6．蒸汽机
奇迹概览 蒸汽机是一种把蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械。蒸汽机的出现，曾引起了18世纪的工业革命。直到20世纪初，它依然是世界上最为重要的原动机。后来，它才渐渐地被让位于内燃机和汽轮机等。可以说，蒸汽机是工业革命的领头羊，恩格斯在《自然辩证法》中对蒸汽机这样评论道：“没有蒸汽机的出现，就没有人类近代工业文明。”由此可见，蒸汽机的发明对人类所做出的巨大贡献。 ⊙奇迹探秘： 1．蒸汽机的发明者是谁？是在什么时间发明的？? 很多人认为，瓦特是蒸汽机的发明者，其实并非如此。他只是对当时已经出现的蒸汽机做了一系列的重大改进，发明了单缸动式和双缸动式蒸汽机，大大提高了蒸汽机的热效率和运行的可靠性，对当时的社会生产力的发展做出了重大贡献。 詹姆斯·瓦特（1736—1819），英国著名发明家、工业革命时期的重要人物、英国皇家学会会员、法兰西科学院外籍院士。他出生于英国格拉斯哥的一个商人家庭。童年时代，他曾在文法学校读过书，但他没有受过系统的教育。在父亲做工的工厂里，他学到了很多机械制造方面的知识。后来，他到了伦敦一家钟表店做学徒。1763年，他到格拉斯大学工作，修理教学仪器。在大学里，他经常与教授讨论理论和技术问题。1765年，29岁的瓦特发明了带有单独冷凝器的蒸汽机，从此拉开了第一次工业革命的序幕。1781年，他制造了从两边推动活塞的双动蒸汽机。1785年，他因改进蒸汽机的重大贡献被选为皇家学会会员。1819年8月25日，他在靠近伯明翰的希斯菲德逝世。在他的讣告中有对他发明蒸汽机的赞颂：“它武装了人类，使虚弱无力的双手变得力大无穷，健全了人类的大脑以处理一切难题。它为机械动力在未来创造奇迹打下了坚实的基础，将有助并报偿后代的劳动。” 2．国际单位中，功率与电功率的单位是什么？为什么？ 国际单位制的功率和电功率的单位都是瓦特，符号为W。1瓦特＝1焦耳/秒，也就是每秒钟转换、使用或耗散的能量（以焦耳为量度单位）的速率。在日常生活中，常以千瓦为单位，1千瓦＝1000瓦特。这一单位是纪念詹姆斯·瓦特对蒸汽机的发展做出的重大贡献而以他的名字（James Watt）命名的。走近奇迹 蒸汽机的发明，点燃了第一次“工业革命”的导火线。它的出现，可以说是历史的必然。 16世纪末至17世纪的后期，英国的采矿业，特别是煤矿，已发展到了相当大的规模。所以，仅仅靠人力和畜力已经很难再满足排出矿井地下水的要求了，而矿井的周围又有非常丰富而价廉的煤作为燃料。因为现实的需要，很多人开始致力于“以火力提水”的研究。 1690年，一位名叫巴比的法国人首先发明了第一台活塞式蒸汽机，但这台蒸汽机并没有实用价值。1698年，英国的一位名为塞莱斯的技师发明了实用的无活塞式蒸汽机。这种机器在矿井中得到了广泛的应用，还被称为“矿山之友”，而且还获得了专利。它依靠真空的吸力吸水，吸水的深度不能超过6米。为了把几十米深的矿井里的水吸上来，必须要把提水机装在矿井的深处，用比较高的蒸汽压力才能把水压到地面上来，这在当时是困难而又危险的。另外，因为受当时材料和技术的限制，没有办法大范围地推广这种蒸汽机。 1712年，一位名叫纽科门的毫无名气的铁器商发明了第一台实用的蒸汽机。这种蒸汽机先是在英国，后来在欧洲得到迅速推广，其改型产品直到19世纪初还在制造。但是，这种蒸汽机的热效率很低，主要是因为蒸汽进入汽缸时，在刚被水冷却过的汽缸壁上冷凝而损失掉很多热量，所以，它只在煤价低廉的产煤区推广。 