【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。

第八章热机

【山话||  本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于4.186焦耳。另外这套老教材中的力的单位常用公斤，如今是不允许的，力是不能使用公斤为单位的。】 

§8-4蒸汽在汽缸内膨胀做功

【01】从§8-3的学习中已经知道蒸汽机工作的主要原理是利用蒸汽在汽缸中膨胀做功。现在用 P-V 图（图8·24）来研究汽缸中蒸汽压强变化的情况和蒸汽做功的过程。为了详细地了解它的变化过程，我们把它分为六个阶段来讨论。

【02】(1)开始时，汽缸左面的进汽管和汽室相通，过热蒸汽立即冲进汽缸由于这时活塞在汽缸的左边还没有开始运动，所以汽的压强在急剧地增加。这一阶段，可以近似地看作为等容变化过程：汽缸中蒸汽的体积不变，而压强却从冷凝器中废汽的压强升高到锅炉新蒸汽的压强。相应地在 P-V 图中，以直线 AB 来表示。在等容升压时，蒸汽不对外做功。

【03】(2)左边的进汽管还开放着，而活塞在高压蒸汽的作用下向右移动。因为在这一阶段汽缸和锅炉是始终相通的，所以蒸汽的压强总是保持不变，并等于锅炉中的蒸汽压。这个过程可以看作是等压变化过程，用等压线 BC 来表示。在等压变化过程中，蒸汽所做的功，在数值上等于四边形 BCC₁B₁B 的面积。

【04】(3)这时滑动阀把进汽管关闭，汽缸里的蒸汽就开始绝热膨胀，消耗它的内能来推动活塞做功。因此，它的压强逐渐减小，我们用绝热线 CD 来表示它的变化。在这个过程中，蒸汽所做的功在数值上等于 CDD₁C₁C 所包围的面积。

【05】(4)当活塞到达汽缸的右端时，滑动阀使汽缸的左边和排汽管相通，使已经做过功的蒸汽开始排出。这时蒸汽的压强突然下降到跟冷凝器中的压强相同，在这一瞬间，蒸汽体积可以近似地看做不变，我们用直线 DE 来表示。

【06】(5)由于飞轮的惯性，带动活塞通过静点，并向相反方向运动。因此为了要排除汽缸中的废汽，就要反抗它的压强而做功。废汽的压强总是等于冷凝器的压强，所以是一种等压变化过程，并用等压线 EA 来表示。但这时不是蒸汽对外做功，而是活塞依靠飞轮的惯性对废汽做功。活塞对废汽所做的功，在数值上等于 EAB₁D₁E 所包围的面积。

【07】(6)当活塞反向运动到开始时，左面的汽缸又恢复到情况(1)，这时蒸汽压强又开始急剧上升。只有采用这样周而复始的变化，才能使蒸汽机继续不断地工作。

那么蒸汽机运转一周究竟做了多少功呢？

【08】从 P-V 图中可以看出，图形 B₁BCDD₁B₁ 所包围的面积表示蒸汽在等压变化和绝热膨胀时所做的功的和，也就是蒸汽对活塞所做的总功。图形 EAB₁D₁E 包围的面积表示活塞在排除废汽时对废汽所做的功。因此要计算蒸汽机运转一周所做的有用功，应该从 B₁BCDD₁B₁ 的面积中，减去 EAB₁D₁E 的面积，也就是应当等于图形 ABCDEA 的面积。

【09】根据图形可以计算出蒸汽机运转一周所做的功，如果还知道它在单位时间里的运转周数，就能够计算出蒸汽机的功率和某一段时间内所做的总功。

【10】图线 ABCDEA 称为蒸汽机的示功图。实际上由于蒸汽机在工作中要受到很多其他因素的影响，所以它的几个过程不是严格地等容、等压或绝热地进行，而仅仅是近似于这种情况。为了简化问题、便于掌握事物的本质起见，我们常常忽略一些次要的因素。但是在进行蒸汽机的设计，研究蒸汽量的分配和汽缸的有效压强时，就要掌握住汽缸中的具体情况。这时常常用一些精密的仪器，将汽缸中压强变化的实际情况描绘出来，再做详细的计算和研究。由于这已超出本书的范围，这里不再详细地说明了。

习题8-4

1、蒸汽机是怎样工作的？

2、多级膨胀和提前闭汽的作用是什么？

3、冷凝器的构造和用途是怎样的？

4、蒸汽机的压强体积图是怎样画成的？图上的各线段表示什么意义？