1、瓦特對紐可門蒸汽機的第一次改進【摘要】瓦特對紐可門蒸汽機進行改造，在結構方面，在單一的汽缸外增加一個分離式冷凝器用 于對蒸汽進行降溫。這使得蒸汽的保溫和降溫分開在兩個汽缸中進行。在熱效率方面， 利用潛熱原理，充分利用了水蒸氣的潛熱，并且讓其膨脹力做功。這兩者減少了蒸汽耗 費，同時提高了蒸汽利用率?！娟P鍵詞】蒸汽機，蒸汽，分離式冷凝器，潛熱理論（焓變理論）【前言】17世紀末，歐洲工業快速發展人力和畜力已遠遠不能滿足人們對生產動力的需求。帕 潘，薩弗里等科學家陸續發明了蒸汽機，蒸汽動力成為了工業生產的新寵。而后紐可 門蒸汽機正是用于工廠生產之中，節省了大量人力。然而紐可門蒸汽機卻存在耗能過 多，效

2、率太低的缺點，因而無法在工業生產中推廣。瓦特對紐可門蒸汽機進行改進使 得其效率提高了三倍。也使得瓦特蒸汽機在工業生產中廣泛被使用，最終掀起了第一 次工業革命的高潮。一、方法原理1.1紐科門蒸汽機的結構及其工作原理:鍋爐B與汽缸C相通連，汽缸上面有一個活塞P在動作，活塞P是杠桿D的一端， 當汽缸里的蒸汽膨脹時，推動活塞P上升，使杠桿D的另一端R下降，R下 面連接有重量的平衡錘N，N擠壓著水泵上的活塞P下降；當汽缸里的蒸汽 冷凝成為真空時，大氣壓力就會推動活塞P下降，它就帶動著杠桿D的R將 平衡錘N提起，使地下水被大氣壓力擠壓著，沖開活塞P涌入水泵。這樣， 只要連接著鍋爐的汽缸不斷充汽、冷凝，它的

3、活塞P就會不斷地上下往復， 成為有節律的運動，抽水機也就連續不斷地工作了。1.1.1紐可門蒸汽機工作原理的分析：打開進氣閥時，鍋爐產生蒸汽進入汽缸，高溫蒸汽的膨脹力對活塞做功使 其向上運動，通過一個杠桿連接使另一端的活塞向下運動；關閉進氣閥并對氣 缸降溫，蒸汽冷凝，氣缸內形成真空，大氣壓力把對活塞做功使其向下運動， 由于杠桿鏈接使另一端的活塞向上運動，這是一個沖程。1.1.2紐可門蒸汽機動力分析：主要動力來源：大氣；次要動力來源：蒸汽膨脹力1.1.3紐可門蒸汽機工作效率分析：每一個沖程都將剛產生的蒸汽冷凝，并未充分利用高溫蒸汽的膨脹力。下 一個沖程開始時又要對水加熱來產生新的蒸汽。大量蒸汽浪費

4、，能量浪費因而工 作效率低。1.2瓦特探尋解決紐可門蒸汽機低效率的方案:1.2.1猜想致使低效率的可能：氣缸的材質，氣缸與鍋爐的大小比例，動力來源1.2.2找到致使低效率的關鍵因素：通過實驗1，實驗2,實驗3,得出致使低效率的關鍵因素應該是動力來源。1.2.3分析解決方法：提高蒸汽膨脹力的利用效率，則要減少蒸汽浪費。造成蒸汽浪費的原因是對蒸汽冷凝，其目的是產生真空，進而獲得大氣壓力作為 動力。所以，如果不再利用大氣作為主要動力來源，而改用蒸汽那么問題就解決了。1.2.4理論可行性：1.2.4.1潛熱理論：在熱化學中，是物質在物態變化（相變）過程中，在溫度沒有變化的情況下， 吸收或釋的能量。潛熱

5、這個字一般已較少使用，取而代之的是現代觀念的相變焓。 潛熱可分為熔化熱及汽化熱，視乎當畤熱能的物態流動方向：固態-液態- 氣態當相變是由固態轉為液態再轉為氣態，能量改變是吸熱性的；當相變是另一個方 向的畤候，能量改變是放熱性的。例如在大氣環境下，當一個水分子從水表面蒸 發畤，熱能是由該水分子傳送至含有較多水蒸汽而較低溫度的空氣中。由從在將 水轉化為水蒸汽是需要能量，水蒸汽就是釋放能量的物體。若水蒸汽經由凝結或 沉積轉為液態或固態，儲存了的能量會以能感受的熱能釋放。潛熱理論從理論的 高度論證了熱能轉化為機械能的可行性。1.2.4.2蘭金（朗肯）循環圖1為蘭金循環在壓一容（P-V）圖和溫一熵（T-

