たとえば、横型動力水車(horizontal wheel)という動力機は、「流水の運動エネルギー」を「動力水車の回転軸の回転運動エネルギー」に転換する装置である。自動車のガソリン・エンジンは、エンジン内部におけるガソリンの爆発的燃焼によって生じる熱エネルギーを、ガソリン・エンジンのピストン軸の運動エネルギーに転換する装置である。

燃焼プロセスをエンジン内部で行わせることにより、燃焼部をエンジン部とは別に持つ必要がないため、動力機の軽量化を図ることができるので、自動車など輸送機関のエンジンに適している。自動車のガソリン・エンジンやディーゼル・エンジンなどが内燃機関である。

燃焼プロセスをエンジン外部で行わせるためには燃焼部をエンジン部とは別に持つ必要がある。そのため、同一出力であれば内燃機関よりも外燃機関の方がどうしても重くなるので、単位重量当たり出力(Power Weight Ratio)が問題となる自動車など輸送機関のエンジンには適していない。
　しかしながら燃焼部とエンジン部を分離することで、ワットの分離凝縮器(Separate Condenser)がそうであるように高温の燃焼部とはまったく独立に低温熱源の場所を確保することができるので、低温熱源の温度Ｔ_Lをより低くすることができるため、より高い熱効率の実現が可能になる。

(1) Steam Engineへの高温水蒸気の注入（seam engineへ熱エネルギーを注入するプロセス、すなわち、高温熱源からsteam engineが熱エネルギーを吸収するプロセス）
(2) 高温水蒸気を利用した力学的エネルギーの取り出し（seam engineを利用して熱エネルギーを力学的仕事に変換するプロセス）
(3) 力学的エネルギーを取り出した後に残る低温水蒸気の廃棄（外部への仕事の取り出しに使うことができない熱エネルギーを系の外部に捨て去るプロセス）

ピストンに働く圧力Pが一定であれば、ピストンの長さ（有効行程）をL[m]とすると、仕事量W[J]=PSLとなることからもわかるように、蒸気機関がなす仕事量Wは、圧力Pが大きくなればなるほど大きくなる。また蒸気機関がなす仕事量Wは、シリンダーの断面積S、ピストンの長さLが大きくなればなるほど、すなわち蒸気機関のエンジン部の容積V＝SLが大きくなればなるほど大きくなる。
　それゆえ蒸気機関の出力を上げるには、利用する水蒸気圧を上げるか、シリンダーの断面積Sやピストンの長さLを大きくして蒸気エンジン部を大きくする必要がある。下記の表に示されているように出力の増大にともなって水蒸気圧が上昇している。

ニューコメン機関ではシリンダー内部に冷水を噴出させることで水蒸気は冷却されて水に戻され、ワット機関では分離凝縮器(separate condenser)で水蒸気が冷却されて水に戻されるが、そうした復水過程で失われる水蒸気の熱エネルギーは外部への仕事の取り出しには利用されず、ムダに捨て去られることになる。

　熱効率ｅ＝Ｗ／Ｑ≦（Q_H-Q_L）／Q_H＝１-Q_L／Q_H

熱効率ｅ＝Ｗ／Ｑ≦１-Ｔ_L／Ｔ_H

[出典]ターボ機械協会(2007)「蒸気タービン」(http://www.turbo-so.jp/turbo_descript/turbo_for_kids05.htm)の表1を基に、単位や表記を変更した。

上記の表にも示されているように、原子力発電所の蒸気タービンで用いられている水蒸気の温度や圧力は、熱源として利用する核燃料棒の被膜の耐熱性の問題のため、、火力発電所の場合よりもかなり低い。（温度は約半分、水蒸気圧は約1/5である。）そのため原子力発電所の熱効率は、火力発電所の熱効率よりも低い。

水は比較的低価格で容易に入手可能な物質であるだけでなく、通常の大気圧（1気圧）の下では摂氏100度で水蒸気になるが、その際に体積が約1700倍にもなるという優れた性質を持っている。 ＜参考文献＞D.S.L.カードウェル(金子努訳,1982)『技術・科学・歴史 --- 転回期における技術の諸原理』p.154

動力水車の平均出力は、18世紀前半は4〜7馬力程度であったが、蒸気動力機関の社会的普及が進み始めた18世紀後半から19世紀前半の間に12〜18馬力程度まで上昇した。［T.S.レイノルズ(末尾至行ほか訳,1989)『水車の歴史 --- 西欧の工業化と水力利用』平凡社,p.342,Reynolds,Terry S. (2003) Stronger Than a Hundred Men: A History of the Vertical Water Wheel (Johns Hopkins Studies in the History of Technology),Johns Hopkins Univ Pr; New edition,p.］

a.エネルギー密度の大きさの違い

　動力発生に利用するエネルギー源のエネルギー密度（単位重量当たりのエネルギー量）は、石炭をエネルギー源とする蒸気動力機関の方が水の位置エネルギーや運動エネルギーを利用する動力水車に比べて極めて大きい。