1764年，当时还是一名仪器修理工的詹姆斯·瓦特在为格拉斯哥大学修理纽科门蒸汽机模型时，注意到了这个缺点。后来，他自筹资金，租了地下室，买了很多设备，经过反复不懈的艰难的实验，他终于在1765年发明了与汽缸分离的冷凝器，解决了制造精密汽缸、活塞的工艺问题，他还在汽缸外壁加装了夹层，用蒸汽加热汽缸壁，从而有效减少冷凝损失。这样，他就制成了单动作蒸汽机。1769年，他取得了国家专利。 1782年，瓦特发明了具有连杆、飞轮和离心调速器的双动作蒸汽机，这种蒸汽机实用价值更高。因为它的阀门可以利用蒸汽的压力来推动活塞，既可向前又可向后，并借助连杆和飞轮把活塞的直线运动变成了圆周运动。为了保持蒸汽机匀速运转，瓦特把一个离心调速器连接在进汽活门上，使其自动调节进汽量。他还设计了一个和汽缸分离的冷凝器，将高温蒸汽从气缸中导出并冷却，使得主要汽缸能保持一定温度。同时，他提高了汽缸的精密度，把活塞和阀门也做得光滑、严密。他的思路原理非常新颖，效率也高得惊人。 瓦特的创造性工作使蒸汽机得到了迅速发展，使原来只能提水的机器成了可以普遍应用的蒸汽机，并使蒸汽机的热效率成倍提高，煤耗也大大地下降。也就是说，瓦特发明了现代意义上的蒸汽机。 从18世纪晚期起，蒸汽机不仅广泛应用于采矿业，而且还推广到冶炼、纺织、机器制造等行业和领域。蒸汽机的使用使得英国的纺织品产量在1766年到1789年的20多年内增长了5倍，为市场提供了大量消费商品，加速了资金的积累。 1776年，在船舶上采用蒸汽机作为推进动力的实验开始了。经过不断地改进，1807年，美国的富尔顿制成了第一艘实用的蒸汽机船“克莱蒙”号。从此以后，蒸汽机在船舶上作为推进动力达100多年。 1800年，英国的特里维希克设计了一种高压蒸汽机，这种机器可以安装在较大车体上。1803年，他把它用来推动在一条环形轨道上开动的机车，这就是机车的雏型。后来，史蒂芬逊不断改进机车，1829年创造了“火箭”号蒸汽机车，时速达46千米/时，开创了铁路时代。 19世纪末，电力应用兴起，电站中的主要动力机械就是蒸汽机。20世纪初，蒸汽机的发展达到了顶峰。当时的蒸汽机具有恒扭矩、可变速、可逆转、运行可靠、制造和维修方便等优点，被广泛用于电站、工厂、机车和船舶等各个领域。尤其值得一提的是，蒸汽机在军舰上成了当时唯一的原动机。 正是因为蒸汽机的发明，为工业大生产提供了强大的动力，从而使得人类社会的生产力得到迅猛的发展。 ⊙奇迹探秘： 3．世界上第一台蒸汽机是什么？? 人类对蒸汽的认识和利用，经历了一个漫长的历史过程。实际上，世界上第一台蒸汽机在公元1世纪就产生了，它就是古希腊数学家罗希发明的，但是它仅仅是一个玩具而已。约在1679年，法国物理学家家丹尼斯·巴本制造了第一台蒸汽机的工作模型。 相关链接【蒸汽机的构造】 简单蒸汽机主要由汽缸、底座、活塞、曲柄连杆机构、滑阀配汽机构、调速机构和飞轮等部分组成的。从锅炉来的新蒸汽，经过主汽阀和节流阀进入滑阀室，因为受滑阀的控制，所以会交替地进入汽缸的左侧或右侧，从而推动活塞运动。 知识百科【工业革命】 工业革命又称产业革命，指资本主义工业化的早期历程，即资本主义生产完成了从工场手工业向机器大工业过渡的阶段。工业革命是以机器生产逐步取代手工劳动，以大规模工厂化生产取代个体工厂手工生产的一场生产与科技革命。工业革命是资本主义经济发展的客观要求所决定的。工业革命在18世纪60年代开始于英国，首先从棉纺织业开始，逐步发展到采矿、冶金、机器制造、运输等部门。 