Pour être témoin de l'incroyable puissance de la vapeur, il n'y a pas besoin de chercher plus loin que l'éruption de geysers ou l'explosion de gaz qui se produit lorsque la lave atteint l'océan. Les premiers hommes ont été témoins de tels spectacles et ont longtemps cherché à contrôler la puissance brute de la vapeur grâce à des technologies allant de la bouilloire à thé de base à la locomotive à vapeur. à la centrale nucléaire moderne.
Quel que soit le niveau de technologie utilisé, la puissance de la vapeur se résume à un principe de base :lorsque l’eau chauffe au point de se vaporiser, l’eau vaporisée prend plus de place que l’eau liquide. En effet, les solides, les liquides et les gaz sont maintenus ensemble par différents niveaux de forces moléculaires. Dans les solides, les molécules sont compactes. Dans les liquides, ils sont plus éloignés. Et dans des gaz comme la vapeur, ils sont encore plus éloignés.
Si vous chauffez une boîte de soupe dans un feu, le contenu liquide se vaporisera et finira par se dilater au point où la boîte explosera pour relâcher la pression à l'intérieur. Lorsque cette pression est utilisée pour effectuer une tâche particulière, comme faire tourner une turbine ou faire siffler une bouilloire, la technologie de la vapeur exploite la puissance de la vapeur. Les méthodes de chauffage, de confinement, de canalisation et d'utilisation de la vapeur ont changé, mais le principe de base reste le même.
Apprendre à exploiter la puissance de la vapeur a été un long processus. Le mathématicien grec Hero a théorisé l'utilisation de la technologie de la vapeur dans la seconde moitié du premier siècle. Cependant, il faudra bien plus de 1 600 ans avant que la première machine à vapeur pratique ne soit apparue, ouvrant la voie à l’invention de la locomotive à vapeur. Propulsées par des moteurs à vapeur, ces locomotives exploitaient l'énergie de la vapeur pour propulser les trains sur de vastes distances.
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Les premiers documents connus sur la technologie de la vapeur remontent à Alexandrie en 75 après JC. Le mathématicien Hero, également connu sous le nom de « Héros » ou « Héron », a écrit trois livres sur la mécanique et les propriétés de l'air et a présenté les plans d'une simple machine à vapeur.
La conception de Hero prévoyait une sphère creuse avec des tubes courbés émergeant de chaque côté. Ce mécanisme était ensuite rempli d'eau et monté au-dessus d'un feu. Alors que la chaleur provoquait la vaporisation de l’eau à l’intérieur de la sphère, la vapeur était forcée de s’évacuer à travers les deux tubes. Cette propulsion à vapeur faisait tourner la sphère, comme une roue entraînée par des fusées-bouteilles.
La méthode de Hero pour transformer la puissance de la vapeur en mouvement a constitué la base de la technologie de la vapeur ultérieure. Cependant, un grand nombre de progrès scientifiques ont été nécessaires avant que les concepts à la base de sa turbine à vapeur puissent être mis en pratique. Bien que des personnes comme Léonard de Vinci aient joué avec l’idée de la vapeur (l’inventeur a suggéré en 1495 que la vapeur pouvait tirer un projectile), les progrès de l’ingénierie et des mesures plus précises de la température et du temps ont contribué à ouvrir la voie à l’ère de la vapeur à venir.
En 1606, Giovanni Battista della Porta, de Naples, a enregistré ses théories sur le rôle de la vapeur dans la création du vide. Il a émis l'hypothèse que si l'eau transformée en vapeur à l'intérieur d'un récipient fermé entraînait une augmentation de la pression, la vapeur condensée en eau à l'intérieur d'une chambre fermée entraînerait une diminution de la pression. Cette nouvelle compréhension de la vapeur a joué un rôle essentiel dans les développements futurs.
En 1679, le scientifique et professeur de mathématiques français Denis Papin réussit à concrétiser la théorie de della Porta grâce à un projet étonnamment domestique :le « Digesteur ou moteur pour ramollir les os ». La marmite scellée était essentiellement le premier autocuiseur. Papin a développé ce dispositif en ajoutant un piston coulissant au sommet d'un cylindre fermé rempli d'eau. Lorsqu'elle est chauffée, la vapeur en expansion pousse le piston vers le haut. Au fur et à mesure que la vapeur refroidissait et redevenait liquide, le vide qui en résultait tirait le piston vers le bas.