1)水の運動エネルギーをエネルギー源とする下射式動力水車の場合

質量Mで速さVの物体の運動エネルギーEは E=1/2MV² であるから、この場合のエネルギー密度ρ₁は


		Ｅ[J]		1/2MV2		1
ρ1	＝	---------	＝	---------	＝	----V2
[J/kg]		Ｍ[kg]		Ｍ[kg]		2

　　　　
利用している流水の速さvが10m/sの場合で
　　ρ₁＝1/2×10²=50[J/kg]

ただし下車式水車の場合は、水車の回転軸等における摩擦を無視したとしても、流水の運動エネルギーすべてを利用できるわけではない。というのも下車式水車では、回転している水車の羽根への流水の「非弾性衝突」によって流水の運動エネルギーが水車の回転運動エネルギーに転換されているからである。水車の羽根の回転速度があることや、非弾性衝突であるために、流水の運動エネルギーの内で実際に有効に利用できるのはかなり少ない。
　水車の羽根部分の回転速度と、水車にかける流水速度の差が大きければ大きいほど水車にかかる力がより大きくなるが、そうであればあるほど「非弾性衝突」によって失われるエネルギー量が大きくなる。
　18世紀後半の下射式水車のエネルギー効率は20〜30％であったと言われている［T.S.レイノルズ(末尾至行ほか訳,1989)『水車の歴史 --- 西欧の工業化と水力利用』平凡社,p.310,Reynolds,Terry S. (2003) Stronger Than a Hundred Men: A History of the Vertical Water Wheel (Johns Hopkins Studies in the History of Technology),Johns Hopkins Univ Pr; New edition,p.281］。

近代的な下射式水車の例
Reynolds,Terry S. (2003) Stronger Than a Hundred Men: A History of the Vertical Water Wheel (Johns Hopkins Studies in the History of Technology),Johns Hopkins Univ Pr; New edition,p.10
http://books.google.co.jp/books?id=aZ0runvrq0AC&lpg=PP1&dq=water%20wheel&as_brr=3&pg=PA10#v=onepage&q=&f=false



2)水の位置エネルギーをエネルギー源とする上射式動力水車の場合

　　　　　　　　　　Ｅ[J]　　　　　　　Ｍｇｈ[J]
　　　　　 ρ₂ ＝ --------＝ -----------＝ｇｈ[J/kg]＝9.8ｈ[J/kg]
　　　　[J/kg] 　　Ｍ[kg]　　　　　　　Ｍ[kg]


　　　　　　　　　　太陽
　　　　　　　　　　○

　　　　　・・・・・・・・・・・・・・・・
　　　　　 ・・・・　　 雲　 ・・・
　　　　　・・・・・・・・・・・・・・
　　　　　／／　　　　　＼＼
太陽熱による蒸発　　　 ＼＼　雨
　　　／／　　　　　　　　　　＼＼
　　／／　　　　　　　　　　　　　＼＼
￣￣￣￣　　　　　　　　￣￣￣￣￣￣
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　海


　　利用している水の高低差ｈが10ｍの場合で
　　ρ₂＝9.8×10=98[J/kg]


18世紀後半の上射式水車のエネルギー効率は55〜65％であったと言われている。［T.S.レイノルズ(末尾至行ほか訳,1989)『水車の歴史 --- 西欧の工業化と水力利用』平凡社,p.339,Reynolds,Terry S. (2003) Stronger Than a Hundred Men: A History of the Vertical Water Wheel (Johns Hopkins Studies in the History of Technology),Johns Hopkins Univ Pr; New edition,p.306］

近代的な上射式水車の例<br>
Reynolds,Terry S. (2003) <em>Stronger Than a Hundred Men: A History of the Vertical Water Wheel</em> (Johns Hopkins Studies in the History of Technology),Johns Hopkins Univ Pr; New edition,p.12<br>
http://books.google.co.jp/books?id=aZ0runvrq0AC&lpg=PP1&dq=water%20wheel&as_brr=3&pg=PA12#v=onepage&q=&f=false


3)石炭をエネルギー源とする蒸気動力機関の場合

　　 ρ₃＝7500kcal／kg＝7500×10^3[cal/kg]×4.2[J/cal]≒3.2×10^7[J/kg]




b.場所的自由度がより大きい（場所的限定性がより少ない)

　　水の移動　ｖｓ　石炭の移動
　　　エネルギー密度の違いを考えればわかるように、移動は石炭の方がより簡単である。

　　　 また石炭は道路があれば輸送が可能であるが、動力水車は流水が利用できるところに限定された。川や用水路などが工場のすぐそばになければ、ダムや貯水池を設置して水路や導水管で動力水車の設置箇所まで水を導く必要があった。

