Les moteurs à vapeur sont des mécanismes qui utilisent la chaleur pour créer de la vapeur, qui à son tour effectue des processus mécaniques, généralement connus sous le nom de travail. Alors que plusieurs inventeurs et innovateurs ont travaillé sur divers aspects de l'utilisation de la vapeur pour l'énergie, le développement majeur des premières machines à vapeur implique trois inventeurs et trois conceptions principales de moteur.
Thomas Savery et la première pompe à vapeur
Le premier moteur à vapeur utilisé pour le travail a été breveté par l'Anglais Thomas Savery en 1698 et a été utilisé pour pomper l'eau des puits de mine. Le processus de base impliquait un cylindre rempli d'eau. De la vapeur était ensuite acheminée vers le cylindre, déplaçant l'eau, qui s'écoulait par une vanne à sens unique. Une fois que toute l'eau a été éjectée, le cylindre a été aspergé d'eau froide pour abaisser la température du cylindre et condenser la vapeur à l'intérieur. Cela a créé un vide à l'intérieur du cylindre, qui a ensuite aspiré de l'eau supplémentaire pour remplir le cylindre, terminant ainsi le cycle de la pompe.
Pompe à piston de Thomas Newcomen
Un autre Anglais, Thomas Newcomen, amélioré la pompe de l'esclavage avec un design qu'il a développé vers 1712. Le moteur de Newcomen comprenait un piston à l'intérieur d'un cylindre. Le sommet du piston était relié à une extrémité d'une poutre pivotante. Un mécanisme de pompe était connecté à l'autre extrémité de la poutre afin que de l'eau soit aspirée chaque fois que la poutre s'inclinait à l'extrémité de la pompe. Pour propulser la pompe, de la vapeur a été délivrée au cylindre du piston. En même temps, un contrepoids a abaissé la poutre à l'extrémité de la pompe, ce qui a fait monter le piston vers le haut du cylindre à vapeur. Une fois que le cylindre était plein de vapeur, de l'eau fraîche a été pulvérisée à l'intérieur du cylindre, condensant rapidement la vapeur et créant un vide à l'intérieur du cylindre. Cela a provoqué la chute du piston, déplaçant le faisceau vers le bas à l'extrémité du piston et vers le haut à l'extrémité de la pompe. Le cycle s'est ensuite répété automatiquement tant que de la vapeur a été appliquée au cylindre.
La conception du piston de Newcomen a effectivement créé une séparation entre l'eau pompée et le cylindre utilisé pour créer la puissance de pompage. Cela a considérablement amélioré l'efficacité de la conception originale de Slavery. Cependant, parce que Savery détenait un large brevet sur sa propre pompe à vapeur, Newcomen a dû collaborer avec Savery pour breveter la pompe à piston.
Améliorations de James Watt
Ecossais James Watt considérablement amélioré et développé la machine à vapeur au cours de la seconde moitié du 18ème siècle, ce qui en fait une machine vraiment viable qui a aidé à démarrer le Révolution industrielle. La première innovation majeure de Watt a été d'inclure un condenseur séparé afin que la vapeur n'ait pas à être refroidie dans le même cylindre qui contenait le piston. Cela signifiait que le cylindre du piston restait à une température beaucoup plus constante, augmentant considérablement l'efficacité énergétique du moteur. Watt a également développé un moteur qui pouvait faire tourner un arbre, plutôt qu'une action de pompage de haut en bas, ainsi qu'un volant d'inertie qui permettait un transfert de puissance en douceur entre le moteur et la charge de travail. Avec ces innovations et d'autres, la machine à vapeur est devenue applicable à une variété d'usines processus et Watt et son partenaire commercial, Matthew Boulton, ont construit plusieurs centaines de moteurs pour utilisation industrielle.
Moteurs à vapeur ultérieurs
Le début du 19e siècle a vu une innovation majeure des moteurs à vapeur à haute pression, qui étaient beaucoup plus efficaces que les conceptions à basse pression de Watt et des autres pionniers des moteurs à vapeur. Cela a conduit au développement de machines à vapeur beaucoup plus petites et plus puissantes qui pourraient être utilisées pour propulser des trains et des bateaux et pour effectuer un éventail plus large de tâches industrielles, telles que le fonctionnement de scies dans des usines. Deux innovateurs importants de ces moteurs étaient l'Américain Oliver Evans et l'Anglais Richard Trevithick. Au fil du temps, les moteurs à vapeur ont été remplacés par le moteur à combustion interne pour la plupart des types de locomotion et industriels travail, mais l'utilisation de générateurs de vapeur pour produire de l'électricité reste une partie importante de la production d'énergie électrique aujourd'hui.