miniatura|Animació de la màquina de Newcomen miniatura|Màquina de Murray funcionant. Una màquina de vapor és una màquina tèrmica de funcionament alternatiu que utilitza el vapor d'aigua com a fluid de treball i que transforma una part de l'energia interna del vapor en energia mecànica; és a dir, un motor de combustió externa que transforma l'energia d'una certa quantitat de vapor d'aigua en treball mecànic. Les màquines de vapor solen ser motors de combustió externa.
El desenvolupament de la màquina de vapor fou impulsat per la seva aplicació en els camps fonamentals de la industrialització: els transports (ferrocarrils, vaixells) i l'energia de tracció de les indústries. Les primeres màquines de vapor descrites —Giovanni Battista della Porta (1601), Edward Sommerset (1663)— no aconseguiren aplicacions pràctiques. El 1705, Thomas Newcomen, seguint el projecte de Denis Papin, construí una màquina de vapor. Cap a mitjans del , James Watt, intentant de resoldre el problema de la pèrdua d'energia presentà un model ja amb força millores. Durant el l'evolució de la màquina aconseguiria un augment de la potència i un estalvi de combustible.
Etapes de treball d'una màquina de vapor miniatura|Animació d'una màquina de vapor Etapa I. En una caldera es genera vapor mitjançant la crema d'algun combustible (antigament fusta o carbó, actualment petroli i gas natural). El vapor és introduït al cilindre arrossegant l'èmbol o pistó. Etapa II. Mitjançant un sistema de biela-manovella, el moviment longitudinal del pistó es pot convertir en un moviment de rotació, per exemple, del rotor d'un generador elèctric. Etapa III. Un cop finalitzades les dues etapes, el pistó retorna a la seva posició inicial, expulsant el vapor d'aigua. El cicle es controla mitjançant una sèrie de vàlvules d'entrada i de sortida, que regulen la renovació de la càrrega, és a dir, els fluxos del vapor cap al cilindre i des del cilindre.
Aplicacions miniatura|Motor de vapor i generador, construït el 1910 per Crimmitschauer Maschinenfabrik, que donà potència fins al 1986 a una fàbrica de mobles. Des de començaments del , les màquines de vapor s'han fet servir per a donar potència a una multitud d'usos. Al principi es feien servir com a bombes de pistó i des que començaren a aparèixer els motors alternatius als anys 1780, també serviren per a donar potència a les fàbriques. Al principi del , el transport de vapor per terra i per mar, començà a aplicar-se amb cada vegada més presència als mitjans de transport.
Es diu que els motors de vapor varen ser la força motriu de la Revolució industrial, essent útils per moure maquinària en fàbriques, molins, estacions de bombament i aplicacions de transport, com per exemple locomotores, vaixells i vehicles terrestres. El seu ús en agricultura va resultar en un augment de la terra disponible per a ser cultivada.
També solen fer-se servir màquines de molt baixa potència per donar potència a prototips o models, fins i tot existeixen algunes aplicacions anecdòtiques com el rellotge de vapor.
La presència de diferents fases entre la font de calor i la transmissió de potència mecànica ha fet que, en general, fos molt difícil obtenir una relació potència-pes similar a la que s'obté amb l'ús de motors de combustió interna, per exemple, són rars els casos d'aplicacions en l'àmbit de l'aeronàutica d'aquest tipus de màquines. Consideracions similars han fet que per donar potència a les aplicacions de mitjana i baixa potència, les màquines de vapor han sigut substituïdes progressivament per motors de combustió interna i elèctrics, l'obsolescència de les màquines de vapor en aquests camps ha fet disminuir progressivament la imatge tecnològica de la tecnologia del vapor. Això no obstant, és important recordar que gran part de la potència subministrada a la xarxa elèctrica és subministrada fent servir plantes motrius amb turbines de vapor, de manera que aquesta tecnologia encara avui repercuteix indirectament en la indústria mundial dependent de l'energia elèctrica subministrada. Les noves preocupacions encaminades a l'augment d'eficiència i reducció de la pol·lució i de la dependència de combustibles han incitat un interès renovat en el vapor, tant és així que es plantegen solucions de cogeneració i plantes de potència primàries basades en aquesta tecnologia. Això es coneix com el moviment del Vapor Modern.
