Machine à vapeur - Définition et Explications

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Introduction

La machine à vapeur est une invention dont les évolutions les plus significatives datent du XVIIIe siècle. C'est un moteur thermique à combustion externe. Il transforme l'énergie thermique que possède la vapeur () d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) fournie par une ou des chaudières en énergie mécanique.

Comme première source d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) constructible (On qualifie de constructible une chose qui peut être construite ou qui peut accueillir une...) et maîtrisable par l'Homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo...) (contrairement à l'énergie de l'eau, des marées ou du vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface...), qui nécessitent des sites spéciaux et que l'on ne peut actionner facilement à la demande), elle a eu une importance majeure lors de la Révolution industrielle. Mais au XXe siècle, la machine à vapeur (La machine à vapeur est une invention dont les évolutions les plus significatives datent...) « alternative » a été supplantée par la turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air,...) à vapeur. Le moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique,...) électrique et le moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) à combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la...) interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) l'ont aussi remplacée dans la mise à disposition d'énergie mécanique.

Maquette recto se trouvant au Bois du Cazier
Maquette verso se trouvant au Bois du Cazier
Machine à vapeur : le mouvement de la biellette qui relie le régulateur (Le Régulateur est une série de bande dessinée française de science-fiction dans...) centrifuge au papillon d'admission de vapeur est montré ici en mouvement continu. Dans la réalité, la biellette n'est activée que lorsque la machine accélère ou ralentit.

Histoire

L'Éolipyle d'Héron d'Alexandrie (Alexandrie (grec :?λεξ?νδρεια, Copte :...)

Les premiers travaux sur la vapeur d'eau et son utilisation remontent à l'Antiquité : Héron d'Alexandrie conçut et construisit au Ier siècle ap. J.-C. l'éolipyle qui, bien que considérée comme un jouet du fait de sa faible puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :), n'en était pas moins un moteur à vapeur, à réaction.

En 1543, dans le port de Barcelone (Barcelone (Barcelona en catalan et en castillan) est une commune de Catalogne - Espagne, située...), un navigateur et inventeur espagnol, Blasco de Garay fit sous les yeux de nombreux hauts personnages, dont Charles Quint, la démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir...) d'un bateau (Un bateau est une construction humaine capable de flotter sur l'eau et de s'y déplacer,...) mû par la vapeur d'un chaudron et des roues à aubes, mais il semble que ses nombreuses inventions n'ont pas eu de suite. Comme il a gardé secret son procédé, on ne connaît pas le mécanisme exact de son fonctionnement.

Il fallut attendre le XVIIe siècle pour que réapparaisse l'idée d'utiliser la puissance de la vapeur d'eau. En 1601, Giambattista della Porta, puis en 1615, Salomon de Caus (Salomon de Caus, né vraisemblablement à Dieppe en 1576 en Normandie, dans le pays de Caux...), décrivent une pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) capable de chasser l'eau d'un récipient. En 1629, Giovanni Branca suggère l'idée de moulins mus par la vapeur et, l'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié...) suivante, David Ramseye obtient un brevet pour une pompe mue par un moteur à feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation...). En 1663 Edward Somerset améliore le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) de Caus en équipant la chambre à vapeur d'un refroidisseur, il construit un modèle de grande taille, mais meurt avant d'avoir pu appliquer pratiquement sa création.

En 1668, le jésuite flamand Ferdinand Verbiest décrit dans son livre le premier véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un...) terrestre mû par un jet de vapeur et une roue à aubes (La roue à aubes est une roue de construction particulière, munie de pales, permettant de créer...).

En 1698, Thomas Savery dépose un brevet sur une pompe destinée à l'exploitation minière, fonctionnant à la vapeur, directement inspirée des travaux de Edward Somerset. Par la suite, il la perfectionne en collaboration avec Thomas Newcomen, grâce, entre autres, aux travaux du Français Denis Papin. Ce dernier, après avoir inventé un prototype d'autocuiseur, avait eu l'idée du piston, donnant ainsi accès à des puissances insoupçonnées jusqu'alors. Un premier modèle commercial (Un commercial (une commerciale) est une personne dont le métier est lié à la vente.) fut utilisé dès 1712 dans les mines de charbon, près de Dudley, dans le centre de l'Angleterre (L’Angleterre (England en anglais) est l'une des quatre nations constitutives du Royaume-Uni....). Ces pompes fonctionnaient en produisant un vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) dans une chambre fermée où l'on fait se condenser de la vapeur, grâce à un jet d'eau. Les vannes d'admission et d'échappement, d'abord à commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un...) manuelle, sont automatisées par Henry Beighton, en 1718. Ces pompes deviennent rapidement courantes dans toutes les mines humides de l'Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un...). Elles restent cependant très coûteuses à l'emploi, car le cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée...) doit être réchauffé avant chaque admission de vapeur.

Machine à vapeur de Watt (Le watt (symbole W) est une unité dérivée du système international pour la...).

L'Écossais James Watt (1736-1819) répare un moteur Newcomen en 1763 : il cherche alors des idées d'amélioration pour en augmenter l'efficacité. Ses réflexions débouchent en 1765 sur l'idée d'une chambre de condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui...) pour la vapeur séparée par une valve, idée sur laquelle il dépose un brevet en 1769. Il commence alors à produire des moteurs améliorés avec le financement de Matthew Boulton.

Il continue en parallèle à chercher des idées sur et autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de son invention. En 1781 il met au point (Graphie) le système mécanique permettant de créer un mouvement de rotation à partir du mouvement rectiligne du piston, ce qui lui permet ensuite de concevoir le cylindre à double action où la vapeur entraîne le piston, lors de sa montée et de sa descente. La puissance de la machine en est fortement augmentée.

Il formalise aussi une utilisation possible en 1784 en déposant un brevet sur une locomotive à vapeur (Les premières locomotives (au XIXe siècle) étaient propulsées par une machine à vapeur,...), invente un indicateur de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) de la vapeur dans le cylindre, et, en 1788, une valve de puissance sur laquelle il utilise ensuite l'idée de Boulton d'employer un régulateur centrifuge pour rendre la vitesse (On distingue :) constante indépendamment des variations de la production de vapeur et des sollicitations de puissance en sortie. Il introduit aussi une nouvelle unité de mesure (En physique et en métrologie, les unités sont des étalons pour la mesure de...) de la puissance, le cheval (Le cheval (Equus ferus caballus ou equus caballus) est un grand mammifère herbivore et...) vapeur.

Certains lui reprochent d'avoir freiné le développement des systèmes à haute pression fonctionnant par l'expansion de la vapeur auxquels il ne croyait pas, mais prônés par d'autres inventeurs comme Jonathan Hornblower, qui durent attendre l'expiration des brevets en 1800, après leur prolongation en 1782. Ce dernier mit au point, en 1781, un double cylindre combiné où la vapeur passe d'abord dans un cylindre dans lequel elle pousse (Pousse est le nom donné à une course automobile illégale à la Réunion.) le piston avant de passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) dans un cylindre fonctionnant selon le principe de la condensation qui équivaut à un système à double action. Mais son invention reste expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...), sans application possible du fait des brevets de Watt, et il faut attendre 1803 et Arthur Woolf pour la voir émerger enfin. Combiné à un nouveau type de condenseur conçu par Edmund Cartwright qui enveloppe le cylindre et l'apparition des chaudières produisant de la vapeur à haute pression, cela va permettre la fabrication de machines compactes et puissantes, nécessaires à une utilisation mobile.

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