machine à vapeur
Machine mue par la force élastique de la vapeur d'eau.
THERMIQUE
À la pression atmosphérique, une goutte d'eau à l'état de vapeur occupe un volume 1 700 fois plus grand qu'à l'état liquide ; il en résulte une force d'expansion qui a été mise à profit comme force motrice dans les techniques, l'industrie, la navigation, etc. À 100 °C, la vapeur d'eau soulève la masse d'air qui pèse sur la surface du liquide, et qui équivaut à une pression de 1 bar. Sa force élastique croît rapidement avec la température.
Qui est l'inventeur de la machine à vapeur ? En Angleterre, le marquis de Worcester aurait construit entre 1630 et 1645 une machine à élever. Pour les Français, c'est Denis Papin. Il est certain que la première pompe aspirante et refoulante est due à l'Anglais Savery, et que l'on doit la première machine à vapeur à deux autres Anglais : Newcomen et Cawley en 1712. La machine de Newcomen combinait la condensation de la vapeur à basse pression dans un cylindre et l'action de la pression atmosphérique sur le piston. C'est James Watt qui introduira en 1783 l'usage de la vapeur à haute pression et l'action à double effet, c'est-à-dire alternativement sur les deux faces du piston.
La vapeur qui sert à l'alimentation est produite dans un générateur dit « chaudière » ; elle est ensuite utilisée dans le moteur proprement dit, et s'échappe finalement dans l'atmosphère ou dans un condenseur. L'ensemble des organes réglant l'admission et l'échappement constitue la distribution de vapeur. La pression acquise par la vapeur dans la chaudière est utilisée soit directement dans les moteurs à piston à mouvement alternatif, soit indirectement par transformation en énergie cinétique dans les turbines à vapeur. Les plus hauts rendements ont été atteints par les chaudières à charbon pulvérisé, injecté par de l'air sous pression dans un brûleur qui remplace le foyer, ainsi que par le tirage artificiel des foyers.
De nombreux perfectionnements ont amélioré tout au long du xixe s. et au début du xxe s. les performances de la machine à piston – chaudière tubulaire, surchauffe de la vapeur, condenseur, étages à haute pression et à basse pression successifs (machines compound) – mais le rendement d'une machine fixe n’a guère dépassé 15 %, et celui des locomotives 6 % ! On comprend pourquoi la vapeur a été remplacée par les moteurs Diesel dont le rendement dépasse 40 %. Seules sont encore employées aujourd'hui les turbines à vapeur (la première réalisation d'une turbine à réaction est de sir Charles Parsons en 1884), par exemple dans les centrales électriques : ce sont les Suisses Brown et Boveri qui ont inventé en 1905 le turboalternateur dont la puissance atteint maintenant 1500 MW.