將蒸汽的能量轉換為機械功的往復式動力機械。蒸汽機的出現曾引起瞭18世紀的工業革命。直到20世紀初，它仍然是世界上最重要的原動機，後來才逐漸讓位於內燃機和汽輪機等。
發展史 發明 16世紀末到17世紀後期，英國的採礦業，特別是煤礦，已發展到相當的規模，單靠人力、畜力已難以滿足排除礦井地下水的要求，而現場又有豐富而廉價的煤作為燃料。現實的需需要促使許多人，如英國的D.帕潘、T.薩弗裡、T.紐科門等致力於“以火力提水”的探索和試驗。薩弗裡制成的世界上第一臺實用的蒸汽提水機（圖1），在1698年取得標名為“礦工之友”的英國專利。他將一個蛋形容器先充滿蒸汽，然後關閉進汽閥，在容器外噴淋冷水使容器內蒸汽冷凝而形成真空。打開進水閥，礦井底的水受大氣壓力作用經進水管吸入容器中；關閉進水閥，重開進汽閥，靠蒸汽壓力將容器中的水經排水閥壓出。待容器中的水被排空而充滿蒸汽時，關閉進汽閥和排水閥，重新噴水使蒸汽冷凝。如此反復循環，用兩個蛋形容器交替工作，可連續排水。
薩弗裡的提水機依靠真空的吸力汲水，汲水深度不能超過6米。為瞭從幾十米深的礦井汲水，須將提水機裝在礦井深處，用較高的蒸汽壓力才能將水壓到地面上，這在當時無疑是困難而又危險的。紐科門及其助手J.卡利在1705年發明瞭大氣式蒸汽機，用以驅動獨立的提水泵，被稱為紐科門大氣式蒸汽機（圖2）。扇形平衡杠桿左側的配重將活塞提起，同時蒸汽進入活塞下部的汽缸中。當活塞上升到汽缸頂部時，關閉進汽閥，向汽缸中噴入冷水使蒸汽冷凝，形成真空，活塞上面的大氣壓力將活塞下壓，提起杠桿左側的提水泵拉桿，使裝在礦井深處的提水泵將水汲出。因汽缸直徑大於提水泵的缸徑，雖然汽缸活塞上的壓力隻等於大氣壓，也可以汲出數十米深處的水。這種蒸汽機先在英國，後來在歐洲大陸得到迅速推廣。它的改型產品直到19世紀初還在制造。紐科門大氣式蒸汽機的熱效率很低，這主要是由於蒸汽進入汽缸時，在剛被水冷卻過的汽缸壁上冷凝而損失掉大量熱量，隻在煤價低廉的產煤區才得到推廣。1764年，英國的儀器修理工J.瓦特為格拉斯哥大學修理紐科門蒸汽機模型時註意到這一缺點，於1765年發明瞭設有與汽缸壁分開的凝汽器的蒸汽機，並於1769年取得瞭英國的專利。初期的瓦特蒸汽機（圖3）仍用平衡杠桿和拉桿機構來驅動提水泵。活塞由杠桿另一端的配重拉升到頂部後，平衡閥關閉而進汽閥打開，將蒸汽引入汽缸上端，同時排汽閥開啟使活塞下汽缸部分和凝汽器接通而形成真空，活塞受壓下降，從而拉起提水泵的拉桿。活塞被壓到下端後關閉進汽閥和排汽閥，同時打開平衡閥連通汽缸的上下端，配重遂再次拉起活塞，如此循環作功提水。為瞭從凝汽器中抽除凝結水和空氣，瓦特裝設瞭抽氣泵。他還在汽缸外壁加裝夾層，用蒸汽加熱汽缸壁，以減少冷凝損失。
1782年前後，瓦特將機器進一步改進，完成瞭兩項重要發明：①在活寒工作行程的中途關閉進汽閥，使蒸汽膨脹作功以提高熱效率；②使蒸汽在活塞兩面都作功(雙作用式)以提高輸出功率。這時的活塞既要向下拉動杠桿又要向上推動杠桿，扇形平衡杠桿和拉鏈已不再適用，瓦特便發明瞭平行四邊形機構。早在1770年左右，瓦特就開始研究如何利用蒸汽驅動旋轉機械。為瞭避開別人已取得的將曲柄滑塊機構應用到蒸汽機上的專利，瓦特於1781年發明瞭行星齒輪機構，使活塞的往復運動轉換為主軸的旋轉運動(圖4)。汽缸內活塞的往復運動通過平行四邊形機構傳到杠桿，由杠桿帶動連桿再通過齒輪傳到主軸。接著，瓦特發明瞭示功儀（見示功器），用以繪出示功圖。示功圖表示瞭蒸汽在汽缸中的壓力變化情況，據此可算出蒸汽機的功率。示功圖的發明為熱力發動機的研究和發展提供瞭重要手段。瓦特還於18世紀末將曲柄連桿機構用在蒸汽機上。瓦特的創造性工作使蒸汽機迅速地發展，他使原來隻能提水的機械，成為可以普遍應用的蒸汽機，並使蒸汽機的熱效率成倍提高，煤耗大大下降。因此瓦特當是蒸汽機最主要的發明人。
