La machine à vapeur est un moteur à combustion externe qui convertit l'énergie thermique en énergie mécanique en utilisant de la vapeur d'eau à haute pression. Son fonctionnement repose sur le chauffage de l'eau pour générer de la vapeur, dont l'expansion entraîne un mécanisme mécanique, comme des pistons ou des turbines.
La chaleur nécessaire à la production de vapeur provient principalement de la combustion du charbon, bien qu’elle puisse également être obtenue à partir du bois, du pétrole, de réactions nucléaires ou même de l’énergie solaire.
Considérée comme l’une des inventions les plus révolutionnaires de l’histoire, la machine à vapeur a joué un rôle clé dans la révolution industrielle, stimulant le développement des transports, de l’industrie et de la production d’électricité au cours du XIXe siècle.
Comment fonctionne la machine à vapeur ?
Le fonctionnement d'une machine à vapeur suit ces étapes de base :
- Production de chaleur : Un combustible (charbon, bois ou pétrole) est brûlé pour chauffer l’eau dans une chaudière.
- Production de vapeur : L’eau atteint son point d’ébullition et se transforme en vapeur à haute pression.
- Conversion d'énergie : La pression de la vapeur est utilisée pour déplacer un mécanisme mécanique, tel qu'un piston ou une turbine.
Générateur de vapeur ou chaudière
Le générateur de vapeur, ou chaudière, est un élément essentiel du système. Ici, l’eau est chauffée et transformée en vapeur, qui est ensuite dirigée vers le moteur. Selon la conception, la machine à vapeur peut être de deux types principaux :
- Moteur alternatif : utilise un piston qui se déplace d'avant en arrière.
- Moteur rotatif : Entraîne une turbine à vapeur pour générer un mouvement continu.
Moteur à piston d'une machine à vapeur
Depuis la seconde moitié du XIXe siècle, la plupart des machines à vapeur ont adopté des systèmes à double, triple ou même quadruple expansion, utilisant plusieurs cylindres en série pour améliorer l'efficacité et mieux utiliser l'énergie de la vapeur.
Turbines à vapeur
Les turbines à vapeur ont presque complètement remplacé les moteurs alternatifs dans le domaine maritime et plus tard dans la production d'électricité. Au fil du temps, ils ont été remplacés dans de nombreuses applications par des moteurs à combustion interne et des turbines à gaz, bien qu'ils restent essentiels dans les centrales électriques, où ils sont utilisés pour entraîner des alternateurs triphasés et produire de l'électricité.
Caractéristiques de la machine à vapeur
Les principales caractéristiques de la machine à vapeur sont :
1. Conversion de l'énergie thermique en énergie mécanique
La machine à vapeur transforme la chaleur en travail mécanique. Lorsque l’eau est chauffée et que de la vapeur est générée, elle se dilate et exerce une pression sur un piston ou une turbine, créant un mouvement utile.
2. Utilisation d'un cycle thermodynamique
Il fonctionne au moyen d'un cycle de dilatation et de contraction de la vapeur, suivant généralement le cycle de Rankine. Ce procédé permet la génération continue d’énergie mécanique à partir de la chaleur.
3. La pression de la vapeur comme force motrice
La vapeur générée atteint des pressions élevées qui entraînent le mécanisme de la machine. La quantité de pression détermine la puissance et l'efficacité du système.
4. Régulation du débit de vapeur
Le système dispose de vannes qui contrôlent l’entrée et la sortie de la vapeur, permettant d’ajuster la vitesse, la puissance et la direction du mouvement selon les besoins.
5. Réutilisation de la vapeur dans certains modèles
Dans certaines versions plus avancées, la vapeur est condensée et réutilisée pour améliorer l’efficacité et réduire la consommation de carburant et d’eau.
6. Polyvalence d'application
Les machines à vapeur ont été utilisées dans de nombreux domaines, tels que les transports (trains et navires), l'industrie (usines et mines) et la production d'électricité, révolutionnant la production et la mobilité.
7. Efficacité variable selon la conception
L'efficacité dépend du type de machine, du carburant utilisé et de l'utilisation de vapeur. Les premières versions étaient peu performantes, mais des améliorations telles que la machine Watt ont augmenté leur efficacité.
8. Dépendance au carburant externe
Pour fonctionner, la machine à vapeur nécessite une source de chaleur externe, comme le charbon, le bois ou le pétrole, ce qui influence son coût d'exploitation et sa durabilité.
Qui a inventé la machine à vapeur ?
Le développement de la machine à vapeur n’est pas l’œuvre d’un seul inventeur, mais le résultat d’une série de progrès sur plus d’un siècle.
Thomas Savery (1698) : la première pompe à vapeur
Le premier appareil à vapeur fonctionnel a été créé par Thomas Savery en 1698. Il s'agissait d'une pompe à eau qui utilisait la vapeur condensée pour créer un vide et extraire l'eau des puits profonds. Bien qu'utile pour le pompage dans les mines et les stations d'eau, sa conception était limitée et ne pouvait pas générer une puissance mécanique continue.
Thomas Newcomen (1712) : la machine atmosphérique
En 1712, Thomas Newcomen améliore la pompe de Savery en y incorporant un piston et un cylindre, inspiré des idées du scientifique français Denis Papin. Son moteur à aspiration naturelle permettait un fonctionnement plus efficace et continu, ce qui en faisait le premier moteur à vapeur commercialement viable. Il était principalement utilisé dans les mines de charbon pour extraire l'eau.
James Watt (1769) : la machine à vapeur moderne
Le grand bond en avant dans la technologie de la vapeur eut lieu en 1769 avec James Watt, qui perfectionna la conception de Newcomen. Ses innovations ont rendu la machine à vapeur beaucoup plus efficace et pratique pour l’utilisation industrielle et le transport.
Les innovations de James Watt
- Chambre de condensation séparée : évite les pertes de chaleur en maintenant le cylindre à une température constante.
- Utilisation de la pression de vapeur au lieu de la pression atmosphérique : amélioration de l'efficacité et de la puissance du moteur.
- Conversion du mouvement linéaire en mouvement circulaire : a rendu possible son application dans les machines industrielles et les locomotives.
- Régulateurs automatiques : Des mécanismes tels que le papillon permettaient de contrôler la vitesse de la machine.
- Consommation de carburant réduite : coûts d’exploitation réduits par rapport aux machines Newcomen.
En reconnaissance de ses travaux, l'unité de puissance électrique du Système international d'unités porte son nom : le watt (W).
Impact de la machine à vapeur
La machine de Watt a révolutionné l’industrie, marquant le début de la révolution industrielle. Son entreprise, Boulton & Watt, a joué un rôle clé dans la commercialisation de ces machines, en les utilisant dans les usines, les chemins de fer et les bateaux à vapeur.
Denis Papin : un précurseur oublié
Le scientifique français Denis Papin a expérimenté l'utilisation de la vapeur bien avant Watt. En 1679, il conçoit une chaudière étanche dotée d'un piston qui monte avec la chaleur et redescend avec la condensation de la vapeur. Il a également introduit un système de soupape de sécurité, essentiel dans le développement des chaudières modernes.
Bien que sa conception n'ait pas été appliquée commercialement à l'époque, elle a jeté les bases des avancées ultérieures de la technologie de la vapeur.