18世纪80年代，因蒸汽机的使用而得到进一步发展。到19世纪上半叶，英国工业革命基本完成。法、德、美等国也于19世纪完成了工业革命。工业革命使人类跨入了机器时代，带来了生产力的巨大发展，以及社会阶级结构的变化，形成了近代工业资产阶级和无产阶级两大对立阶级；拉大了东西方社会进步的距离，并把世界纳入了资本主义的商品经济体系。7．内燃机奇迹概览 内燃机是相对蒸汽机而言的，蒸汽机是通过外部加热里面的水，形成蒸汽而膨胀，从而推动活塞往返，形成动力。而内燃机则是由燃料直接在气缸里燃烧膨胀推动活塞往返，进而形成动力。内燃机包括往复活塞式内燃机、自由活塞式发动机和喷气式发动机等。不过，人们通常所说的内燃机是指活塞式内燃机，常见的有柴油机和汽油机。内燃机具有许多优点，如体积小、质量轻、方便移动、热效率高等。 ⊙奇迹探秘： 1．世界上第一台内燃机的发明者是谁？是在哪一年发明的？ 目前，全世界各种类型的汽车、拖拉机和轮船以及农业机械、工程机械等都以内燃机为动力。内燃机在人类活动中占有非常重要的地位。内燃机的作用如此之大，那么世界上第一台内燃机是谁发明出来的呢？它是由一个名叫艾蒂安·勒努瓦的法国科学家模仿蒸汽机的结构设计制造出的，这台内燃机是以后生产的无数内燃机的“祖爷爷”。 艾蒂安·勒努瓦（1822—1900），法国发明家，出生于比利时。他非常勤奋好学，善于创新，一生中取得了多项发明成就。其中，最为出名的是他在1869年发明了世界上第一台实用的内燃机。这是一台用电点火、使用照明煤气为燃料的内燃机，它的基本结构与当时的蒸汽机相差不多。尽管这台内燃机的热效率仅仅为4%左右，但是却预示着内燃机时代的到来。走近奇迹 瓦特发明的蒸汽机，这是具有划时代意义的伟大发明，它推动了第一次工业革命的迅猛发展。但是随着工业的发展，蒸汽机的弊端日益显现，蒸汽机本身有难以克服的缺点。如蒸汽机很笨重；操纵复杂；启动慢，不能随意停止；锅炉容易爆炸，危险性大；并且锅炉的燃烧需有经验的人专门看管。 其中蒸汽机更大的缺点是热效率低，一般只有 5%—8%，最好的也不超过10%—13%。这是由于蒸汽机的锅炉和汽缸是分离的，锅炉在外面燃烧，热量损失较大，因此蒸汽机的效率难以提高。于是，人们开始研究把蒸汽机的锅炉和汽缸合并起来，燃料在外面燃烧改为在内部燃烧，利用燃烧后的烟气直接推动活塞运动，这就是内燃机。 随着科学探索的发展，人们提出了各种各样的内燃机方案，但是仍没有人发明出内燃机来。直到1860年，法国发明家勒努瓦发明了第一台实用的内燃机。它以煤气为燃料，但这种最初的内燃机燃料消耗量很大，效率低。 1862年，一位名叫罗沙的法国科学家对内燃机热力过程进行理论分析之后，提出提高内燃机效率的要求，这就是最早的四冲程工作循环。 1876年，经商出身的德国发明家尼古拉·奥古斯特·奥托（1832—1891）一次偶然在报纸上看到关于改进勒努瓦内燃机的报道，非常高兴。在此之前，奥托一直在关注内燃机的研制情况。作为商人，他从蒸汽机的广泛应用中看到了内燃机的发展前途。奥托仔细研究罗沙的原理，凭着坚强的意志，终于试验成功了第一台往复活塞式、单缸、卧式的四冲程内燃机，但仍以煤气为燃料，采用火焰点火，热效率达到14%。在当时，无论是功率还是热效率，它都是最高的。 奥托内燃机不仅体积小，重量轻，而且消耗的煤气少，功率较大。因此，越来越多的工厂采用这种内燃机来代替蒸汽机。但是奥托煤气内燃机有许多不方便的地方，它不能作为轮船、汽车等运输机械的动力。 