應用和推廣 自18世紀晚期起，蒸汽機不僅在采礦業中得到廣泛應用，在冶煉、紡織、機器制造等行業中都獲得迅速推廣。它使英國的紡織品產量在20多年內（從1766年到1789年）增長瞭5倍，為市場提供瞭大量消費商品，加速瞭資金的積累，並對運輸業提出瞭迫切要求。在船舶上采用蒸汽機作為推進動力的實驗始於1776年，經過不斷改進，至1807年，美國的R.富爾頓制成瞭第一艘實用的明輪推進的蒸汽機船“克萊蒙脫”號。此後，蒸汽機在船舶上作為推進動力歷百餘年之久。1801年，英國的R.特裡維西克提出瞭可移動的蒸汽機的概念。1803年，這種利用軌道的可移動的蒸汽機首先在煤礦區出現，這就是機車的雛型。英國的G.斯蒂芬森將機車不斷改進，於1829年創造瞭“火箭”號蒸汽機車，該機車拖帶一節載有30位乘客的車廂，時速達46公裡／時，引起瞭各國的重視，開創瞭鐵路時代。19世紀末，隨著電力應用的興起，蒸汽機曾一度作為電站中的主要動力機械。1900年，美國紐約曾有單機功率達5兆瓦的蒸汽機電站。
蒸汽機的發展在20世紀初達到瞭頂峰。它具有恒扭矩、可變速、可逆轉、運行可靠、制造和維修方便等優點，因此曾被廣泛用於電站、工廠、機車和船舶等各個領域中，特別在軍艦上成瞭當時唯一的原動機。
分類 蒸汽機按蒸汽在活塞一側或兩側工作，可分為單作用和雙作用式；按汽缸佈置方式，可分為立和臥式；按蒸汽是在一個汽缸中膨脹或依次連續在多個汽缸中膨脹，可分為單脹式和多脹式；按蒸汽在汽缸中的流向，可分為回流式和單流式；按排汽方式和排汽壓力可分為凝汽式、大氣式和背壓式。
工作原理 簡單蒸汽機主要由汽缸、底座、活塞、曲柄連桿機構（見曲柄滑塊機構）、滑閥配汽機構、調速機構和飛輪等部分組成（圖5）。汽缸和底座是靜止部分。從鍋爐來的新蒸汽，經主汽閥和節流閥進入滑閥室，受滑閥控制交替地進入汽缸的左側或右側，推動活塞運動。圖5中，活塞左側與新蒸汽溝通，活塞被推向右；活塞右側作過功的蒸汽經滑閥內側與排汽管溝通，使蒸汽排入大氣或凝汽器。當活塞移至右終端時，右側進汽，左側排汽，活塞左移，重復進行與左側相似的工作過程。活塞的這種往復運動由曲柄連桿機構轉變為曲軸的旋轉運動，對外輸出機械功。滑閥的運動由套在曲軸上的偏心輪經偏心桿和滑閥桿帶動。活塞通過連桿推動曲柄轉動的力是變的，故采用飛輪來減少曲柄轉速的波動，並用飛錘調速器控制進汽量，以調節轉速。
配汽和汽閥結構 蒸汽在汽缸中的工作過程是按照蘭金循環進行的，即由進汽、膨脹、排汽和壓縮等過程組成。這個循環可用示功器直接繪出（圖6），曲線內的面積就是蒸汽機每一循環所作的功。當活塞在F點時，滑閥將左側汽道與新蒸汽溝通，蒸汽進入活塞左側，汽缸內壓力迅速升高，活塞右移。活塞移至B點時，汽道被滑閥蓋住，供汽停止，靠蒸汽的膨脹繼續推動活塞，與此同時蒸汽壓力下降。B點稱為斷汽點，它的正確選擇對熱效率影響極大。活塞在右止點D稍前的C點時，滑閥使左側汽道與排汽口溝通，活塞左側開始排汽。活塞達到右止點D時，借助旋轉系統的慣性力將其向左推動到E點，滑閥關閉排汽口，殘餘蒸汽受壓縮，直到F點滑閥重新打開新蒸汽通道，這樣又開始瞭下一循環。
