Le principe de la machine à vapeur À la pression atmosphérique, une goutte d'eau à l'état de vapeur (→ gaz) 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.
Comme son nom l'indique, la machine à vapeur exploite la force motrice de la vapeur d'eau portée à haute pression. C'est une technologie qui convertit l'énergie thermique (chaleur) en énergie mécanique (travail). La chaudière chauffe l'eau pour la transformer en vapeur.
La machine à vapeur utilise la puissance de la vapeur d'eau pour faire bouger des machines. Son fonctionnement : une chaudière chauffe de l'eau et émet de la vapeur. Cette vapeur entre dans un cylindre et exerce une pression qui fait monter et descendre un piston.
Comment fonctionne un nettoyeur vapeur
Concrètement, de l'eau est versée dans le réservoir. Une fois le bouchon refermé, elle est portée à ébullition, sous pression, par une chaudière. L'utilisateur enclenche alors l'interrupteur.
Les machines à vapeur se répandent au XIXe siècle, fournissant la force motrice dans les usines. Elles servent également de moteurs pour les locomotives, les bateaux à vapeur et les premières automobiles qui préférèrent rapidement les moteurs à essence, moins encombrants.
Une des principales difficultés tient à la chaudière qui alourdit considérablement le véhicule. La nécessité d'alimentation fréquente en eau engendre une contrainte supplémentaire ; l'alternative d'utiliser un condenseur pour améliorer le rendement provoque un supplément de poids, d'où un autre inconvénient.
Au XXe siècle, le développement rapide de la technologie des moteurs à combustion interne a entraîné la disparition de la machine à vapeur en tant que source de propulsion des véhicules sur une base commerciale, et relativement peu de véhicules sont restés en service après la Seconde Guerre mondiale.
La machine à vapeur est un moteur à combustion externe qui transforme l'énergie thermique de la vapeur d'eau (produite par une ou des chaudières) en énergie mécanique. Les évolutions les plus significatives de cette invention datent du XVIII e siècle.
Le mécanicien anglais, Thomas Newcomen, construit une machine à vapeur en 1712 qui pompe l'eau dans une mine de charbon. L'Écossais James Watt la perfectionne en 1769 : une chaudière contenant de l'eau est chauffée au charbon.
La vapeur retient l'énergie
L'eau est une ressource disponible, peu chère et qui peut-être réutilisée sans déchets. Quand de l'eau est chauffée dans une chaudière pour créer de la vapeur, elle absorbe l'énergie. La vapeur peut retenir cinq ou six fois plus d'énergie potentielle qu'une masse équivalente d'eau.
Le moteur à vapeur était utilisé pour pomper l'eau des mines de charbon.
De l'eau est introduite dans le cylindre, qui est chauffé. La vapeur d'eau ainsi produite pousse le piston vers le haut, et une tige permet de le bloquer à une certaine hauteur. En refroidissant, la vapeur d'eau se condense et du vide se crée alors dans le cylindre.
Une diffusion rapide dans le monde industriel
Dans l'industrie sidérurgique, la machine à vapeur permet d'actionner de grands marteaux pour battre le métal aussi bien que des soufflets pour maintenir le feu d'une forge. Au XIXe siècle, la machine à vapeur permet la mécanisation de l'industrie textile.
Une locomotive à vapeur convertit l'énergie thermique (chaleur) en énergie mécanique (travail) selon le processus suivant : ⇒ Brûler du charbon dans un foyer (combustion). ⇒ Récupérer la chaleur pour chauffer de l'eau et la transformer en vapeur.
En 1763, alors qu'il répare un moteur, l'ingénieur écossais James Watt (1736-1819) cherche des idées pour en augmenter l'efficacité. En 1765, il finalise une chambre de condensation pour la vapeur et dépose un brevet en 1769.
Un des défauts de la locomotive à vapeur est la nécessité d'un temps important de préparation, avant la mise en ligne, ainsi que d'un entretien constant après une période de roulement relativement brève.
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.
La vapeur dans le cylindre est aspirée dans le condenseur froid, se condense en eau, provoquant une dépression qui s'applique à l'espace situé sous le piston par un canal de liaison. La pression atmosphérique extérieure pousse alors le piston vers le bas du cylindre.
3/ Dans une machine à vapeur, l'énergie thermique est convertie en énergie mécanique. 4/ Celui-ci a utilisé la propriété de compressibilité expansibilité des gaz.
Le terme gaz fait référence à une phase fluide compressible. Un liquide ou un solide n'a pas besoin de bouillir pour libérer une vapeur. La vapeur est responsable des processus familiers de formation et de condensation des nuages.
Il n'y a fondamentalement pas de différence entre les termes gaz et vapeur, mais un gaz est généralement utilisé pour décrire une substance qui apparaît à l'état gazeux sous les conditions standards de pression et de température, et la vapeur décrit l'état gazeux d'une substance qui apparaît ordinairement en tant que ...
James Watt, né le 19 janvier 1736 à Greenock en Écosse et mort le 25 août 1819 à Heathfield Hall, dans sa maison à Handsworth (localité maintenant intégrée à Birmingham, en Angleterre) est un ingénieur écossais dont les améliorations sur la machine à vapeur furent une des étapes clé dans la révolution industrielle.
Le terme a aujourd'hui évolué pour mesurer l'énergie mécanique et inclut chaque type de moteur : essence ou diesel, hybride ou à hydrogène, et électriques. Dire qu'une voiture possède 100ch veut dire qu'elle possède autant de force motrice que 100 chevaux, donc 7355 watts.
L'ingénieur James Watt invente une unité : le cheval-vapeur (ch). Un moteur d'un cheval-vapeur a une puissance d'un cheval soulevant une charge de 75 kg sur 1 m en une seconde. Le watt est devenu l'unité de mesure de la puissance (1 ch = 735,5 W), mais on parle toujours de « chevaux » pour un moteur.
Les chevaux fiscaux représentent fiscalement la puissance du véhicule, une unité de mesure utilisée par le droit fiscal pour classer les voitures mises en circulation. Ces derniers sont généralement notés avec la mention "CV", comme : 6CV.