蒸汽机是一种以蒸汽为工质、对外做机械功的热机。在典型的蒸汽机中，蒸汽推动气缸内的活塞往复运动，再由活塞带动轴转动，输出动力。由于燃料在发动机外部单独的锅炉中燃烧，蒸汽机属于外燃机。因此它的热源多种多样，可以是木柴、煤等化石燃料，也可以是太阳能、核能或地热能。从18世纪初到20世纪初，蒸汽机被用来为矿井排水、驱动工厂机器，并为铁路和船舶提供动力，在工业革命中居于核心地位。由它发展而来的蒸汽轮机，至今仍在生产世界上相当大一部分的电。
工作原理
蒸汽机把受热的水所含的热能量转化为机械运动。水沸腾变成蒸汽时，体积约膨胀为液态时的1700倍。一台简单的蒸汽机由锅炉、装有活塞的气缸、控制蒸汽进出时机的阀门，以及摇杆、曲柄或飞轮等传动机构组成，传动机构把活塞的运动传递给水泵或其他机器。在冷凝式蒸汽机中，做过功的乏汽被冷却成水，由此形成局部真空，增大作用在活塞上的力；非冷凝式蒸汽机则直接把乏汽排入大气。
蒸汽机大体可分为两类。最早的设计使用低压蒸汽，主要驱动力来自大气压力对真空一侧的推压；后来的设计则使用高压蒸汽直接推动活塞。此后的改进还包括双作用气缸（蒸汽交替推动活塞两侧）和复式蒸汽机（蒸汽依次在多个气缸中膨胀）。如今，这类机器的热力学过程用兰金循环来描述。
早期历史
早在古代，人们就知道蒸汽可以产生运动。公元1世纪，亚历山大的希罗描述了一种名为汽转球的装置：一个靠蒸汽喷射而旋转的球体。它产生的动力微乎其微，却是已知最早由蒸汽压力驱动的装置。希罗生活在罗马帝国统治下的埃及，他只把这一装置当作新奇玩意儿，而没有视之为动力来源。
实用的蒸汽动力始于17世纪末，起因是矿井积水需要排出。用蒸汽推动气缸内活塞的设想，似乎最早出自德尼·帕潘：约1690年，他制作了一台带有竖直气缸和活塞的模型发动机。不过，帕潘的模型没有得到进一步发展。1698年，托马斯·萨弗里为一种利用蒸汽压力从被淹矿井中抽水的机器申请了专利。萨弗里的这台“矿工之友”没有活塞，而且和所有依靠抽吸作用的泵一样，提水高度不超过32英尺（约9.8米），实际往往远低于此。
纽科门与瓦特
第一台取得商业成功的活塞式蒸汽机，是托马斯·纽科门于1712年推出的大气式蒸汽机。它在气缸内冷凝蒸汽形成局部真空，再由大气压力把活塞压入气缸；活塞通过一根摇杆与矿井水泵相连。到18世纪中叶，法国、瑞典、俄国、英国等国的矿山都在使用纽科门蒸汽机。然而，这种机器极其浪费：气缸每个冲程都要经历一次加热和冷却，大量能量耗费在重新加热金属上，气缸也承受着很大的热应力。
詹姆斯·瓦特解决了这一问题。1763年，瓦特在格拉斯哥大学担任仪器制造师时，受托修理一台纽科门蒸汽机模型，发现它的效率十分低下。1765年，他想到另设一个冷凝室，称之为冷凝器。冷凝器始终保持低温和低于大气压的状态，而气缸则始终保持高温。由于当时难以把气缸加工得足够精确，制造工作进展缓慢。在马修·博尔顿的协助下，瓦特最终完善出实用的机型，两人于1775年首次将其推向市场。发展成熟的瓦特蒸汽机，耗煤量比同等规模的纽科门蒸汽机少约75%。1781年，瓦特又加装了太阳行星齿轮，把活塞的往复运动转换为连续的旋转运动，使蒸汽机得以驱动原本依赖水力的磨坊和工厂。
高压蒸汽与交通运输
瓦特的分离式冷凝器专利有效期为1769年至1800年。瓦特本人偏爱低压蒸汽。1800年刚过，康沃尔发明家理查德·特里维西克和美国机械师奥利弗·埃文斯先后制造出高压蒸汽机。这类蒸汽机更小、更轻，使把发动机装上车辆成为可能。制造者不再通过冷凝乏汽来形成真空，而是直接把乏汽排入大气。
特里维西克随后成为蒸汽机车的先驱。1804年2月21日，他制造的一台无名机车在威尔士梅瑟蒂德菲尔的佩尼达伦钢铁厂轨道上牵引列车行驶，这是世界上第一次由机车牵引的铁路运行。1812年，马修·默里为米德尔顿铁路制造的“萨拉曼卡号”，成为第一台取得商业成功的蒸汽机车。此后数十年间，蒸汽驱动的铁路和轮船彻底改变了陆路和远洋运输，大幅缩短了旅行时间，降低了货运成本。
热机科学
蒸汽机也推动了热学方面的物理学研究。1824年，萨迪·卡诺提出卡诺循环，为所有热机建立了基本模型，并孕育了热力学第二定律的最初思想。卡诺的分析表明，热机的最高效率取决于热源与冷源之间的温差。后来，詹姆斯·普雷斯科特·焦耳关于热功当量的研究，以及熵概念的提出，使经典热力学发展成为完整的理论体系。
蒸汽轮机与活塞式蒸汽机的衰落
蒸汽轮机不推动活塞，而是用蒸汽直接驱动带叶片的转子旋转。查尔斯·帕森斯于1884年发明了现代蒸汽轮机，给船舶推进带来了革命性变化。蒸汽轮机热效率更高、功率重量比更大，因而几乎完全取代了活塞式蒸汽机。它直接输出旋转运动，尤其适合驱动发电机。20世纪，内燃机和电动机在大多数交通工具上取代了蒸汽动力。到20世纪下半叶，蒸汽机车已基本从各大铁路网中消失。
现代意义
蒸汽至今仍是发电的核心。燃煤发电、核能发电、天然气发电、地热发电乃至部分太阳能发电设施，都依靠蒸汽轮机把热转化为电。关于蒸汽发电在全球发电量中所占比例，各方估计不一，但大多认为超过一半。蒸汽动力的效率已大幅提高：现代超临界燃煤电厂的热效率可达约48%，而早期蒸汽机还不到1%。由于大多数蒸汽电厂燃烧化石燃料，它们与人们对气候变化的担忧密切相关。风能、光伏太阳能等许多可再生能源则无需蒸汽即可发电。
参考来源
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- Steam Turbines - an overviewsciencedirect.com