　工場に動力水車や蒸気動力機関を設置して一次的な動力機として利用する場合には、動力機の場所的自由度の問題は工場設置者に取って重要な問題であった。
　蒸気タービンやタービン水車など一次的な動力機を発電機とし、工場で電動モーターを利用する現代的な技術システムでは、一次的動力機の場所的自由度の問題は発電所側の問題となっている。発電所に関する場所的制約は大きいが、電線による送電によって工場の立地に関する場所的制約はかなり小さくなっている。
　「エネルギー源」兼「作業流体」としての水の移動や、「エネルギー源」としての石炭の移動という場所的自由度の拡大に関する従来的な技術的対応は、電気の時代になり「送電線による電流（電気エネルギー）の移動」という新しい技術的対応法に取って代わられたのである。


c.) 時間的自由度がより大きいこと

蒸気動力機関は動力水車よりも、「時間的限定性がより少ない」、「調節がより簡単である」などの特性を持っている。

　水の蓄積　　ｖｓ　石炭の蓄積
　　水からのエネルギー取得　石炭からのエネルギー取得

　水門やダムなどを利用して水を蓄積することで動力水車の場合であっても、渇水期の到来などによる川の水流の季節的変化に一定程度は対応可能であるし、水の供給量を流水ゲートの開閉度によって調節するなどの方法で動力水車の出力を一定程度は調整することができる。
　しかしそうした付帯設備がない伝統的な下射式水車の場合には、渇水期には利用できなくなるなどその駆動に季節的制約があった。18世紀後半から19世紀前半にセーヴァリ型蒸気機関と上射式動力水車を組み合わせたハイブリッド型システムが利用されることになった。［T.S.レイノルズ(末尾至行ほか訳,1989)『水車の歴史 --- 西欧の工業化と水力利用』平凡社,pp.350-362の「蒸気機関と水車」；Reynolds,Terry S. (2003) Stronger Than a Hundred Men: A History of the Vertical Water Wheel (Johns Hopkins Studies in the History of Technology),Johns Hopkins Univ Pr; New edition,pp.321-の"The Steam Engine and the Vertical Water Wheel,c1700-c1850"の節が参考になる。］

参考図
パパンの蒸気機関と縦型動力水車とのハイブリッド型製品(1707)
Robert Henry Thurston(1878) A History of the Growth of the Steam-Engine,p.53の図18
http://www.history.rochester.edu/steam/thurston/1878/Chapter1.html
http://books.google.co.jp/books?id=KCMUmXV1C1gC&lpg=PP1&dq=%22Steam%20engine%22&lr=&as_brr=3&pg=PA53#v=onepage&q=papin&f=false

T.YoungのT.Young(1807),Lectures on Natural Philosophyによる試算
「ウマの日常の仕事は５ー６人の仕事に等しく、ラバの力は３ー４人のそれに等しい。ウマ１頭を飼う費用はだいたい労働者の日当の２ー３倍とおなじである。だからウマの力の値段は人間の場合の半分という勘定になる。････ボールトン氏によれば、１ブッシェル(約38kg)の石炭は８1/3人が１日にする仕事とおなじか、あるいはそれより大きい。この石炭量の値段が労働者１人１日の賃金をこえることはめったにないが、機械の値段が高いので、蒸気機関が代置したウマの動力費の半分よりもやや高い程度の動力費になる」R.J.フォーブス「動力」［筑摩書房版『技術の歴史』第７巻、p.138におけるT.Young,Lectures on Natural Philosophy,Vol.1,pp.132f.London,1807の見解の紹介,単位のみ訳を変更］

上記に紹介したT.Youngの見解によれば、下記のように蒸気機関のランニングコストは馬の約半分であった。


　　馬１頭の仕事＝人間５ー６人分の仕事
　　馬１頭を飼う食費＝労働者の日当の２ー３人分
　　--------------------------------------------------
∴　馬１頭がなす仕事のコスト＝人間１人のなす仕事のコストの半分

　　１ブッシェル(約38kg)の石炭によって蒸気機関がする仕事＝人間８1/3人が１日にする仕事
　　１ブッシェル(約38kg)の石炭の値段＝労働者１人の１日分の日当
　　--------------------------------------------------------------
∴　蒸気機関の値段を考慮に入れても、
　　 蒸気機関がなす仕事のコスト＝馬がなす仕事のコストの半分


T.Young(1807),Lectures on Natural Philosophy,Vol.1.p.132の箇所は、T.Young(1807),A course of lectures on natural philosophy and the mechanical arts,pp.102-103で読むことができる。