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瓦特对纽可门蒸汽机的第一次改进
【摘要】
瓦特对纽可门蒸汽机进行改造，在结构方面，在单一的汽缸外增加一个分离式冷凝器用于对蒸汽进行降温。这使得蒸汽的保温和降温分开在两个汽缸中进行。在热效率方面，利用潜热原理，充分利用了水蒸气的潜热，并且让其膨胀力做功。这两者减少了蒸汽耗费，同时提高了蒸汽利用率。
【关键词】
蒸汽机，蒸汽，分离式冷凝器，潜热理论（焓变理论）
【前言】
17世纪末，欧洲工业快速发展人力和畜力已远远不能满足人们对生产动力的需求。帕潘，萨弗里等科学家陆续发明了蒸汽机，蒸汽动力成为了工业生产的新宠。而后纽可门蒸汽机正是用于工厂生产之中，节省了大量人力。然而纽可门蒸汽机却存在耗能过多，效率太低的缺点，因而无法在工业生产中推广。瓦特对纽可门蒸汽机进行改进使得其效率提高了三倍。也使得瓦特蒸汽机在工业生产中广泛被使用，最终掀起了第一次工业革命的高潮。

一、方法原理

1.1纽科门蒸汽机的结构及其工作原理：
锅炉 B
与汽缸C 相通连，汽缸上面有一个活塞 P在动作，活塞 P 是杠杆D 的一端，
当汽缸里的蒸汽膨胀时，推动活塞P 上升，使杠杆D 的另一端 R 下降，R 下
面连接有重量的平衡锤 N，N 挤压着水泵上的活塞 P'下降；当汽缸里的蒸汽
冷凝成为真空时，大气压力就会推动活塞 P 下降，它就带动着杠杆D 的R将
平衡锤N提起，使地下水被大气压力挤压着，冲开活塞 P' 涌入水泵。这样，
只要连接着锅炉的汽缸不断充汽、冷凝，它的活塞P就会不断地上下往复，
成为有节律的运动，抽水机也就连续不断地工作了。
1.1.1纽可门蒸汽机工作原理的分析：
打开进气阀时，锅炉产生蒸汽进入汽缸，高温蒸汽的膨胀力对活塞做功使其向上运动，通过一个杠杆连接使另一端的活塞向下运动；关闭进气阀并对气缸降温，蒸汽冷凝，气缸内形成真空，大气压力把对活塞做功使其向下运动，由于杠杆链接使另一端的活塞向上运动，这是一个冲程。
1.1.2纽可门蒸汽机动力分析：
主要动力来源：大气；
次要动力来源：蒸汽膨胀力
1.1.3纽可门蒸汽机工作效率分析：
每一个冲程都将刚产生的蒸汽冷凝，并未充分利用高温蒸汽的膨胀力。下一个冲程开始时又要对水加热来产生新的蒸汽。大量蒸汽浪费，能量浪费因而工作效率低。
1.2瓦特探寻解决纽可门蒸汽机低效率的方案：
1.2.1猜想致使低效率的可能：
气缸的材质，气缸与锅炉的大小比例，动力来源
1.2.2找到致使低效率的关键因素：
通过实验1，实验2，实验3，得出致使低效率的关键因素应该是动力来源。
1.2.3分析解决方法：
提高蒸汽膨胀力的利用效率，则要减少蒸汽浪费。
造成蒸汽浪费的原因是对蒸汽冷凝，其目的是产生真空，进而获得大气压力作为动力。
所以，如果不再利用大气作为主要动力来源，而改用蒸汽那么问题就解决了。
1.2.4理论可行性：
1.2.4.1潜热理论：
在热化学中，是物质在物态变化（相变）过程中，在温度没有变化的情况下，吸收或释的能量。潜热这个字一般已较少使用，取而代之的是现代观念的相变焓。潜热可分为熔化热及汽化热，视乎当時热能的物态流动方向：固态 → 液态 → 气态
当相变是由固态转为液态再转为气态，能量改变是吸热性的；当相变是另一个方向的時候，能量改变是放热性的。例如在大气环境下，当一个水分子从水表面蒸发時，热能是由该水分子传送至含有较多水蒸汽而较低温度的空气中。由从在将水转化为水蒸汽是需要能量，水蒸汽就是释放能量的物体。若水蒸汽经由凝结或沉积转为液态或固态，储存了的能量会以能感受的热能释放。潜热理论从理论的高度论证了热能转化为机械能的可行性。
1.2.4.2兰金（朗肯）循环

