將蒸汽的熱能轉換為機械能的往復式動力機械。蒸汽機的出現曾引發18世紀的工業革命。直到20世紀初，它仍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。
簡史 有關使用熱能做功的裝置的最早敘述見於亞歷山大的希羅在西元1世紀所著《氣體力學》一書中。希羅介紹幾種機械設備，其中一種稱汽轉球(aeolipile)就是現代反作用式蒸蒸汽渦輪機的前身。1602年意大利數學傢G.della波爾塔在《靜力學與流體力學》一書介紹瞭一種裝置，1615年法國工程師S.de.科勒提出一種可把水流排到“相當高的高度”的裝置。這兩種裝置雖不完全一樣，但都進一步提出蒸汽在密閉容器中凝結可形成真空，此真空可把水從低處往上升。16世紀末到17世紀後期，英國的采礦業，特別是煤礦，已發展到相當大的規模，僅靠人力、畜力已難以滿足排除礦井地下水的要求，因而促使人們致力於“以火力提水”的探索和試驗。1698年，T.薩弗裡取得瞭第一臺經濟實惠的蒸汽驅動裝置的專利，這臺裝置被薩弗裡用來抽出康瓦耳地區遭遇水災礦坑中的水（圖1）。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。待容器中的水排空而充滿蒸汽時，關閉進水閥和排水閥，重新噴水使蒸汽冷凝。如此反復循環，用兩個容器交替完成同樣循環，可得到更穩定的排水效果。
圖1 薩弗裡蒸汽提水機
利用蒸汽推動活塞並開動機器的重要思想大概要歸功於鍋爐安全閥的發明人D.帕潘。大約在1690年，他制作瞭一臺包括一個帶有活塞的立式汽缸蒸汽機模型。雖然其計劃經T.紐科門之手得以制造出機器，但卻不能工作。直至1712年，紐科門取得瞭第1臺名副其實的蒸汽機專利，這就是第一臺橫梁蒸汽機，它可驅動獨立的提水泵，被稱為紐科門大氣式蒸汽機（圖2）。在紐科門蒸汽機中，由鍋爐產生的蒸汽進入蒸汽汽缸。與此同時，一根平衡的橫梁抬起一端的一隻活塞及連桿，並降低另一端的抽水機連桿，將水噴射入蒸汽汽缸中，使缸內蒸汽凝結並形成真空，活塞上面的大氣壓與汽缸內大大降低的壓力產生足以將活塞推下的力量，借以驅動橫梁並抬起抽水機的連桿。因汽缸直徑大於抽水泵的缸徑，雖然汽缸活塞上的壓力隻等於大氣壓，也可以汲出幾十米深處的水。
圖2 紐科門大氣式蒸汽機
1763年，J.瓦特為格拉斯哥大學修理一臺紐科門蒸汽機模型，感到汽缸壁交替冷卻和加熱會造成蒸汽熱能的大量浪費。根據他的數據分析，他在1769年獲得的專利中提出瞭汽缸壁加塗層以使汽缸絕熱，以及蒸汽的凝結發生在一個與汽缸分離的容器中等多項提議。由瓦特根據1769年專利制造的蒸汽機實際是一臺改良的紐科門蒸汽機。1782年前後，瓦特進一步改進機器並取得雙向作用發動機專利。在這種蒸汽機中，蒸汽交替在活塞兩邊推動活塞，在每個沖程中都有一個做功的力，因此使得蒸汽機輸出的功得以加倍。1781年，他為瞭使往復運動產生轉動發明瞭行星式齒輪，由此往復式橫梁蒸汽機能夠使帶有一飛輪的軸連續轉動（圖3）。此法在1994年曲柄專利到期之前一直沿用，之後曲柄得以廣泛應用。蒸汽機可產生轉動是一項重大的突破，也因此蒸汽機後來被用作多種用途的機器的基本原動機。瓦特的其他直接用於蒸汽機的發明包括節流閥、調速器、記錄沖程數目的計數器以及確定蒸汽做功的示功器等。瓦特的創造性工作使蒸汽機迅速發展，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。
圖3 1782年的瓦特蒸汽機
瓦特時代以來，蒸汽機的改進主要有：①完善機械裝置以減少熱損失和機械損失，並且更充分地利用蒸汽的膨脹力量。②將蒸汽機應用於諸如陸上推進和水上推進等不同需要上。從表中可以看出蒸汽機的不斷改進過程和發展情況。
蒸汽機的進步和發展| 年代 | 名稱 | 蒸汽壓力（MPa） | 近似汽耗率［kg/(kW·h)］ |
|---|---|---|---|
