首先，設計過程從蒸汽機的膨脹做功開始。
在冷氣機計算的過程中，使用的是絕熱膨脹的概念，目的是為了確定它的壓強和溫度的關系。
但在蒸汽機，特別是單流式蒸汽機的設計過程中，更加關鍵的數據在于能量而不是溫度。如果把蒸汽做功的過程簡單化，就可以直接從蒸汽的能量變化，來計算它做功的多少。
考慮到這個年代壓力容器的制作不易，首先選擇10個大氣壓，溫度在352度的蒸汽。這個狀態的蒸汽的內能為3160千焦每千克。（注︰來源于某熱電廠蒸汽輪機中壓渦輪的數據）
這個是蒸汽進氣口的狀態，那麼出口的狀態呢？當然是越接近冷凝狀態越好。所以選擇冷凝器回熱器的狀態，0.95個大氣壓，溫度107度。這個狀態水蒸汽的內能為2691千焦每千克。
可以看出來，大部分的能量仍然是留在水蒸汽內部，沒有轉化為機械能。這也是為什麼蒸汽機的效率難以提上去的基本原因。
根據機械能的能量需求，考慮到傳動的效率，保守選擇16千瓦。那麼每秒鐘就有16千焦的能量，從蒸汽的內能轉化為機械能。
所以每秒鐘的蒸汽重量是︰16除以3160－2691的值。這個數值是︰34克。
34克的水大概是34立方厘米，那麼在最終狀態的水蒸氣的體積大概是水的1673倍。這個體積就是57升。所以，排氣口的蒸汽流量就是每秒57升。
那進氣流量是多少呢？借助于水蒸汽的氣體常數（461.5j
kg.k），沒錯，就是pv=nrt公式里的r。空氣的這個數值是287.這個有什麼影響呢？簡單的講，就是這個數字越大，溫度對體積的影響，就越明顯。
蒸汽機也可以用空氣作為工作氣體，不過這樣的話，在同樣的轉速和同樣氣缸下，功率就要減小很多。
用這個氣體方程就可以算出來，進氣流量是每秒9.8升。
假設合理調整氣缸氣門的開閉位置，可以完美的實現氣體膨脹的卡諾循環（熱機效率最高的循環，為高低溫差對高溫的比值）。根據前後溫度的變化，這個蒸汽機的最高效率，是40%。
現代發電廠的大型蒸汽機使用蒸汽渦輪，進氣溫度可以高達530度，壓力達到190－200個大氣壓。這樣的電廠效率可以接近50%（輔助設施的損耗是很可觀的）。單獨的渦輪機的熱機效率理論上是53%。
如果和運行了很久的雙動式活塞蒸汽機車的效率8%相比，就算這個單流式蒸汽機的效率在理論效率的基礎上打個對折，只有20%，那也是強了好幾條街了。
從進氣流量和出氣流量可以看出來，蒸汽在活塞里膨脹了5.9倍。基于這個數據，就很好設計活塞的行程距離了。
之前制造的冷氣機的汽缸最大容量是800立方厘米。如果要達到這樣的要求，需要73個汽缸才能達到需要的設計功率。計算到這里，李志堅一口黑血沒吐出來。
看現在的豪車，v12缸的發動機，已經是牛逼上的牛逼了。**絲日常開的小破車，也就是個四缸發動機。排量2升都覺得好奢侈，這最高速度完全都用不上啊！
現在整出來個72缸58升的蒸汽發動機，你這是要殺人啊！
這里同樣可以做一個比較，內燃機2升的排量，就可以到接近100千瓦的功率。而現在為了區區20千瓦，這個古老的單流式蒸汽機就要做到58升的排量，區別真是天差地遠。
沒辦法，擴大氣缸容積吧！新的氣缸要擴大十幾倍，容積達到10升，整個發動機由6缸組成。
和德意志帝國鐵路01型標準蒸汽機車的氣缸參數比較一下︰它使用直徑65厘米，長60厘米的雙動型雙汽缸。總「排量」是398升，功率是1648千瓦。標準蒸汽氣壓16個大氣壓，可以跑到每小時120公里。
雖然很多人罵鐵道部和劉志軍，但是他還是辦了一件實事，那就是改變了中國的鐵路面貌。在他之前，中國大多數跑得列車，都完全可以用這個1925年開始在德國制造的鐵路機車來拉。說中國的鐵路落後80年是有點夸張了，但技術上落後四十年是沒疑問的。
