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.
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.
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.
Dans ce générateur de vapeur, l'eau chaude du circuit primaire chauffe l'eau du circuit secondaire qui se transforme en vapeur. La pression de cette vapeur fait tourner une turbine qui entraîne à son tour un alternateur. Grâce à l'énergie fournie par la turbine, l'alternateur produit un courant électrique alternatif.
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.
Grâce à une technique de vente très efficace, ils deviennent rapidement leaders dans leur domaine et font de la machine à vapeur le fer de lance de l'industrialisation qui débute en Europe. Les applications de la machine à vapeur sont nombreuses. Elle devient le moteur des usines.
L'invention de la machine à vapeur et l'utilisation du charbon entraînent une première révolution des transports. Inventé en 1817 par l'anglais Stephenson, le chemin de fer permet d'acheminer des voyageurs et des marchandises en un temps record et crée des emplois dans la sidérurgie ou le BTP.
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.
L'hydroélectricité ou énergie hydroélectrique exploite l'énergie potentielle des flux d'eau (fleuves, rivières, chutes d'eau, courants marins, etc.). L'énergie cinétique du courant d'eau est transformée en énergie mécanique par une turbine, puis en énergie électrique par un alternateur.
Le rôle de la turbine est de transformer l'énergie de l'eau, de la vapeur ou du vent en énergie mécanique, de manière à faire tourner un alternateur. L'alternateur, à son tour, transforme l'énergie mécanique en énergie électrique.
L'impact de Watt dans la révolution industrielle
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.
L'invention de la machine à vapeur est d'une importance capitale dans la révolution industrielle qui bouleverse le monde au cours du xixe siècle : cette nouvelle source d'énergie transforme les manufactures et les réseaux de communication, notamment le chemin de fer.
En améliorant la conception de la pompe à vapeur de Newcomen de 1712, la machine développée de façon progressive par James Watt entre 1763 et 1788, a été une étape importante dans la généralisation des machines à vapeur dans l'industrie. L'invention de James Watt a été un point clé de la révolution industrielle.
La turbine à réaction
La vapeur est dirigée sur le rotor par les aubes fixes du stator. Elle quitte le stator sous la forme d'un jet qui remplit toute la circonférence du rotor. La vapeur change ensuite de direction et sa vitesse augmente en fonction de la vitesse des aubes.
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.
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.
L'énergie se manifeste sous des formes très diverses : thermique, électrique, potentielle … La matière (énergie de masse) ou son assemblage (énergie chimique) sont une sorte d'énergie « stockée », qui peut être libérée sous forme d'énergie cinétique, thermique, lumineuse/rayonnante …
L'énergie chimique de l'essence et de l'air est transformée en chaleur par combustion. Celle-ci est transmise, par la production de gaz chauds, aux cylindres, puis aux pistons. À ce stade, elle se transforme en énergie mécanique et déclenche le mouvement de la voiture, qui acquiert une certaine énergie cinétique.
Dans une turbine à action, l'énergie potentielle totale est transformée en énergie cinétique dans le distributeur fixe. On n'observe aucune chute de pression entre l'entrée et la sortie de la roue. Plus concrètement, l'échange d'énergie se fait sous pression atmosphérique.
Ce qu'on appelle « courant électrique » est produit par un déplacement de charges négatives, les électrons, à l'intérieur d'un matériau conducteur. Petit rappel de physique : l'atome est composé d'un noyau autour duquel circulent des électrons. Le noyau est composé de neutrons et de protons.
Au-delà de sa température d'ébullition de 100°C, l'eau liquide se transforme donc en vapeur. Lorsque l'on chauffe de l'eau, l'énergie thermique apportée met en agitation l'eau liquide : c'est l'ébullition. Une fois l'apport d'énergie suffisant, une partie de l'eau se vaporise pour former de la vapeur d'eau.
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.
Moyens de transport fonctionnant à la vapeur
Le fardier de Cugnot, la voiture de Bollée, les locomotives et les bateaux à vapeur sont des objets appartenant à la famille des moyens de transport fonctionnant grâce à la vapeur.
La locomotive à vapeur est inventée en 1804 par Richard Trevithick au Royaume-Uni. La traction à la vapeur reste le type de traction le plus couramment utilisé, de la naissance du chemin de fer jusque dans les années 1950.