| 1700 | 薩弗裡蒸汽機 | 0.310～1.034 | 185 |
| 1720 | 紐科門蒸汽機 | 0 | 123 |
| 1782 | 瓦特雙向作用蒸汽機 | 0.048 | 43 |
| 1900 | 復合式蒸汽機 | 0.552～1.241 | 12.13～18.50 |
| 1950 | 單流蒸汽機 | 1.379 | 6.2 |
工作原理 簡單的蒸汽機主要由汽缸、底座、活塞、曲柄連桿機構、滑閥配汽機構、調速機構及飛輪等部分組成。圖4為雙向作用蒸汽機的工作原理圖。在活塞開始向右沖程時，滑閥向右運動，高壓蒸汽進入汽缸的左端，同時前一沖程的廢汽從排氣口排出（圖4上）。由蒸汽壓力迫使活塞通過其沖程的第1部分時，閥門進一步向右滑動，然後再向左退回，直至停止蒸汽供應（圖4中）。汽缸中的蒸汽膨脹繼續使活塞向右。活塞向右沖程結束時，閥門仍向左滑動，關閉右邊開口，停止汽缸右端的排汽。之後，滑閥打開左邊開口，廢汽開始從汽缸左端排出。當汽閥左端全部打開時，閥門允許蒸汽進入汽缸右端，活塞開始向左的沖程（圖4下）。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帶動滑閥桿。活塞通過連桿推動曲柄轉動的力是變化的，故采用飛輪來減少曲柄轉動的波動，並用飛錘調速器控制進汽量，以調節轉速。
圖4 雙向作用蒸汽機的工作原理
蒸汽在汽缸中的工作過程按照蘭金循環進行，即由進汽、膨脹、排汽和壓縮等過程組成。這個循環可用示功圖表示（圖5）。當活塞在F點時，滑閥將左側汽道與新蒸汽連通，蒸汽進入活塞左側，活塞內壓力迅速升高，活塞右移。活塞移至B點時，汽道被滑閥蓋住，停止供汽，靠蒸汽的膨脹繼續推動活塞，此時，蒸汽壓力下降。B點稱為斷汽點，它的正確選取對熱效率影響極大。活塞在右止點D稍前的C點時，滑閥使左側汽道與排汽口連通；活塞左側開始排汽。活塞到達右止點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，這樣又開始瞭下一個循環。曲線FABC–DEF內的面積就是蒸汽機每一循環所做的功。
圖5 蘭金循環示功圖
分類 蒸汽機可以按機構分類為單向作用式和雙向作用式；按汽缸佈置方式，分為立式和臥式；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，分為單脹式和多脹式；按蒸汽在汽缸中的流向，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；按用途分類可分為機車用蒸汽機、船用蒸汽機等。
歷史意義 蒸汽機的出現，引起瞭一次工業革命，促進社會經濟的發展。蒸汽機具有恒扭矩、可變速、可逆轉、運行可靠、制造維修方便等優點，因此長期以來被廣泛用於工廠、機車、船舶和電站等各個領域，特別在軍艦上成為當時唯一的原動機。蒸汽機的發展在20世紀初達到瞭頂峰。但蒸汽機也終因存在自身難以克服的弱點而逐漸衰落，首先，它離不開鍋爐，整個裝置既笨重又龐大，新蒸汽的壓力和溫度不宜過高，排汽壓力不能過低，熱效率不高；其次，它是一種往復式機器，慣性力限制瞭轉速的提高；第三，工作過程不連續，蒸汽流量受限制，因而限制瞭功率的提高。所以，蒸汽機過去是世界主要的動力來源，現在已被汽輪機和內燃機等動力源廣泛取代。汽輪機以其熱效率高、單機功率大、轉速高、單位功率重量輕和運行平穩等優點，可實現汽輪發電機集中發電，替代蒸汽機用於電站。而內燃機無需笨重的鍋爐，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替代瞭蒸汽機。
然而，大型蒸汽機比小型汽輪機效率高。此外，在其他需要有充足蒸汽的場合，如在加工工業中，為減少蒸汽成本，或在有大量合適蒸汽的地方，從經濟角度考慮，可能還會繼續使用蒸汽機來驅動像壓縮機和泵等這一類裝置。