Une machine à vapeur est un moteur qui utilise comme source d'énergie la vapeur d'eau : de l'eau, rendue à l'état gazeux après avoir été portée à ébullition par une source d'énergie thermique (souvent du charbon), provenant le plus souvent d'une combustion.
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.
La chaleur latente de vaporisation (CLvap) est la quantité de chaleur nécessaire pour transformer 1 kg d'eau (et bouillante) en vapeur sans changement de température - ou énergie thermique nécessaire pendant le changement de l'état liquide à l'état de vapeur (en kiloJoule par kg [kJ kg-1] ).
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 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.
La vapeur pour produire de l'énergie
L' énergie thermique transportée par la vapeur d'eau sous pression lance et entretient le mouvement de rotation du rotor de la turbine. Reliée à un générateur, elle permet de produire de l'électricité.
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.
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.
Le moteur à vapeur était utilisé pour pomper l'eau des mines de charbon.
L'énergie mécanique
L'énergie fluviale (énergie de l'eau) et l'énergie éolienne (énergie éolienne) sont de l'énergie cinétique. S'ils entraînent des générateurs, ils peuvent être convertis en énergie mécanique (usines d'eau, moulins à vent, pompes raccordées à des éoliennes) ou en électricité.
Afin de répondre à l'ensemble de ces besoins, nous utilisons un large panel d'énergies dont principalement : l'électricité (53%) le gazole non routier (13%) le gazole routier (22%)
Aujourd'hui, les trains français roulent à deux carburants : le gazole et l'électrique. Le charbon a été mis de côté depuis plusieurs décennies et l'installation des voies électriques dès le début du XXème siècle a changé la donne.
L'essence et le gazole couvrent 98 % de l'énergie utilisée dans le transport routier à l'échelle mondiale, et 96 % en Europe où les biocarburants représentent seulement 1,5 % et le gaz naturel à peine plus de 1 % (figure 3).
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 actionne des pistons et active une machine.
James Watt (1736-1819) était un ingénieur mécanicien et mathématicien écossais. Il a perfectionné la machine à vapeur, inaugurant l'ère de la « vapeur » dans la révolution industrielle en Angleterre. Son nom a été donné à l'unité de puissance de l'énergie : le watt.
Les chaînes de production de l'électricité
Le cycle de production de l'électricité le plus répandu nécessite de disposer d'une source de chaleur permettant de chauffer de l'eau afin d'obtenir de la vapeur sous pression. Cette vapeur, en se détendant dans une turbine, entraîne un alternateur qui génère de l'électricité.
Cette invention est une révolution technologique. Avant, les machines étaient actionnées par des hommes ou des chevaux. Avec la machine à vapeur, on a pu faire marcher des machines plus puissantes. Entre 1780 et 1880, la plupart des usines du monde fonctionnaient avec des machines à vapeur.
En 1712, Thomas Newcomen met au point la première machine à vapeur, qui sert à pomper l'eau de la mine de charbon de Dudley, en Angleterre. L'anglais James Watt sera à l'origine d'une autre grande innovation : l'utilisation de vapeur sous pression, qui améliorera considérablement le fonctionnement de la machine.
La chaudière de la machine de Newcomen produit de la vapeur qui va pénétrer à la base du cylindre pour faire monter le piston. Lorsque celui-ci arrive au « point mort haut », de l'eau froide est injectée dans le cylindre.
Denis Papin, le précurseur
Denis Papin (1647 - 1712) est un physicien et inventeur français. Chrétien de confession calviniste, il s'installe à Londres en 1675, pour fuir le climat d'intolérance religieuse qui règne alors en France. En 1690, il met au point le premier cylindre-piston à vapeur.
1774 : il crée une entreprise à Soho, près de Birmingham, pour produire sa machine à vapeur améliorée.
La vapeur d'eau est un gaz incolore et inodore. On ne peut pas le voir ni le sentir. A une température supérieure à 100°C à pression ambiante, l'eau est à l'état gazeux. On peut cependant la trouver à l'état gazeux, en très faible quantité, dans des conditions de température et de pression ambiante dans l'atmosphère.