증기기관

증기기관에서는 보통 보일러가 공급하는 뜨거운 증기가 팽창해 발생되는 열 에너지의 일부가 일로 변환된다. 나머지 열은 밖으로 배출되거나 최대 기관효율을 얻기 위해 분리된 복수기에서 증기를 비교적 낮은 온도와 압력으로 응축하기도 한다.

증기기관

증기기관

증기기관

높은 효율을 얻기 위해서는 증기가 기관 안에서 팽창하여 온도가 많이 낮아져야 한다. 가장 효율적인 성능, 즉 공급된 열로 최대의 일을 하기 위해서는 낮은 응축기 온도와 높은 보일러 압력이 필요하다. 증기는 보일러에서 기관으로 가는 도중에 과열기를 지남으로써 더 가열될 수도 있다. 일반적으로 과열기는 보일러 화로의 불길에 표면이 노출된 평행한 관들로 이루어져 있다. 과열기를 이용해서 증기는 물이 끓는 온도 이상으로 가열된다.

피스톤-실린더식 증기기관인 왕복기관에서는 가압증기가 밸브 장치를 통해 실린더 내로 들어간다. 이 증기가 팽창되면서 회전운동을 발생시키는 플라이 휠의 크랭크에 연결되어 있는 피스톤을 밀어낸다. 복동 기관에서는 보일러에서 나오는 증기가 피스톤의 양쪽으로 교대로 들어간다. 단식 증기기관은 증기팽창이 단 하나의 실린더에서만 일어나는 반면, 복식 증기기관은 증기 팽창과 효율을 더 높이기 위해 2개 이상의 실린더가 있다. 첫번째인 가장 작은 피스톤은 초기의 고압증기로 작동되고, 2번째 피스톤은 첫번째에서 배출된 더 낮은 압력의 증기로 작동된다.

증기 터빈에서는 증기가 노즐을 통해 고속으로 배출된 뒤 고정식 가동 날개열을 통해 회전자를 고속으로 회전시킨다. 증기 터빈은 증기 왕복기관보다 더 작으며 고온과 고팽창비에서 작동한다. 이것은 대형 발전용으로 널리 쓰인다.

최초의 증기기관은 1세기경 알렉산드리아의 헤론이 발명한 과학적인 장난감인 아에올리스의 공이나 17세기까지는 증기를 실용적인 목적으로 이용하려는 시도가 없었다. 1698년 T. 세이버리는 증기를 응축시켜서 얻은 흡입력으로 광산에서 물을 뽑아올리는 수동 밸브가 달린 펌프를 만들어 특허를 받았다. 1712년경 영국인 T. 뉴커먼은 응축된 증기를 물에서 분리시키는 피스톤이 달린 효율적인 증기기관을 개발했고 1765년 J. 와트는 각 행정마다 실린더를 가열하고 냉각하지 않기 위해 분리복수기를 덧붙여 뉴커먼 기관을 크게 개선시켰다. 그뒤 와트는 단순한 펌프의 상하운동 대신에 축을 회전시키는 새로운 기관을 개발했으며, 이것을 더욱 개선시켜 실용적인 동력장치를 만들었다.

도로용 증기자동차는 1769년경 프랑스의 N.-J. 퀴뇨가 제작했다. 잉글랜드의 R. 트레비식은 철도에 증기차량을 최초로 사용했는데, 1803년 증기기관차를 만들어서 1804년 2월 웨일스에서 운행에 성공했다. 1829년 영국의 공학자 G. 스티븐슨이 증기기관을 철도에 이용한 '로켓호'가 상업적인 성공을 거두게 되었다. 최초의 실용적인 기선은 W. 사이밍턴이 건조한 예인선인 '샬럿 던대스호'로서, 1802년 스코틀랜드의 포스앤드클라이드 운하에서 시운전했다.

1807년 미국에서 R. 풀턴이 증기기관을 여객선에 사용했다. 증기기관은 차량 추진수단으로서의 자리를 내연기관에 내어주었지만, 화석연료에 의한 공기오염이 증가하자 20세기 중반부터 증기기관에 대한 관심이 되살아났다.