汽閥是蒸汽進入汽缸的咽喉。通過汽閥的汽量決定蒸汽機的功率。因此，汽閥的形式和性能影響著蒸汽機的轉速、功率和效率。人們曾作過很大努力來改進汽閥，汽閥的演變過程也是蒸汽機的改進過程。最早的汽閥是簡單的平面型滑閥，它的磨損較大且易漏泄，蒸汽機的效率很低，因而隻適用於蒸汽壓力較低、轉速不高的蒸汽機。柱塞式滑閥（圖7）克服瞭平滑閥的缺點。它受壓對稱，又裝有活塞環，故磨損小，密封性好，常用於蒸汽壓力較高的蒸汽機。提閥(圖8)啟閉迅速，節流損失小，不需潤滑劑，密封性好，適用於高溫過熱蒸汽。另外，進、排汽口分開並單獨控制，能更合理地組織蒸汽的工作過程。
船舶和機車上用的蒸汽機還需要有正倒車機構操縱汽閥，以改變蒸汽機旋轉方向。
發展和改進 蒸汽機的發展首先體現在功率和效率的提高，而功率和效率的提高又主要取決於蒸汽參數的提高。在蒸汽參數方面，初期蒸汽機的蒸汽壓力僅為0.11～0.13兆帕，19世紀初才達到0.35～0.7兆帕，試驗中采用到5.6兆帕，20世紀20年代曾用到6～10兆帕。在蒸汽溫度上，19世紀末還不超過250℃，而到20世紀30年代曾用到450～480℃。至於效率，瓦特初期連續運轉的蒸汽機按燃料熱值計總效率不超過3％；到1840年，最好的凝汽式蒸汽機總效率可達8％；到20世紀，蒸汽機最高效率可達到20％以上。在轉速方面，18世紀末瓦特蒸汽機僅40～50轉／分；20世紀初轉速達到100～300轉／分，個別蒸汽機曾達到2500轉／分。在功率方面，最初單機功率僅幾馬力（1馬力＝735.5瓦）。20世紀初的一臺船用蒸汽機的功率達25000馬力。
隨著蒸汽參數和功率的提高，蒸汽已不可能在一個汽缸中繼續膨脹，還必須在相連接的汽缸中繼續膨脹，於是出現瞭多級膨脹的蒸汽機。蒸汽機因受到潤滑油閃點的限制，所用蒸汽的最高溫度一般都不超過400℃，機車、船用等移動式蒸汽機還略低一些，多數不高於350℃。考慮到膨脹的可能性和結構的經濟性，常用壓力在2.5兆帕以下。蒸汽參數受到限制，從而也限制瞭蒸汽機功率的進一步提高。
歷史地位 蒸汽機的出現和改進促進瞭社會經濟的發展，但同時經濟的發展反過來又向蒸汽機提出瞭更高的要求，如要求蒸汽機功率大、效率高、重量輕、尺寸小等。盡管人們對蒸汽機作過許多改進，不斷擴大它的使用范圍和改善它的性能，但是隨著汽輪機和內燃機的發展，蒸汽機因存在不可克服的弱點而逐漸衰落。蒸汽機的弱點是：離不開鍋爐，整個裝置既笨重又龐大；新蒸汽的壓力和溫度不能過高，排氣壓力不能過低，熱效率難以提高；它是一種往復式機器，慣性力限制瞭轉速的提高；工作過程是不連續的，蒸汽的流量受到限制，也就限制瞭功率的提高。
因此，拋棄瞭笨重鍋爐的內燃機，最終以其重量輕、體積小、熱效率高和操作靈活等優點，在船舶和機車上逐漸取代瞭蒸汽機。汽輪機則以其熱效率高、單機功率大、轉速高、單位功率重量輕和運行平穩等優點，將蒸汽機排擠出瞭電站。接著電動機又以其使用方便代替瞭蒸汽機在工業設備中的應用。然而小功率蒸汽機熱效率比汽輪機高，所以在產煤區或隻有劣質燃料的地區或某些特殊場合，蒸汽機仍有發揮作用的餘地。
蒸汽機有很大的歷史作用，它曾推動瞭機械工業甚至社會的發展。隨著它的發展而建立的熱力學和機構學為汽輪機和內燃機的發展奠定瞭基礎。汽輪機繼承瞭蒸汽機以蒸汽為工質的特點和采用凝汽器以降低排汽壓力的優點，摒棄瞭往復運動和間斷進汽的缺點。內燃機繼承瞭蒸汽機的基本結構和傳動形式，采用瞭將燃油直接輸入汽缸內燃燒的方式，形成瞭熱效率高得多的熱力循環。同時，蒸汽機所采用的汽缸、活塞、飛輪、飛錘調速器，閥門和密封件等，均是構成多種現代機械的基本元件。
參考書目
日利茨基著，相長騤譯：《蒸汽機》，機械工業出版社，北京，1954。(Γ.С.Жирицκий，Паровыемашины，Γосзнергоиздат，1951.