À la fin du XVIIe siècle, l’Angleterre était confrontée à une crise du bois, la construction navale et le bois de chauffage consommant les forêts. Les navires étaient nécessaires au commerce et à la défense, mais le charbon constituait un substitut approprié au bois de chauffage. Cependant, produire davantage de charbon impliquait de creuser des mines de charbon plus profondes, ce qui augmente la probabilité que de l’eau s’infiltre dans les mines. Il y avait soudain un besoin urgent de nouvelles méthodes pour pomper l'eau des mines.
En 1698, Thomas Savery, un ingénieur militaire, obtint un brevet pour une pompe à vapeur et commença à présenter son « ami du mineur » à quiconque voulait l'écouter. L'appareil consistait en une chambre d'ébullition qui acheminait la vapeur vers un deuxième récipient où un tuyau doté d'un clapet anti-retour descendait dans l'eau qui devait être évacuée. De l'eau froide a été versée sur le récipient de vapeur et, à mesure que la vapeur d'eau à l'intérieur refroidissait à l'état liquide, le vide résultant aspirait de l'eau par le bas. L'eau aspirée n'a pas pu refluer par le clapet anti-retour et a ensuite été évacuée par un autre tuyau.
Malheureusement pour Savery, la pompe à vapeur n’a pas eu autant de succès qu’il l’espérait dans l’industrie minière. La plupart de ses ventes ont été réalisées auprès de domaines privés qui souhaitaient drainer l'excès d'eau et le réutiliser pour les besoins de la maison et du jardin. Comme le chauffage et le refroidissement de la chambre à vapeur devaient être gérés manuellement, le moteur était quelque peu peu pratique. Le moteur ne pouvait également aspirer l'eau que d'une profondeur limitée :une mine profonde nécessitait une série de moteurs installés à différents niveaux.
Cependant, en 1712, le forgeron Thomas Newcomen et son assistant John Calley, souffleur de verre et plombier, créèrent un système de pompe à vapeur plus efficace. Le moteur Newcomen combinait la séparation de la chaudière et du cylindre à vapeur de Savery avec le piston à vapeur de Papin.
Alors que Savery cherchait à remplacer les pompes conventionnelles entraînées par des chevaux par son moteur, Newcomen cherchait à utiliser une pompe à vapeur pour effectuer le travail des chevaux. Le moteur de Newcomen était similaire à celui de Savery. Il comprenait une chambre remplie de vapeur qui était refroidie par une injection rapide d'eau froide pour créer un changement de pression atmosphérique induisant un vide.
Cette fois, cependant, la force du vide a tiré un piston vers le bas et a tiré une chaîne qui a activé une pompe à l’autre extrémité d’une poutre suspendue. Lorsque l'eau dans le cylindre du piston s'est à nouveau transformée en vapeur, elle a poussé le piston vers le haut et un poids de l'autre côté de la poutre a réinitialisé la pompe.
Même si la machine Newcomen et « l'ami du mineur » de Savery utilisaient certainement la technologie à vapeur, la machine à vapeur est généralement attribuée au travail d'un seul homme :James Watt.
Formé comme facteur d'instruments à Londres, Watt a finalement trouvé un emploi près de l'Université de Glasgow en Écosse. Lorsque l'un des moteurs Newcomen de l'université a eu besoin d'être réparé, Watt s'est retrouvé plongé dans le fonctionnement interne de la technologie à vapeur. Watt a rapidement reconnu un défaut de conception fondamental :du temps, de la vapeur et du carburant étaient gaspillés en faisant chauffer et refroidir à l'intérieur du cylindre du piston.
Watt a résolu le problème en créant un condenseur séparé. Il a ajouté une chambre séparée du cylindre (qu'il a également isolée), où la vapeur serait refroidie pour créer le vide nécessaire. Cette séparation a permis au cylindre du piston de rester à la même température que la vapeur entrante sans gaspiller d'énergie pour le chauffer ainsi que l'eau à l'intérieur. De plus, le condenseur séparé pourrait être maintenu à une température beaucoup plus basse et nécessiterait moins de refroidissement.
Après s'être associé à Matthew Boulton, Watt a produit un moteur plus rapide et plus économe en carburant en utilisant le condenseur séparé. La tentative des deux hommes de trouver de nouvelles utilisations pour leur moteur à succès a conduit à deux autres inventions cruciales :le moteur à double effet et le régulateur fly-ball.
Le régulateur à bille volante a créé une méthode automatisée d'ouverture et de fermeture des vannes de vapeur d'un piston. Les engrenages solaires et planétaires étaient fixés sur un arbre d'entraînement des roues. Alors que la puissance de la vapeur faisait tourner la tige, les deux billes tournaient vers l'extérieur de l'arbre. Lorsqu'ils atteignirent leur point culminant, ils provoquèrent la fermeture de la vanne de vapeur. Au fur et à mesure que leur rotation ralentissait, ils revenaient vers la tige et provoquaient la réouverture de la valve. Cela a transformé le mouvement de la machine à vapeur, passant d'un mouvement de va-et-vient - mouvement alternatif - au mouvement circulaire nécessaire pour faire fonctionner une roue.