后来随着石油的开发，比煤气易于运输携带的汽油和柴油引起了人们的注意，首先获得试用的是易于挥发的汽油。1883年，德国发明家戈特利布·戴姆勒成功地制造出了第一台汽油内燃机。由于它比煤气内燃机重量轻、操作简便，燃料运输和储存也更为方便，所以汽油发动机开始用作汽车、轮船的动力。 1897年，德国工程师狄塞尔发明了压缩点火式内燃机，为内燃机的发展开拓了新途径，它的热效率达到了26%。这种内燃机以后大多用柴油做燃料，所以又称为柴油机。1898年，柴油机首先用于发电站进行发电，1903年用作轮船的动力，1904年装在舰艇上，1913年第一台以柴油机为动力的内燃机车制成，1920年左右开始用于汽车和农业机械。 随着工业生产的不断发展，内燃机被广泛应用，它为工业大生产提供了强大的动力，从而使得人类社会的生产力得到迅猛的发展。 由此可见，内燃机的发明，产生了动力机的一次新革命。内燃机不仅效率高，而且种类多，用途广泛，它推动了交通运输业的革命，使汽车和飞机制造业迅速发展起来，引起了工业生产的机械化变革。 ⊙奇迹探秘： 2．法国科学家罗莎获得了“四冲程循环”的发明专利，但被称为“四冲程发动机之父”的却是德国的奥托？ 1862年，虽然法国科学家罗沙已经获得过四冲程循环的发明专利，但他并没有制成任何实际的四冲程循环内燃机，而德国发明家奥托却是第一个应用四冲程循环原理制成内燃机的人。 奥托还提出了内燃机的工作原理，就是可燃气体先在气缸中压缩，在点燃压缩可燃气体时产生较强的爆发力，提高了内燃机的热效率和输出功率。同时，他利用活塞的四个冲程，把进气、压缩、作功及排气融为一体，使内燃机的结构紧凑和简化，从而推动了小型内燃机的实用化。奥托创建的内燃机工作原理，一直在现代汽车发动机上沿用至今。 所以，人们习惯上用“奥托循环”来称呼点燃式的四冲程内燃机循环。他是继瓦特之后又一名伟大的发明家。他发明的四冲程循环内燃机，是继蒸汽机出现之后人类机械史上又一巨大贡献，开创了人类文明的一个新时代。相关链接【内燃机的工作原理】 内燃机以往复活塞式最为普遍。它的工作循环是由进气、压缩、燃烧和膨胀、排气等过程组成。内燃机将燃料和空气混合，在它们在气缸内燃烧，释放出的热能使气缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞运动，再通过曲柄连杆运动形成动力，从而带动机械工作。知识百科【鲁道夫?狄塞尔】 提起柴油机，我们不能不讲到它的发明者：鲁道夫·狄塞尔（1858—1913）。 1858年3 月，鲁道夫·狄塞尔生于巴黎。在学校读书期间，他非常喜欢物理和热力学。1879年，年仅21岁的狄塞尔大学毕业，当上了一名冷藏专业工程师。在工作中狄塞尔感到当时的蒸汽机效率极低，于是有了设计新型发动机的想法。在积蓄了一些资金后，狄塞尔辞去了制冷工程师的职务，自己开办了一家发动机实验室。 像所有伟大的发明家一样，狄塞尔试验发动机遇到了许多的困难。但他并没有被困难所吓倒，一步步完善自己的机器。1892年狄塞尔终于制造出了第一种试验机，即原始的柴油机；1896年，柴油机试验成功；1897年，狄塞尔进一步完善了他的发明；1898年，狄塞尔的柴油机获得了商业上的成功。 鲁道夫·狄塞尔的发明改变了整个世界。人们为了纪念他，就把柴油机称作狄塞尔发动机。直到今天，柴油机的英文名称仍然是“DIESEL ENGINE”。 8．电动机 奇迹概览 电动机又称为马达或电动马达，是一种将电能转化为机械能，再利用机械能产生动能，用来驱动其他装置运动的电机设备。