6、S）圖下的表示。它是由汽 輪機（或蒸汽機）中的絕熱膨脹過程1-2、凝汽器中的定壓凝結放熱過程 2-3、水泵中的絕熱壓縮過程3-4，以及鍋爐中水的定壓加熱、汽化和蒸汽的 過熱過程4-5-6-1所組成的可逆循環。蘭金循環的熱效率為式中H1、H2、H3、H4分別表示工質在相應狀態點1、2、3、4上的焓值，可由蒸汽圖表根 據壓力和溫度等參數加以確定。汽輪機進口處蒸汽的初溫和初壓越高，出口 處排汽壓力越低，則 t就越高（圖2、圖3）。排氣壓力的降低受環境溫度 或供熱用戶要求的限制，所以提高初溫和初壓是提高 t的重要途徑。蘭金 循環也是余熱動力回收裝置、地熱和太陽能動力等裝置的基本循環1.2.5從理論到實

7、際裝置一引入分離式冷凝器:設計兩個氣缸：一個用于承裝蒸汽，另一個用于讓蒸汽降溫鍋爐B與汽缸E相通，汽缸E中充滿汽后通往冷凝器C，再從W處向C噴澆冷 水使蒸汽冷卻。冷凝器的充汽與冷凝帶動與之相連的活塞P上下運動，活塞P 再帶動和上面相連的杠桿動作。這樣汽缸與冷凝器分開，汽缸可以永遠保持必 須的高溫，而單使蒸汽冷凝冷凝器可以不間斷的工作。這樣不但節省了大量的 燃料，也可使蒸汽機的工作不再斷斷續續，節省了大量的時間，大大提高了效二，儀器結構:瓦特蒸汽機氣缸，活塞，鍋爐，杠桿，噴水管，分離式冷凝器瓦特蒸汽機三，相關實驗:3.1實驗1探究氣缸材質對熱效率的影響：用大小，形狀，完全相同的鐵制和銅制的氣缸分

8、別進行多次實驗，比較熱效率的 大小。結果證明：氣缸的材質對熱效率沒有明顯影響。3.2實驗2探究氣缸大小對熱效率的影響：用材質相同大小不同的氣缸分別就行多次實驗，比較熱效率大小。結果證明：氣缸的大小對熱效率沒有明顯影響。3.3實驗3驗證蒸汽的潛熱：用一把水壺，從壺嘴上接一根管子，通進一個帶刻度的并盛有冷水的燒瓶里。 然后把水壺里的水燒開，直到燒瓶里的水的 溫度達到沸點，此時就再也沒有一 點蒸汽會冷凝了。燒瓶里的水的數量已增加了 1/6,這便是蒸汽冷凝下來的水。由此他做出了正確的推算：如果要把水變成蒸汽，那么在水達到沸點時， 它就能比原來它本身的體積增加6倍。然后，他又把這一結果轉換成溫度 的形式

9、，他的辦法是把1克水從零攝氏度提高到100攝氏度所需要的熱 量，作為100個熱量單位。試驗開始的時候，燒瓶里冷水的溫度是11攝 氏度，因此要把這1克水的溫度提高到沸點，就需要89個熱量單位。然 而，這項試驗卻表明：從水壺里出來的蒸汽，能夠將與其等量水的溫度提 高到沸點，并使其體積增加6倍，其結果是所耗費的熱量單位為534個。、小結:一. 在傳統的氣缸上添加分離式冷凝器成功地將蒸汽的產生和冷凝分開在兩個空間內 進行；使得“對水加熱來產生蒸汽，再冷凝蒸汽產生真空”所造成的大量能源浪費的 問題得以解決二.再單一的氣缸里增加一個小氣缸；成功地讓高溫蒸汽所具有的膨脹力代替大氣壓力對活 塞做功，使得活塞的動力不再依賴于大氣壓，實現了蒸汽動力五、討論：（一）此時的蒸汽機只能提供往復直線運動而主要應用于抽水泵上。熱效率低已不是蒸 汽機的主要缺點，蒸汽機并不能為絕大多數機器提供動力，而蒸汽機的活塞只 能作單向的往返的直線運動才是它的根本局限。（二）雖然添加了分離式冷凝器，（熱機的工作模式一般可以簡化為熱力學循環的模型。） 但從熱力學循環角度來講，此時的蒸汽機的效率仍然偏低，原因是活塞只能單向推動。（三）由于限于當時的技術工藝問題，此時的蒸汽機只能使用低壓蒸汽，機械的輸出功 率有限。后言（蒸汽機的繼續發展改進）