蒸汽机是靠蒸汽的膨胀作用来作功的，蒸汽机车的工作原理也不例外。当司炉把煤填入炉膛时，煤在燃烧过程中，它蕴藏的化学能就转换成热能，把机车锅炉中的水加热、汽化，形成400℃以上的过热蒸汽，再进入蒸汽机膨胀作功，推动汽机活塞往复运动，活塞通过连杆、摇杆，将往复直线运动变为轮转圆周运动，带动机车动轮旋转，从而牵引列车前进。
原理来自卡诺热机
第一阶段，温度为的等温膨胀过程，系统从高温热源吸收热量；第二阶段，绝热膨胀过程，系统温度从 降到；第三阶段，温度为的等温压缩过程，系统把热量释放给低温热源 ；第四阶段，绝热压缩过程，系统温度从升高到。他研究的结论，就是人们总结的卡诺定理，其核心内容是：在相同高温热源与相同低温热源之间工作的一切可逆卡诺热机效率相同（在实现热的动力过程中，不存在任何不是由于体积变化而引起的温度变化的热机
蒸汽机工作原理动画图解
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