Le moteur à double effet a contribué à rendre la machine à vapeur plus efficace en exploitant la puissance de la vapeur autrefois inutilisée pour abaisser les pistons.
La machine à vapeur de James Watt et d'autres innovations ont ouvert la voie à la révolution industrielle, à commencer par l'industrie textile à la fin du XVIIIe siècle. Les gens ont longtemps transformé la laine à la main et plus tard, à l'aide de moulins à eau. Mais un certain nombre de nouvelles inventions ont rapidement vu naître des usines alimentées à la vapeur.
Le moteur Boulton et Watt a connu un succès incroyable, mais d'autres inventeurs étaient toujours déterminés à améliorer la technologie. Cependant, Boulton et Watt détenaient un monopole sur le secteur des machines à vapeur car leur moteur était protégé par des brevets stricts.
Les redevances sur les brevets coûtent très cher aux sociétés minières. L'inventeur Richard Trevithick a remarqué le sort des mines de sa Cornouailles natale et a entrepris de créer un moteur qui évitait les technologies brevetées de Boulton et Watt. Trevithick pensait pouvoir créer un moteur supprimant le condenseur séparé de Watt en utilisant de la vapeur à haute pression.
Bien que l’utilisation de la vapeur à haute pression ait été théorisée, elle n’a pas été mise en œuvre avec succès. Les chaudières du XVIIIe siècle étaient incapables de résister à une pression élevée pendant de longues périodes. Mais au début du XIXe siècle – ironiquement, alors que les brevets de Watt expiraient – Trevithick découvrit que les chaudières modernes pouvaient désormais résister à des pressions plus élevées. Au même moment, l'inventeur américain Oliver Evans a connu des réalisations similaires.
Le nouveau moteur Cornish de Trevithick était moins cher, plus léger et plus petit que le moteur Boulton et Watt. Arthur Woolf a encore amélioré l'utilisation de la vapeur à haute pression en 1804. L'ingénieur brasseur londonien a réalisé l'idée de la composition, une méthode dans laquelle l'excès de vapeur d'un piston déclenche un deuxième piston, puis un troisième. Cette méthode entraîne moins de pertes de chaleur.
Les inventeurs travaillaient sur des modèles de voitures à vapeur alors même que les premières pompes à vapeur étaient peaufinées à la fin des années 1600. Alors que certains pensent que Ferdinand Verbiest a créé une voiture à vapeur en état de marche en 1672, d'autres preuves suggèrent que l'inventeur français Nicolas-Joseph Cugnot a fabriqué le premier véhicule à vapeur en 1769. Mais alors que la recherche et le développement de voitures à vapeur se poursuivaient pendant un certain temps, l'idée a connu le plus de succès sous la forme de la locomotive à vapeur sur rail.
L'homme derrière le Cornish Engine, Richard Trevithick, a également joué un rôle clé dans le développement de la locomotive à vapeur. Il est important de noter que des voies ferrées existaient déjà dans les années 1770 dans diverses zones industrielles d'Angleterre. Des rails en bois renforcés de fer, appelés tramways, avaient été construits pour permettre aux chevaux de tirer des charrettes de charbon. En 1804, Trevithick a dévoilé un moteur à vapeur capable de transporter 10 tonnes de fer sur 10 miles. En 1808, la machine à vapeur portable de Trevithick était exposée sur une voie circulaire au centre de Londres.
Un autre ingénieur britannique, George Stephenson, a repris deux décennies plus tard là où Trevithick s'était arrêté. Les travaux de Stephenson visant à développer des moteurs à vapeur de plus en plus efficaces pour le transport du charbon ont conduit à la décision de créer une liaison ferroviaire entre les champs houillers de Durham et un port d'expédition à Stockton. Stephenson a suggéré que le plan permettrait également aux moteurs de transporter des passagers. En 1825, Stephenson conduisit la Locomotion n°1 lors de son premier voyage, transportant des marchandises et environ 600 passagers.
Robert Stephenson a également joué un rôle central à cette époque. Il a contribué à la construction de la locomotive Rocket, qui a remporté les essais Rainhill en 1829, prouvant ainsi la faisabilité des locomotives à vapeur pour les transports publics.
