第二節(jié)　蒸汽機與第一次工業(yè)革命

蒸汽機是將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換為機械功的動力機械，蒸汽機的出現(xiàn)曾引起了18世紀的工業(yè)革命。直到80世紀初，它仍然是世界上最重要的動力機械，后來才逐漸被內(nèi)燃機和汽輪機等替代。

蒸汽機的發(fā)展與第一次工業(yè)革命

蒸汽用來作為動力古已有之，而使蒸汽動力技術(shù)實用化方面邁出了一大步的是法國工程師巴本。1679年，巴本研制出一種“蒸煮器”，“蒸煮器”就是現(xiàn)代人們常用的高壓鍋。

巴本制造的“蒸煮器”完全密封，水在里面煮沸后產(chǎn)生的蒸汽壓使沸點升高，高溫使食物極易煮爛，鍋蓋上還裝有安全閥防止蒸汽壓力過高。巴本在蒸煮器的基礎(chǔ)上制成了第一臺帶活塞的蒸汽機，這是一個單缸活塞式蒸汽機。汽缸底部放有少量的水，將汽缸加熱時所產(chǎn)生的蒸汽推動活塞至頂端，再將熱源撤除，里面的蒸汽冷凝形成真空，于是汽缸內(nèi)的活塞在大氣壓力作用下下落。

循環(huán)過程與熱機效率

蒸汽機等熱機是通過循環(huán)過程實現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)化為機械能的機器。物質(zhì)系統(tǒng)（簡稱工質(zhì)）從某個狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過若干個分過程，又回到它的原來狀態(tài)的整個過程稱為循環(huán)過程，或簡稱循環(huán)。

循環(huán)過程的特點：工質(zhì)經(jīng)過一循環(huán)，內(nèi)能不變。在p—V圖上，工質(zhì)的循環(huán)過程可用一條閉合曲線來表示，沿順時針方向進行的循環(huán)是正循環(huán)，與熱機的循環(huán)相對應；沿逆時針方向進行的循環(huán)是逆循環(huán)，與制冷機的循環(huán)相對應。

熱機循環(huán)的工作原理是：在熱機的每一次循環(huán)中，工質(zhì)從高溫熱源吸收熱量Q，增加內(nèi)能，并將一部分內(nèi)能通過做功轉(zhuǎn)化為機械能（凈功）A＝Q₁－Q₂，另一部分內(nèi)能通過向低溫熱源放熱而傳給外界Q₂，使工質(zhì)又回到原始狀態(tài)。

為了表述在一個正循環(huán)中工質(zhì)所吸收的熱Q₁有多少轉(zhuǎn)化為有用功（即凈功）A，以評價熱機的工作效益，我們定義熱機的效率（或正循環(huán)的效率）為

在熱機循環(huán)中，工質(zhì)總要向外界放出一部分熱量，即Q₂不能等于零，所以熱機效率永遠是η＜1。如早期的蒸汽機效率僅為4%左右。

卡諾熱機

19世紀初，蒸汽機在生產(chǎn)中起著越來越大的作用，但將熱轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械運動的理論研究一直未形成，瓦特等工程技術(shù)人員主要憑經(jīng)驗摸索并改進機器。當時生產(chǎn)技術(shù)提出的比較緊迫的問題是如何提高蒸汽機的熱效率，即盡可能多地將熱能轉(zhuǎn)化為機械能，法國工程師卡諾從理論上說明熱機運行過程并建立了相關(guān)理論。

卡諾為了研究熱機的效率與哪些因素有關(guān)，他構(gòu)想了一臺理想熱機，這種熱機有一個高溫熱源和低溫熱源，循環(huán)過程是由兩個絕熱過程和兩個等溫過程組成，現(xiàn)在把這種理想的循環(huán)過程叫做卡諾循環(huán)，由卡諾循環(huán)組成的熱機叫卡諾熱機。他證明了卡諾熱機的效率與高低溫熱源溫度之差成正比，而與循環(huán)過程之中的溫度變化無關(guān)?？ㄖZ熱機效率為

式中，T₁，T₂分別為高溫熱源和低溫熱源的溫度。

他還證明了：卡諾熱機的熱效率是所有熱機中熱效率最高的，其他熱機效率總是小于卡諾熱機的效率。

由此可以知道提高熱機效率的途徑：第一是提高高溫熱源溫度；第二是降低低溫熱源溫度。但是要降低低溫熱源的溫度在實際中是困難的。例如，在蒸汽機中低溫熱源的溫度是用來冷卻的冷凝器的溫度。要想獲得更低的溫度，就必須加制冷機，制冷機要消耗外界能量，因而用降低低溫熱源溫度來提高熱機效率是不經(jīng)濟的，所以提高熱機效率最好從提高高溫熱源溫度著手。另外，在實際中可以通過減少汽缸的漏氣及摩擦、提高絕熱性等方法來提高熱機效率。

卡諾還獨立地提出了能量守恒原理，可惜卡諾的這一成果還未發(fā)表就由于染上霍亂而突然去世，其手稿和筆記直到1878年才由他的弟弟發(fā)現(xiàn)并發(fā)表。

他在筆記中寫道：“熱不是別的東西，而是動力（能量），或者可以說是改變了形態(tài)的運動，它是一種運動。動力是自然界的一個不變量。準確地說，它既不能產(chǎn)生，也不能消滅。實際上它只改變它的形式，也就是說，它有時引起一種運動，有時則引起另一種運動，但絕不消滅”。