Créée au cours du XVIIIe siècle, la machine à vapeur a été considérée comme une avancée technologique formidable. Elle a notamment eu un impact important lors de la révolution industrielle.
De nombreuses personnes se sont penchées sur la création de ce moteur à combustion interne. Les créations de l'anglais Thomas Newcomen et de l'écossais James Watt ont révolutionné l'histoire de l'énergie thermique. Pour en savoir plus sur la création de la machine à vapeur, SirEnergies vous déroule son parcours.
Comment a été inventée la machine à vapeur ?
Dès l'Antiquité, de nombreux hommes se sont penchés sur la vapeur et son utilisation. Ils souhaitaient améliorer la production mécanique qui était à l'époque limitée à l'énergie de l'Homme ou de l'animal, mais également à la force naturelle d'éléments comme le vent et l'eau.
Les premiers moteurs à vapeur
Héron d'Alexandrie fut le premier à constituer un moteur à vapeur qu'il appela éolipyle. Ce n'est que des années plus tard que l'idée de puissance de la vapeur d'eau refaisait surface.
Le XVIIe siècle marqua l'entreprise de nombreuses tentatives afin d'améliorer la force d'expansion de la vapeur d'eau. Giambattista della Porta en 1601 puis Jéronimo de Ayanz y Beaumont en 1606 et Salomon de Caus en 1615 ont mis toute leur énergie afin d'utiliser la vapeur d'eau en tant que source d'énergie industrielle.
La chaudière de Papin
En 1679, le français Denis Papin réalisa une chaudière qui était fermée par la première soupape. Développant son projet dans un livre intitulé “Description et usage de la nouvelle machine à élever l'eau”, Papin émit l'idée qu'une machine pouvait fonctionner à l'aide d'un piston. Celui-ci pouvait se déplacer dans un mouvement alternatif au cœur d'un cylindre poussé qu'il était par la vapeur créée par le chauffage d'eau. Son moteur à piston vit le jour en 1690, mais ne fonctionnait que sous pression atmosphérique.
Les apports de Thomas Savery et Thomas Newcomen
En 1698, dans la même idée, l'anglais Thomas Savery dépose un brevet pour une pompe fonctionnant à la vapeur et qui servirait à l'exploitation minière. Il développa ce projet avec l'aide d'un autre compatriote, Thomas Newcomen afin de pouvoir permettre une utilisation dès 1712 dans une mine de charbon de sa machine à vapeur.
Utilisée dans toutes les mines humides d'Europe, cette machine de Thomas Newcomen et Thomas Savery faisait fonctionner la pompe à l'aide d'un vide dans une chambre fermée. À l'intérieur de celle-ci, un jet d'eau faisait condenser de la vapeur. Bien qu'automatisées quelque temps plus tard, ces machines coûtaient très cher du fait du réchauffement du cylindre à chaque admission de vapeur.
La machine à vapeur de Watt, une véritable révolution industrielle
Après la création de la machine de Thomas Newcomen, l'écossais James Watt reprit un de ses moteurs afin de le retravailler et de voir comment il pouvait l'améliorer. Avec l'aide de l'entrepreneur Matthew Boulton, il créa alors sa propre machine à vapeur tout en s'appuyant sur le travail de ses prédécesseurs.
Le fonctionnement de la machine à vapeur de Watt
Afin d'améliorer la condensation de la machine, l'Écossais décida d'instaurer un nouveau compartiment appelé le condenseur. Grâce à ce nouveau dispositif, il put augmenter la puissance du moteur de 6 à 15 chevaux. Après avoir déposé un brevet en 1769, il continua ses améliorations afin de donner plus de puissance et d'efficacité à sa machine.
Il mit alors au point en 1782 la machine à double effet où le piston ne joue plus le rôle de frein, mais de moteur, que ce soit à l'aller comme au retour. La vapeur y est admise, quelle que soit la face du piston. Ceci permit à la machine à gagner en puissance. L'inventeur a continué à développer sa machine en créant un parallélogramme articulé ou encore un régulateur à boules.
L'impact de Watt dans la révolution industrielle
La révolution industrielle était considérée à l'époque comme une course aux rendements toujours plus importants. La machine à vapeur de James Watt en a été l'un des éléments marquants en ce qui concerne les forces motrices.
La machine à vapeur est le premier appareil qui a permis de transformer l'énergie thermique en énergie mécanique. C'est dire combien Watt a eu un impact colossal lors de la révolution industrielle. Pour preuve, entre 1776 et 1800, près de 500 machines ont été construites, donnant une quasi-situation de monopole à Watt et Boulton.
