(diào)節(jié)蒸汽的作用。

【09】圖8·20是蒸汽機(jī)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周各部分的工作示意圖。

2、冷凝器

【10】蒸汽在汽缸中膨脹做功以后，內(nèi)能已經(jīng)減少，我們把它叫做廢汽，或稱為廢工質(zhì)。要讓蒸汽機(jī)繼續(xù)工作，就必須把廢工質(zhì)從汽缸中排出，并再吸進(jìn)新工質(zhì)來(lái)。容納廢工質(zhì)的裝置就叫做冷凝器。

【11】輪船上和工廠中使用的蒸汽機(jī)，大都裝有特別的冷凝器，而火車上的蒸汽機(jī)是用大氣作為冷凝器，直接把廢汽排入大氣中。蒸汽機(jī)的冷凝器常常根據(jù)需要而有不同的形式。

【12】圖8·21是一種噴射式凝汽器的示意圖。汽缸內(nèi)的廢汽沿排汽管進(jìn)入由鑄鐵制成的圓筒里，冷水從冷水管引入，在冷水管的末端有許多小孔，水就從小孔噴出，成為許多細(xì)流。蒸汽和噴入的冷水混合后，被冷卻而凝結(jié)成水，并沿排水管流出?？諝饪梢詮某闅饪诔槌?，以減低筒里的壓強(qiáng)。

【13】另一種是水管式冷凝器，如圖8·22所示，它是由許多穿過鼓形圓筒的管子組成的。冷水在管中流過，而廢氣在管外通過。廢汽冷卻后大部分凝結(jié)成水并從排水管流出，它們經(jīng)過去油污的處理后可以再行送到鍋爐里作為給水，因?yàn)樵谶@樣的水中所含有的雜質(zhì)很少，所以對(duì)鍋爐的損害也很小，這就延長(zhǎng)了鍋爐的壽命，同時(shí)由于廢汽水的溫度較高，可以節(jié)約大量的燃料。

3、提前閉汽和多級(jí)膨脹

【14】如果從汽缸排出的廢蒸汽的溫度和壓強(qiáng)都很高，那么總是要白白地浪費(fèi)掉許多能量，因此我們應(yīng)該設(shè)法盡可能多地利用蒸汽膨脹做功。于是在生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，人們又提出了提前閉汽和多級(jí)膨脹這兩種方法來(lái)充分利用蒸汽的能量。

【15】提前閉汽：在活塞離開行程終點(diǎn)還有相當(dāng)距離的時(shí)候，就設(shè)法使滑動(dòng)閥將進(jìn)汽管遮住，停止新蒸汽的供給，這叫做提前閉汽，或叫做斷汽。斷汽后汽缸中的蒸汽就要進(jìn)行絕熱膨脹，推動(dòng)活塞做功并減少內(nèi)能，于是蒸汽的壓強(qiáng)和溫度也都要降低。由于這時(shí)廢汽的溫度比不實(shí)行提前閉汽時(shí)廢汽的溫度低，并且排出的廢汽量也比不提前閉汽時(shí)來(lái)得少，這就使蒸汽中內(nèi)能的利用率大大地提高。

【16】多級(jí)膨脹：上面講了用提前閉汽來(lái)使汽缸里的蒸汽絕熱膨脹，結(jié)果使蒸汽的溫度和壓強(qiáng)迅速下降，但是由于蒸汽的溫度下降時(shí)，汽缸壁和活塞的溫度也要隨著而下降，因此當(dāng)再通入新蒸汽時(shí)，就需要將一部分熱量傳給汽缸壁和活塞，而這部分熱量在廢汽排出時(shí)又被廢汽帶走，這樣就引起了換熱損失。換熱損失隨著新蒸汽和廢汽的溫度差的增加而增大。同時(shí)又由于蒸汽壓強(qiáng)下降也會(huì)增加新蒸汽與廢汽之間的壓強(qiáng)差。當(dāng)壓強(qiáng)差過大時(shí)，可能引起汽缸汽室中的漏汽現(xiàn)象，使一部分新蒸汽還沒有做功就從排汽口泄出，造成能量的損失。為了避免上述問題的產(chǎn)生，可以采用多級(jí)膨脹的方法，不讓蒸汽的溫度在一個(gè)汽缸中降低得過多，而讓它在第一級(jí)汽缸膨脹后，再進(jìn)入第二、第三個(gè)汽缸進(jìn)行膨脹，經(jīng)過幾次的膨脹后再排出去，這樣，在每個(gè)汽缸里溫度和壓強(qiáng)的下降并不大，而換熱損失和漏汽損失也就減少了。

【17】蒸汽依次通過二個(gè)或三個(gè)汽缸，最后才作為廢汽從排氣管排出的蒸汽機(jī)，叫做二級(jí)膨脹式蒸汽機(jī)，或者是三級(jí)膨脹式蒸汽機(jī)。圖8·23所示的就是一個(gè)三級(jí)膨脹式蒸汽機(jī)，蒸汽每膨脹一次，體積就增加一些，同時(shí)壓強(qiáng)也減小一些。所以第二級(jí)汽缸的活塞面積應(yīng)該比第一級(jí)的大，第三級(jí)的又應(yīng)該比第二級(jí)的大，這樣才能使蒸汽對(duì)各級(jí)活塞的推力接近相等。

【18】多級(jí)膨脹蒸汽機(jī)的管理比較麻煩，因此在實(shí)際中，二級(jí)膨脹蒸汽機(jī)比校普遍，三級(jí)以上的就應(yīng)用得比較少了。

【19】總的來(lái)說，蒸汽機(jī)具有下列的優(yōu)點(diǎn)：制造、保養(yǎng)、操作都比較簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐用，可以使用多種燃料，開倒車很容易，并且也可以在很大的功率范圍內(nèi)工作，所以它已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在水路運(yùn)輸和鐵路運(yùn)輸上。