首先，设计过程从蒸汽机的膨胀做功开始。
在冷气机计算的过程中，使用的是绝热膨胀的概念，目的是为了确定它的压强和温度的关系。
但在蒸汽机，特别是单流式蒸汽机的设计过程中，更加关键的数据在于能量而不是温度。如果把蒸汽做功的过程简单化，就可以直接从蒸汽的能量变化，来计算它做功的多少。
考虑到这个年代压力容器的制作不易，首先选择10个大气压，温度在352度的蒸汽。这个状态的蒸汽的内能为3160千焦每千克。（注：来源于某热电厂蒸汽轮机中压涡轮的数据）
这个是蒸汽进气口的状态，那么出口的状态呢？当然是越接近冷凝状态越好。所以选择冷凝器回热器的状态，0.95个大气压，温度107度。这个状态水蒸汽的内能为2691千焦每千克。
可以看出来，大部分的能量仍然是留在水蒸汽内部，没有转化为机械能。这也是为什么蒸汽机的效率难以提上去的基本原因。
根据机械能的能量需求，考虑到传动的效率，保守选择16千瓦。那么每秒钟就有16千焦的能量，从蒸汽的内能转化为机械能。
所以每秒钟的蒸汽重量是：16除以3160－2691的值。这个数值是：34克。
34克的水大概是34立方厘米，那么在最终状态的水蒸气的体积大概是水的1673倍。这个体积就是57升。所以，排气口的蒸汽流量就是每秒57升。
那进气流量是多少呢？借助于水蒸汽的气体常数（461.5J/kg.K），没错，就是PV=nRT公式里的R。空气的这个数值是287.这个有什么影响呢？简单的讲，就是这个数字越大，温度对体积的影响，就越明显。
蒸汽机也可以用空气作为工作气体，不过这样的话，在同样的转速和同样气缸下，功率就要减小很多。
用这个气体方程就可以算出来，进气流量是每秒9.8升。
假设合理调整气缸气门的开闭位置，可以完美的实现气体膨胀的卡诺循环（热机效率最高的循环，为高低温差对高温的比值）。根据前后温度的变化，这个蒸汽机的最高效率，是40%。
现代发电厂的大型蒸汽机使用蒸汽涡轮，进气温度可以高达530度，压力达到190－200个大气压。这样的电厂效率可以接近50%（辅助设施的损耗是很可观的）。单独的涡轮机的热机效率理论上是53%。
如果和运行了很久的双动式活塞蒸汽机车的效率8%相比，就算这个单流式蒸汽机的效率在理论效率的基础上打个对折，只有20%，那也是强了好几条街了。
从进气流量和出气流量可以看出来，蒸汽在活塞里膨胀了5.9倍。基于这个数据，就很好设计活塞的行程距离了。
之前制造的冷气机的汽缸最大容量是800立方厘米。如果要达到这样的要求，需要73个汽缸才能达到需要的设计功率。计算到这里，李志坚一口黑血没吐出来。
看现在的豪车，V12缸的发动机，已经是牛逼上的牛逼了。**丝日常开的小破车，也就是个四缸发动机。排量2升都觉得好奢侈，这最高速度完全都用不上啊！
现在整出来个72缸58升的蒸汽发动机，你这是要杀人啊！
这里同样可以做一个比较，内燃机2升的排量，就可以到接近100千瓦的功率。而现在为了区区20千瓦，这个古老的单流式蒸汽机就要做到58升的排量，区别真是天差地远。
没办法，扩大气缸容积吧！新的气缸要扩大十几倍，容积达到10升，整个发动机由6缸组成。
和德意志帝国铁路01型标准蒸汽机车的气缸参数比较一下：它使用直径65厘米，长60厘米的双动型双汽缸。总“排量”是398升，功率是1648千瓦。标准蒸汽气压16个大气压，可以跑到每小时120公里。
虽然很多人骂铁道部和刘志军，但是他还是办了一件实事，那就是改变了中国的铁路面貌。在他之前，中国大多数跑得列车，都完全可以用这个1925年开始在德国制造的铁路机车来拉。说中国的铁路落后80年是有点夸张了，但技术上落后四十年是没疑问的。
现在拆了铁道部，对铁路进行私有化，其实和美国在二十世纪初干的事情也差不多。制度上落后一百年，也有点狠了。但是和美国二战前一样，也不算冤枉人吧。
李志坚设计的这款单流式蒸汽机，虽然气压等级略低（10个大气压），功率密度很小（0.344千瓦每升，相比较01型机车的4.23千瓦每升），并不是他的技术不行，而是为了效率而牺牲了功率密度。
01型机车的热效率不会超过10%。因为它的活塞配气机构，并不在意蒸汽在气缸内的膨胀率。它调校准的比例是以驱动的目的而校准的。因此蒸汽在气缸内的膨胀并不完全。
内燃机的效率高，除了燃料直接在气缸内燃烧，气体的温度很高之外，另一个特点就是膨胀的程度很大（压缩比）。比如这款单流式蒸汽机的“压缩比”，就是5.9。
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