Les machines étaient utilisées dans les mines, mais également dans les ateliers et les moulins (coton, distillerie, farine, fer…). Elles étaient très pratiques afin de permettre une extraction plus facile du charbon dans les mines ou encore une production plus rapide dans l'industrie de la métallurgie ou du textile. Pour cette dernière, les manufactures et les fabriques se sont développées considérablement au détriment des artisans et des entreprises familiales grâce à la machine à vapeur. Cette dernière a d'ailleurs remplacé petit à petit l'énergie hydraulique.
En termes sociaux, la machine à vapeur a permis d'avoir une main-d'œuvre plus qualifiée, ce qui a été bénéfique pour le secteur industriel. Elle a ainsi développé les compétences des employés, qui ont alors choisi l'exode rural afin de pouvoir partager leur savoir-faire aux manufactures. Watt et Boulter ont également révolutionné l'organisation industrielle en créant le bureau de dessin. Le croquis représenta alors à la fois un document contractuel et un outil de fabrication.
Développement et fonctionnement de la machine à vapeur
La machine à vapeur a mis quelque temps à s'émanciper des secteurs pour lesquels elle était la plus utilisée :
- La construction mécanique,
- L'industrie cotonnière,
- La métallurgie,
- Les mines.
Hormis en Grande-Bretagne, où l'expansion de la machine à vapeur était importante, des pays comme la France, l'Allemagne ou encore les États-Unis mettaient un certain temps pour instaurer cet appareil dans leurs usines.
Au même moment, l'ingénieur anglais Richard Trevithick inventa une machine à vapeur haute pression où il supprima le condenseur. Les machines devinrent alors plus compactes et plus facilement transportables. Poursuivant sur son projet, il développa la première locomotive à vapeur sur rails en 1803 avant de la mettre en route l'année suivante. George Stephenson créa ensuite la première ligne de chemin de fer pour faire circuler les locomotives à vapeur.
Le développement lors de la grande dépression
Il faut attendre la fin du XIXe siècle pour voir le moteur à vapeur devenir la norme en termes de productivité. Les industriels profitèrent alors du coût très peu élevé des machines, ce qui leur permettait de réaliser des économies. La France reste toutefois toujours à la traîne du fait du coût d'entretien de la machine à vapeur. En 1880, on dénombre 500 000 machines en France alors que la Grande-Bretagne en compte 2 millions et l'Allemagne 1,7 million.
Ce n'est que dans les années 1920 que l'Hexagone eut comme moteur industriel de référence la machine à vapeur. Cela dura jusque dans les années 1930 avec l'arrivée des machines des centrales thermiques de production d'électricité.
Le fonctionnement de la machine à vapeur
En dépit de toutes les inventions et créations, la machine à vapeur a gardé toujours le même fonctionnement afin de transformer l'énergie thermique en énergie mécanique. Le moteur à combustion externe génère de la vapeur en chauffant l'eau dans une chaudière fermée et hermétique. En poussant un piston, ceci a pour conséquence l'expansion du volume d'un cylindre. Le piston a, quant à lui, un mouvement de rotation qui entraîne le rotor d'un générateur électrique ou la rotation des roues.
Le mouvement fini, le piston reprend sa place et expulse la vapeur grâce à l'énergie cinétique. Pour maîtriser la pression de la vapeur, des vannes d'entrée et de sortie régulent le renouvellement de la charge. Cela permet à la vapeur de s'écouler dans le cylindre.
L'influence de la machine à vapeur de nos jours
Ce moteur à combustion externe a eu et a encore de l'influence dans le monde industriel. On retrouve certains principes de la machine à vapeur utilisés dans des procédés pour la combustion interne d'un moteur, que ce soit le carter ou le système de cylindres en étoile dans les moteurs d'avion.
La production d'électricité est cependant le domaine où l'application de la machine à vapeur est la plus prégnante. De nombreuses centrales thermiques utilisent l'eau bouillante afin de faire tourner des turbines à vapeur. Reliées à un générateur, ces dernières permettent ainsi d'obtenir l'énergie électrique.
La seule différence qui réside pour ces différentes centrales thermiques est la provenance de la source de chaleur. Pour atteindre le stade de vapeur, l'eau est chauffée par :
- Des combustibles fossiles comme le charbon, le gaz naturel ou le pétrole,
- De l'énergie solaire,
- De l'uranium (énergie nucléaire).
Alors qu'ils ont été de formidables acteurs de la révolution industrielle au XVIIIe siècle, la machine à vapeur et certains de ces procédés sont encore présents de nos jours. Ce moteur à combustion externe a permis au secteur industriel de se développer avant de laisser la place au moteur à combustion interne, électrique et à la turbine à vapeur. L'écossais James Watt restera comme celui qui aura un impact important lors de la révolution industrielle, que ce soit d'un point de vue social ou économique.
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