图1为兰金循环在压－容（ｐ-V）图和温－熵 (T-S)图下的表示。它是由汽轮机（或蒸汽机）中的绝热膨胀过程 1-2、凝汽器中的定压凝结放热过程 2-3、水泵中的绝热压缩过程3-4,以及锅炉中水的定压加热、汽化和蒸汽的过热过程4-5-6-1所组成的可逆循环。兰金循环的热效率为式中H1 、H2、H3、H4分别表示工质在相应状态点1、2、3、4上的焓值,可由蒸汽图表根据压力和温度等参数加以确定。汽轮机进口处蒸汽的初温和初压越高，出口处排汽压力越低，则ηt就越高（图2、图3）。排气压力的降低受环境温度或供热用户要求的限制，所以提高初温和初压是提高ηt的重要途径。兰金循环也是余热动力回收装置、地热和太阳能动力等装置的基本循环

1.2.5从理论到实际装置——引入分离式冷凝器：

设计两个气缸：一个用于承装蒸汽，另一个用于让蒸汽降温
锅炉B与汽缸E相通，汽缸E中充满汽后通往冷凝器C，再从W处向C喷浇冷水使蒸汽冷却。冷凝器的充汽与冷凝带动与之相连的活塞P上下运动，活塞P再带动和上面相连的杠杆动作。这样汽缸与冷凝器分开，汽缸可以永远保持必须的高温，而单使蒸汽冷凝冷凝器可以不间断的工作。这样不但节省了大量的燃料，也可使蒸汽机的工作不再断断续续，节省了大量的时间，大大提高了效率。

二，仪器结构：

气缸，活塞，锅炉，杠杆，喷水管，分离式冷凝器

三，相关实验：

3.1实验1
探究气缸材质对热效率的影响：
用大小，形状，完全相同的铁制和铜制的气缸分别进行多次实验，比较热效率的大小。
结果证明：气缸的材质对热效率没有明显影响。
3.2实验2
探究气缸大小对热效率的影响：
用材质相同大小不同的气缸分别就行多次实验，比较热效率大小。
结果证明：气缸的大小对热效率没有明显影响。
3.3实验3
验证蒸汽的潜热：
用一把水壶，从壶嘴上接一根管子，通进一个带刻度的并盛有冷水的烧瓶里。然后把水壶里的水烧开，直到烧瓶里的水的 温度达到沸点，此时就再也没有一点蒸汽会冷凝了。烧瓶里的水的数量已增加了 1/6，这便是蒸汽冷凝下来的水。
由此他做出了正确的推算： 如果要把水变成蒸汽，那么在水达到沸点时，它就能比原来它本身的体积增加 6 倍。然后，他又把这一结果转换成温度的形式，他的办法是把 1 克水从零摄氏度提高到 100 摄氏度所需要的热量，作为 100 个热量单位。试验开始 的时候，烧瓶里冷水的温度是 11 摄氏度，因此要把这 1 克水的温度提高到沸 点，就需要 89 个热量单位。然而，这项试验却表明：从水壶里出来的蒸汽， 能够将与其等量水的温度提高到沸点，并使其体积增加 6 倍，其结果是所耗 费的热量单位为 534 个。

四、小结：
一． 在传统的气缸上添加分离式冷凝器成功地将蒸汽的产生和冷凝分开在两个空间内进行；使得“对水加热来产生蒸汽，再冷凝蒸汽产生真空”所造成的大量能源浪费的问题得以解决
二．再单一的气缸里增加一个小气缸；成功地让高温蒸汽所具有的膨胀力代替大气压力对活塞做功，使得活塞的动力不再依赖于大气压，实现了蒸汽动力
五、讨论：
（一）此时的蒸汽机只能提供往复直线运动而主要应用于抽水泵上。热效率低已不是蒸汽机的主要缺点，蒸汽机并不能为绝大多数机器提供动力，而蒸汽机的活塞只能作单向的往返的直线运动才是它的根本局限。
（二） 虽然添加了分离式冷凝器，（热机的工作模式一般可以简化为热力学循环的模型。）但从热力学循环角度来讲，此时的蒸汽机的效率仍然偏低，原因是活塞只能单向推动。
（三）由于限于当时的技术工艺问题，此时的蒸汽机只能使用低压蒸汽，机械的输出功率有限。

后言（蒸汽机的继续发展改进）
一， 通过曲柄传动，使用了“太阳与行星”的曲柄齿轮传动系统，解决了活塞的单向的往返的直线运动。
二， 发明了双向气缸，使得蒸汽能够从两端进出从而可以推动活塞双向运动，而不是以前那样只能单向推动。
三， 使用节气阀门与离心节速器来控制气压与蒸汽机的运转；发明了一种气压示工器来指示蒸汽状况，使机器的安全性得以保证。