現在拆了鐵道部，對鐵路進行私有化，其實和美國在二十世紀初干的事情也差不多。制度上落後一百年，也有點狠了。但是和美國二戰前一樣，也不算冤枉人吧。
李志堅設計的這款單流式蒸汽機，雖然氣壓等級略低（10個大氣壓），功率密度很小（0.344千瓦每升，相比較01型機車的4.23千瓦每升），並不是他的技術不行，而是為了效率而犧牲了功率密度。
01型機車的熱效率不會超過10%。因為它的活塞配氣機構，並不在意蒸汽在氣缸內的膨脹率。它調校準的比例是以驅動的目的而校準的。因此蒸汽在氣缸內的膨脹並不完全。
內燃機的效率高，除了燃料直接在氣缸內燃燒，氣體的溫度很高之外，另一個特點就是膨脹的程度很大（壓縮比）。比如這款單流式蒸汽機的「壓縮比」，就是5.9。
渦輪增壓的發動機，也就是利用排氣能量壓縮進氣，使得氣缸內實現更大的壓縮。這樣就提高了發動機的功率。
現代汽車柴油機的壓縮比，高達16－22.汽油機則是6－10.因此內燃機才能實現35%以上的效率。
對單流式蒸汽機而言，如果不注意功率密度，它的效率完全可以由鍋爐提供的蒸汽溫度來決定。因此這一台的理論效率可以高達40%。
但是相應的，如果說要把它裝在運動機械上，比如輪船，火車上，就必須要考慮功率密度了。畢竟，車上還是要裝別的東西的。
因此，這台蒸汽機暫時只能用作固定的提供動力。對于不缺住宅面積的貴族來說，用來帶動冷氣機是最實用不過的了。此外，還可以用在機床，抽水機等等的機械上面。
實際的設計過程還沒有完，比如，凸輪控制的進氣門開啟，要從氣缸最小位置，一直開起到1.6升的位置才關閉。然後氣體膨脹做功，到最大位置時，排氣凸輪頂起滑桿，打開排氣門，然後在最小位置關閉。這個控制，可以在主曲軸上安裝兩個分別的凸輪就可以。它們凸起佔整個圓周的比分別是進氣凸輪十二分之一圓周，排氣凸輪二分之一圓周。此外，進氣閥門的截面積和排氣閥門的截面積，要分別能使最大轉速下，也就是最短近期時間內讓足夠的高壓氣體流進，低壓氣體排出。這個數據則是根據流體力學里流阻的公式，第二泊肅葉定理來表達的。
這個公式是︰流量等于管道兩端的壓力差，除以流阻︰八倍粘滯系數乘以管道長度除以派和管道半徑的四次方。在這里可以看出，管道半徑是非常關鍵的一個數值，它的四次冪確保了在這一長串數據中它的影響力。
人類長患的高血壓，就是流體壓力嚴重受血管直徑影響的體現。如果因為肥胖之類的問題，讓血管直徑減小了5%，（這個數據看上去很小，是吧？），那麼為了保持血流量，血壓就要上升1.05的四次冪，也就是原來的121%。如果情況更嚴重一點，血管直徑變小了10%，那血壓就要到146%，嚴重爆表了。
（當然這里筆者就不計算了。有興趣的讀者可以自行找數據計算在一個進氣周期內，進氣管和排氣管的半徑要選擇多大才能兼顧活塞結構和壓力損失）
但是，光設計了汽缸和配氣裝置，這還只是完成了蒸汽機的三分之一。還有動力氣體的產生裝置和回收裝置︰鍋爐和冷凝器沒設計呢！
李志堅考慮了這份設計的可完成度，心想，先把主體弄出來，在整剩下的吧。于是便帶著老黃頭和一眾學徒在作坊開工了，先試著鑄造一批加大版本的氣缸，活塞，連桿之類的部件，然後打造兩個凸輪，試著把主體部分先驗證一下。
對不起了瓦特，你改良的蒸汽機在唐代就被某位無良理工男以最沒有余地的改裝方式，給提前「發明加改良」了。後世的你面對這樣的機器，會不會心生「這個機器如此優美而合理，以至于人類的智慧無法完全理解」諸如此類的感慨呢？