Le Tom Thumb est une autre locomotive remarquable. Aux États-Unis, ce train, construit par Peter Cooper en 1830, devient la première locomotive à vapeur à succès. Le Tom Thumb, ainsi nommé en raison de sa taille compacte, comportait une petite chaudière verticale et un moteur monocylindre et a fait ses débuts sur le chemin de fer de Baltimore et de l'Ohio.
Peu de temps après, la Baldwin Locomotive Works, fondée par Matthias Baldwin à Philadelphie, est devenue une force dominante dans la fabrication de locomotives américaines. Baldwin Locomotive est devenue synonyme du développement ferroviaire des États-Unis et a joué un rôle crucial dans l'expansion des réseaux ferroviaires à travers le pays.
Les locomotives à vapeur créent de la vapeur dans la chaudière grâce à la combustion de combustible, généralement du charbon ou du bois. Les premières locomotives utilisaient une chaudière à tubes de fumée, qui comportait un réseau de tubes transportant des gaz chauds pour chauffer l'eau. L'engrenage de soupape contrôle l'admission et la libération de la vapeur dans les cylindres.
Lorsque cette vapeur à haute pression est dirigée dans les cylindres, elle pousse contre les pistons pour créer un mouvement mécanique. À mesure que la vapeur se dilate et fait son travail, elle perd de la pression et de l'énergie. La pression de la chaudière affecte directement les performances et l'efficacité de la locomotive à vapeur.
Une fois que la vapeur a effectué son travail dans les cylindres, elle est évacuée ou libérée des cylindres dans la cheminée ou la cheminée de la locomotive sous forme de vapeur d'échappement. La vapeur d'échappement emporte l'énergie et la chaleur perdue de la machine à vapeur, les libérant dans l'atmosphère.
L'expulsion de la vapeur d'échappement aide à maintenir l'équilibre de pression dans les cylindres de la locomotive et permet le cycle continu de génération, d'expansion et d'échappement de vapeur.
Les locomotives à vapeur ont joué un rôle crucial pendant la Seconde Guerre mondiale. Ils étaient utilisés pour transporter des troupes et du matériel militaire vers divers endroits, ainsi que vers les principales lignes d'approvisionnement en acheminant de la nourriture, des munitions, du carburant et des matières premières aux soldats. Elles constituèrent une bouée de sauvetage pendant la guerre, mais elles retardèrent également la conversion des locomotives à vapeur en locomotives diesel.
Alors que le développement des voitures à vapeur resta une simple curiosité scientifique pendant les 100 années suivantes, la locomotive à vapeur prit son essor. Le moteur fonctionnait sur un système de roues entraînées par un piston entraîné par la vapeur. Les ingénieurs ont travaillé continuellement pour améliorer le système en augmentant la pression de la vapeur, en appliquant un mélange et en ajoutant des roues supplémentaires.
Le chemin de fer s’est avéré un élément essentiel de la révolution industrielle, modifiant la manière dont les marchandises étaient transportées à travers les terres et reliant les populations éloignées. La vapeur alimentait les chemins de fer jusqu'à ce que les moteurs diesel et l'énergie électrique arrivent au premier plan au 20e siècle.
Compte tenu des pressions et des températures élevées des machines à vapeur, il n’est pas surprenant que des accidents explosifs aient émaillé le développement de cette technologie. Pour cette raison, les chaudières — allant des simples autocuiseurs aux centrales électriques — sont équipées d'une sorte de soupape de sécurité.
Lorsque la pression à l’intérieur de la chaudière devient trop élevée, l’excès de vapeur est libéré par la vanne pour éviter une explosion. Ces dispositifs sont généralement actionnés par un poids ou un ressort et nécessitent un niveau de pression défini pour ouvrir la vanne. Cependant, des accidents surviennent encore.
Les explosions dues à la désactivation intentionnelle ou accidentelle des soupapes de sécurité étaient assez fréquentes au XIXe siècle. La mauvaise presse résultant de tels incidents s'est avérée un obstacle pour les pionniers de la vapeur et les inventeurs de l'époque.
L’un des accidents liés à la vapeur les plus notables du XXe siècle s’est produit à la centrale nucléaire de Three Mile Island. L'accident a commencé lorsque les pompes alimentant en eau froide les générateurs de vapeur se sont arrêtées de fonctionner, ce qui a entraîné une augmentation de la pression de la vapeur. Cela a déclenché la soupape de décharge de la centrale, mais lorsque la soupape ne s'est pas fermée, le cœur du réacteur lui-même a surchauffé.
Cet article a été créé en collaboration avec la technologie de l'IA, puis vérifié et édité par un éditeur HowStuffWorks.
