【种花家务·物理】2-8-03蒸汽机『数理化自学丛书6677版』
【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。】
§8-3蒸汽机
【01】从锅炉里出来的高压过热蒸汽蕴藏有很多的能量，通过蒸汽机可以把它释放出来对外作功。下面我们就来讨论一下蒸汽机是怎样工作的。
【02】图8·14所示的是一种卧式蒸汽机，图中 1 是卧式汽缸，2 是活塞，3 是汽室，4 是曲柄，5 是飞轮，6 是离心节速器，7 是排气管，8 是进汽管，9 是偏心轮。
1、蒸汽机的构造和工作原理
(1)汽缸和汽室：
【03】汽缸是蒸汽膨胀做功的部分，也是蒸汽机中最主要的组成部分。如图8·15所示，1 是汽缸；2 是活塞，它可以在汽缸内往复移动，但又须与汽缸紧密连接而不漏汽。汽缸上有一个汽室 3，汽室里有四个汽管。汽管 4 和 5 与汽缸两端相通；汽管 6 是进汽管，过热蒸汽由它通入；汽管 7 是排气管。汽室内还有一个可以左右移动的滑动阀 8，它在同一时刻内只能遮住两个管口：排汽管口和某一个通汽缸的管口。
【04】在图8·15所示的情况下，过热蒸汽经过汽管 6，进入汽室 3，再从汽室 3 通过开启着的右汽管 5，进入汽缸的右边。也就是说，这时汽缸右端和锅炉连通，从锅炉来的高压过热蒸汽推动活塞向左移动。被滑动阀覆盖着的左汽管 4 跟排汽管 7 连接，因此活塞左边的蒸汽被活塞推压，从汽管 4 经过排气管 7 排出。
【05】活塞间接带动滑动阀运动，在活塞向左移动的后一段时间里，滑动阀向右移动。结果当活塞到达汽缸左端时，滑动阀把右汽管 5 关闭，左汽管 4 打开。在图8·16中，蒸汽从左汽管 4 进入汽缸，推动活塞向右移动。而汽缸右面刚刚经过膨胀的废汽经过右汽管 5 排出。当活塞移动到汽缸右端时，滑动阀又回到图8·15所示的状态。这样由于蒸汽膨胀做功推动活塞，往复不停地运动着。
(2)将活塞左右移动变成飞轮转动的装置：
【06】这部分的工作原理跟我们推磨子的情况很相似，如图8·17所示，人手前后移动，可以通过曲柄的作用，变成磨子的转动。在图8·18中，1 是活塞，2 是活塞杆，3 是十字头，4 是连杆，5 是曲柄，6 是飞轮。活塞上的活塞杆跟十字头连在一起，十字头在两块导板里左右运动。导板是彼此平行的，因此活塞杆只能左右移动，不能上下运动。十字头 3 通过连杆和曲柄连接在一起，当活塞运动时，连杆拉动曲柄，并带着机轴转动。当活塞在最左或最右的位置时，活塞杆、连杆和曲柄位于一条直线上。连杆不能使曲柄转动。这个位置叫做静点，为了使曲柄在静点的时候还能够继续转动，就在机轴上装置一个很重的飞轮，依靠它的惯性，使曲柄通过静点，维持机器连续不断地转动。
(3)滑动阀的运动：
【07】图8·19滑动阀上的阀杆，由一个活动接头 1 和偏心轮杆 2 相连接。偏心轮杆的末端是一个圆环 3，叫做偏心轮套，轮套套在偏心轮 4 外，随着偏心轮的转动而运动，偏心轮牢固地装在机轴上，而机轴是通过偏心轮中心的一边的。当活塞推动机轴转动时，偏心轮随着而转动，推动偏心轮套，偏心轮套又带动偏心轮杆和阀杆作往复的运动。
【08】滑动阀不仅要有规则地管理着蒸汽的进出，而且还要控制进汽的多少，因此滑动阀的形状，偏心轮和曲柄的相对位置都要经过精确的计算和设计，使它起到分配蒸汽和调节蒸汽的作用。
【09】图8·20是蒸汽机轮轴转动一周各部分的工作示意图。
2、冷凝器