它应用了电流的磁效应原理，利用通电线圈在磁场中受力而转动。电动机按使用电源不同，分为直流电动机和交流电动机。 19世纪，电动机的发明不仅使人力和畜力从繁重的劳作中解脱出来，而且还实现了电能和机械能的互换。不仅如此，电动机使电能的远距离传递和转化成为现实，电能逐渐进入人们的工业生产中。至此，一个崭新的时代——“电气化时代”到来了。⊙奇迹探秘： 1．电动机的发明者是谁？是在什么时间发明的？? 英国物理学家迈克尔·法拉第和美国物理学家亨利总是被误认为是电动机的发明人。其实，法拉第和亨利并没有发明可使用性的电动机，而是发现了“电磁感应现象”。 他们之所以被误认为是电动机的发明人，主要原因在于“电磁感应现象”是电动机的基本工作原理。这就是说明，在电动机发明之前，法拉第和亨利已经在原理上确定了制造电动机的可能性，只是没有进一步地创造而已。 而真正能用于工业生产的电动机，是比利时发明家格拉姆于1870年前后发明的。 格拉姆（1826—1901），比利时发明家。格拉姆出生在比利时一个公务员家庭里。他在学校里的成绩欠佳，不过，他的双手非常灵巧，在摆弄电气设备方面是一个高手。1856年，格拉姆来到巴黎，从此就一直生活在巴黎地区。他在一家专门制造电气设备的公司里谋到一份工作。1867年，他制成了一台改进型的交流发电机。1870年前后，他又搞出了一台直流电动机。于是，电力工业就以格拉姆发明的直流电动机为基础逐步发展起来了。 2．在国际单位制中，法拉是什么单位？它的命名有什么原因吗？ 国际单位制中，电容的单位是法拉，简称“法”，单位符号是F。此单位是以发现电磁感应现象的英国物理学家迈克尔·法拉第的名字而命名的。 3. 什么是电磁感应现象？主要应用于哪些方面？ 闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁力线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应。电磁感应现象显示了电、磁现象之间的相互联系和转化。电磁感应现象在电工技术、电子技术以及电磁测量等方面都有广泛应用。 走近奇迹 19世纪初，随着工业的发展，电力逐渐被广泛利用，与此同时，第二次工业革命也拉开了序幕。这个时期，很多国家的物理学家都纷纷投入到电磁的研究以及发电机、电动机的发明中。而电动机的发明是在电流的磁效应原理的基础上，而发明这一原理的是丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特。 1820年，奥斯特发现电流磁效应后，许多物理学家便试图寻找它的逆效应，提出了磁能否产生电，磁能否对电作用的问题。 第二年，也就是1821年，法拉第在读过奥斯特关于电流磁效应的论文后，被这一学科领域深深吸引，于是，他在同年发现了通电流的导线能绕磁铁旋转。接着，他借鉴奥斯特的实验，专门对电和磁铁的作用进行探索。 不仅是法拉第，其他科学家也在努力寻找着“磁生电”的答案。而美国物理学家亨利于1830年，在电磁铁两极中间放置一根绕有导线的条形软铁棒，然后把条形铁棒上的导线接到检流计上，形成闭合回路。他观察到，当电磁铁的导线接通的时候，检流计指针向一方偏转后回到零；当导线断开的时候，指针向另一方偏转后回到零。这就是亨利发现的电磁感应现象。但是，亨利没有及时公开发表自己的实验结果。 1831年，法拉第终于通过10年的研究，也发现了电与磁互相作用。