La première référence à la machine à vapeur se trouve à l'époque hellénistique avec les œuvres d'Héron d'Alexandrie. On parle ensuite d’expériences visant à tirer profit de l’expansion de la vapeur.
C'était une sphère métallique creuse remplie d'eau, avec les bras tangents au trou de sortie : lorsque l'eau est chauffée, elle se vaporise et la vapeur d'eau sort des trous, grâce à la rotation de la boule elle-même.
Inventeur et date de création de la machine à vapeur
Il est impossible de déterminer l'inventeur unique de la machine à vapeur, ni la date exacte de sa création, car son évolution a été un processus long et progressif. Tout au long de l’histoire, de nombreux inventeurs ont apporté des améliorations et des adaptations pour répondre aux besoins sociaux, économiques et politiques de chaque époque.
Cependant, une étape importante dans son développement fut la machine de Thomas Newcomen en 1712 , considérée comme la première machine à vapeur pratique. Plus tard, James Watt , en 1769, introduisit des améliorations clés telles que le condenseur séparé, qui permit une utilisation plus efficace de l'énergie et fit de sa conception la force motrice de la révolution industrielle.
Premières expériences avec la machine à vapeur
Au début du XVIIe siècle, les expériences de Giovanni Battista della Porta ont permis d'utiliser la puissance de la vapeur comme force motrice.
L'ingénieur Salomon de Caus a également réalisé des expériences de machines à vapeur similaires à celles de Della Porta. En 1615, Alomon Caus publia un traité sur son système contenant une pompe à vapeur.
Plus récemment, les premières applications de la vapeur remontent aux expériences de Denis Papin et de son autocuiseur en 1679. Cette expérience a ouvert la voie au développement de l'utilisation de la vapeur.
Origine de la première machine à vapeur
Des expériences ultérieures utilisant la vapeur ont eu lieu au début du XVIIIe siècle, notamment pour pomper l'eau des mines.
L'eau était pompée grâce au système imaginé en 1698 par Thomas Savery, utilisant le vide créé par la condensation de la vapeur introduite dans un récipient.
Avec cette expérience, l’eau a été élevée à une hauteur d’environ 10 m. De plus, grâce à l’invention du système cylindre-piston, il a été possible de convertir l’énergie de la vapeur en mouvement mécanique.
La machine à vapeur de Newcomen
Le premier exemple d'application industrielle de ce concept est la machine à vapeur de Thomas Newcomen datant de 1705. La machine de Newcomen était grande mais pas trop puissante ni trop chère. Il ne pouvait faire qu’un mouvement de va-et-vient. C'est pour cette raison qu'il est utilisé pour extraire l'eau des mines.
Au début, la machine à vapeur fonctionnait à la pression atmosphérique, elle fournissait donc une puissance très faible et les moteurs devaient être énormes. Pour l'installation dans des véhicules automoteurs, une conception de moteur à vapeur plus petite et plus légère était donc nécessaire pour la même puissance.
Apparition des machines à vapeur à haute pression
Ce problème a conduit à la création de machines à vapeur à haute pression. Dans les moteurs à vapeur à haute pression, la pression s'accumule à l'intérieur de la chaudière.
Cet objectif a été atteint plus tard avec l’invention du condensateur externe. Dans le condenseur externe, la répartition des tiroirs et le mécanisme à bielle-manivelle ont permis de convertir le mouvement linéaire en mouvement de rotation.
Cette caractéristique a conduit à son utilisation générale dans les transports et l’industrie. Les mérites de cet événement sont attribués à l'ingénieur écossais James Watt en 1765.
L'invention de Watt présentait plusieurs avantages :
- Coût inférieur
- Dimensions plus petites
- Moins de consommation d'énergie
- Une plus grande puissance.
La machine à vapeur dans l'industrie
La machine à vapeur permettait d'obtenir une puissance supérieure à celle que l'on pouvait obtenir avec les ressources disponibles jusqu'alors. Cette évolution a joué un rôle clé dans la révolution industrielle.
Le développement de la machine à vapeur a facilité l’extraction et le transport du charbon. La diminution des coûts d’extraction du charbon contribue à réduire les coûts d’utilisation de la machine à vapeur. La deuxième application de la machine à vapeur fut d'actionner des soufflets dans les fonderies en 1776, tandis qu'en 1787 elle fut également utilisée pour filer du tissu de coton.