【10】蒸汽在汽缸中膨胀做功以后，内能已经减少，我们把它叫做废汽，或称为废工质。要让蒸汽机继续工作，就必须把废工质从汽缸中排出，并再吸进新工质来。容纳废工质的装置就叫做冷凝器。
【11】轮船上和工厂中使用的蒸汽机，大都装有特别的冷凝器，而火车上的蒸汽机是用大气作为冷凝器，直接把废汽排入大气中。蒸汽机的冷凝器常常根据需要而有不同的形式。
【12】图8·21是一种喷射式凝汽器的示意图。汽缸内的废汽沿排汽管进入由铸铁制成的圆筒里，冷水从冷水管引入，在冷水管的末端有许多小孔，水就从小孔喷出，成为许多细流。蒸汽和喷入的冷水混合后，被冷却而凝结成水，并沿排水管流出。空气可以从抽气口抽出，以减低筒里的压强。
【13】另一种是水管式冷凝器，如图8·22所示，它是由许多穿过鼓形圆筒的管子组成的。冷水在管中流过，而废气在管外通过。废汽冷却后大部分凝结成水并从排水管流出，它们经过去油污的处理后可以再行送到锅炉里作为给水，因为在这样的水中所含有的杂质很少，所以对锅炉的损害也很小，这就延长了锅炉的寿命，同时由于废汽水的温度较高，可以节约大量的燃料。
3、提前闭汽和多级膨胀
【14】如果从汽缸排出的废蒸汽的温度和压强都很高，那么总是要白白地浪费掉许多能量，因此我们应该设法尽可能多地利用蒸汽膨胀做功。于是在生产实践经验的基础上，人们又提出了提前闭汽和多级膨胀这两种方法来充分利用蒸汽的能量。
【15】提前闭汽：在活塞离开行程终点还有相当距离的时候，就设法使滑动阀将进汽管遮住，停止新蒸汽的供给，这叫做提前闭汽，或叫做断汽。断汽后汽缸中的蒸汽就要进行绝热膨胀，推动活塞做功并减少内能，于是蒸汽的压强和温度也都要降低。由于这时废汽的温度比不实行提前闭汽时废汽的温度低，并且排出的废汽量也比不提前闭汽时来得少，这就使蒸汽中内能的利用率大大地提高。
【16】多级膨胀：上面讲了用提前闭汽来使汽缸里的蒸汽绝热膨胀，结果使蒸汽的温度和压强迅速下降，但是由于蒸汽的温度下降时，汽缸壁和活塞的温度也要随着而下降，因此当再通入新蒸汽时，就需要将一部分热量传给汽缸壁和活塞，而这部分热量在废汽排出时又被废汽带走，这样就引起了换热损失。换热损失随着新蒸汽和废汽的温度差的增加而增大。同时又由于蒸汽压强下降也会增加新蒸汽与废汽之间的压强差。当压强差过大时，可能引起汽缸汽室中的漏汽现象，使一部分新蒸汽还没有做功就从排汽口泄出，造成能量的损失。为了避免上述问题的产生，可以采用多级膨胀的方法，不让蒸汽的温度在一个汽缸中降低得过多，而让它在第一级汽缸膨胀后，再进入第二、第三个汽缸进行膨胀，经过几次的膨胀后再排出去，这样，在每个汽缸里温度和压强的下降并不大，而换热损失和漏汽损失也就减少了。
【17】蒸汽依次通过二个或三个汽缸，最后才作为废汽从排气管排出的蒸汽机，叫做二级膨胀式蒸汽机，或者是三级膨胀式蒸汽机。图8·23所示的就是一个三级膨胀式蒸汽机，蒸汽每膨胀一次，体积就增加一些，同时压强也减小一些。所以第二级汽缸的活塞面积应该比第一级的大，第三级的又应该比第二级的大，这样才能使蒸汽对各级活塞的推力接近相等。
【18】多级膨胀蒸汽机的管理比较麻烦，因此在实际中，二级膨胀蒸汽机比校普遍，三级以上的就应用得比较少了。
【19】总的来说，蒸汽机具有下列的优点：制造、保养、操作都比较简单，结构坚固耐用，可以使用多种燃料，开倒车很容易，并且也可以在很大的功率范围内工作，所以它已经被广泛地应用在水路运输和铁路运输上。