于是，法拉第向英国皇家学会提交的一个报告中，把这种现象定名为“电磁感应现象”。电磁感应规律的发现，对人类社会有着划时代的贡献，使后来人们发明发电机、电动机、变压器，以及交流电的利用等等成为可能。 德国科学家雅可比于1834年前后，制成了一种简单的装置：在两个U型电磁铁中间，装一六臂轮，每臂带两根棒型磁铁。通电后，棒型磁铁与U型电磁铁之间产生相互吸引和排斥作用，带动轮轴转动。这大概就是电动机的雏形。后来，他做了一个更大型的装置，安在小艇上载着几名乘客驶过了穿越德国的主要航运水道——易北河，当时还引起了很大的轰动。但这种电动机都没有多大商业价值，用电池作电源，成本太大、不实用。 直到第一台实用直流电动机问世，电动机才得到广泛应用。1870年，比利时工程师格拉姆发明了直流发电机。后来，格拉姆向直流发电机输入电流，其转子会像电动机一样旋转。于是，这种格拉姆型电动机大量制造出来，效率也不断提高。与此同时，德国科学家西门子接连制出更好的发电机，并着手研究由电动机驱动的车辆。1881年，西门子公司制成了世界最早的电车。但当时的电动机全是直流电机，只限于驱动电车。 1888年，克罗地亚出生的美国发明家尼古拉·特斯拉发明了交流电动机。它是根据电磁感应原理制成的，又称感应电动机。这种电动机结构简单，使用交流电，无火花，因此被广泛应用于工业和家庭电器中。 随着科学家对电动机的深入研究，1902年，瑞典工程师丹尼尔森首先提出同步电动机的构想。同步电动机工作原理同感应电动机一样，由定子产生旋转磁场，但转子用直流供电，转速固定不变，不受负载影响。因此同步电动机特别适用于钟表、电唱机和磁带录音机。 由于电动机的使用和控制非常方便，而且工作效率较高，没有烟尘和气味，不污染环境，噪声也较小。因此，在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面都能看到电动机的身影。电动机的发明为工业大生产提供了强大的动力，从而使得人类社会的生产力得到迅猛的发展。⊙奇迹探秘： 4．电动机与发电机的区别是什么？? 在电力的使用中，发电机和电动机是相互关联的两个重要组成部分。发电机是将机械能转化为电能；电动机则相反，是将电能转化为机械能。 相关链接【电动机的构造】 电动机的种类很多，以基本结构来说，其组成主要由定子和转子构成。定子在空间中静止不动，转子则可绕轴转动，由轴承支撑。定子与转子之间会有一定空气间隙，以确保转子能自由转动。定子与转子绕上线圈，通上电流产生磁场，就成为电磁铁，定子和转子其中可为永久磁铁，磁场对电流受力的作用，使电动机转动。 知识百科【第二次工业革命】 第二次工业革命以电力的广泛应用为显著特点。从19世纪70年代开始，出现了一系列电气发明。1831年，英国科学家法拉第发现电磁感应现象。此后，很多科学家对电作了深入的研究，并纷纷开始研制发电机和电动机。1866年，德国科学家西门子制成一部发电机，后来几经改进，逐渐完善。1870年前后，比利时人格拉姆发明电动机，电力开始用于带动机器，成为补充和取代蒸汽动力的新能源。从此，电力工业和电器制造业迅速发展起来，人类跨入了电气时代。随后，电灯、电车、电钻、电焊机等电气产品如雨后春笋般地涌现出来。 所以，第二次工业革命时期是以电力为代表的自然科学的新发展时期。自然科学开始同工业生产紧密地结合起来，更进一步地推动了生产力的发展，特别是电动机广泛应用于工业技术使第二次工业革命取得了巨大的成果。章节 X