Els motors de vapor poden ser classificats segons l'aplicació en què es fan servir:
Aplicacions estacionàries Els motors de vapor estacionaris es poden classificar en dos tipus principals: Motors amb aturades i canvis de sentit freqüents: corrons de laminat, mules de vapor, motors marins i aplicacions similars. Motors que donen potència, que rarament paren i no necessiten reversa. Això inclou els motors que es fan servir a les centrals tèrmiques i en aquells que es feien servir en estacions de bombament, molins, fàbriques i per donar potència als trens i tramvies abans de l'ús estès de l'electricitat.
Les mules de vapor són motors tècnicament estacionaris, tot i que són muntats en patins i poden transportar-se. Són dissenyades per a la indústria de la fusta i poden transportar-se elles mateixes a cada lloc. Una vegada assegurades mitjançant cable a un arbre a la localització desitjada, la màquina es mou cap al punt d'ancoratge a la qual es troba enganxada. També s'usaren mules de vapor per a moure argues en velers comercials i iots de vela.
Un motor portàtil és un motor estacionari muntat sobre rodes, que pot ser transportat mitjançant cavalls a cada lloc o també per un motor de tracció, en comptes d'estar fix en un determinat emplaçament.
Aplicacions de logística i transport miniatura|Excavadora de vapor BUCYRUS, adquirida per FOCSA (Fomento de obras y construcciones S.A.) al 1922, va treballar quasi tota la seva vida a Barcelona. Els motors de vapor es fan servir per donar potència a una gran diversitat d'aplicacions autotransportades: Marines: Vaixell de vapor, embarcacions de vapor, iots de vapor Rail: Locomotora de vapor Agricultura: Motor de tracció, tractor de vapor Transport per carretera: Furgons de vapor, autobusos de vapor, tricicles de vapor, automòbil de vapor Construcció: Piconadora de vapor, excavadora de vapor Militar: Tanc de vapor, Catapulta de vapor Espai: Coet de vapor
En algunes d'aquestes aplicacions, avui dia es fan servir motors de combustió interna a causa de la seva alta relació potència-pes, al menor manteniment requerit i als requeriments d'espai.
Història
No es pot concretar una data exacta per a la creació de la màquina de vapor, igual que tampoc no es pot associar amb un sol creador, ja que l'evolució històrica de la màquina de vapor és molt llarga, i no s'ha creat un prototip de cop, si no que s'ha anat creant lentament i la seva creació ha passat per mans de molts inventors, que a poc a poc l'han anat millorant, i l'han anat adaptant a les circumstàncies socials, econòmiques i polítiques de cada període històric. Es pot posar la Revolució industrial, segles i com un clar exemple de període històric on l'evolució de la màquina de vapor va ser més accelerat. Aquest invent es va començar a utilitzar en la indústria, i el transport, substituint al seu pas els tradicionals motors de l'època: l'animal d'arrossegament, el molí o la mateixa força de l'home.
Rastres històrics miniatura|L'eolípila d'Heró d'Alexandria Entre les relíquies de la civilització grega, trobem el primer rastre conegut de la màquina de vapor en el manuscrit d'Heró d'Alexandria titulat Spiritalia seu Neumàtica. Aquest invent però, no va triomfar en la seva època (segle I d.c.); això es dona pel fet que no hi havia cap interès social o econòmic que el justifiqués i aquesta necessitat o interès és imprescindible perquè un invent important arribi a produir-se. Als segles següents, els pocs exemples coneguts sobre aquest tipus de màquines són essencialment dispositius experimentals utilitzats pels inventors per demostrar les propietats de la vapor, com la turbina de vapor rudimentària, un dispositiu descrit per Taqi al-Din
El 1601, Giovanni Battista della Porta descriu un aparell per elevar l'aigua per mitjà del foc similar al descrit per Heró però emprant vapor per impulsar el líquid. El 1615 Salomó de Caus descriu un aparell molt semblant per fer funcionar una font. Però la primera patent de la qual es té constància documental és la de Jerónimo de Ayanz i Beaumont, que el 1606 registra una màquina de vapor utilitzada amb èxit per al desguàs de les mines de plata de Guadalcanal.
El 1690 Denis Papin proposà l'obtenció de treball a partir del buit produït per la condensació del vapor a l'interior d'un cilindre proveït d'un èmbol; però fou Thomas Savery qui construí, el 1698, la primera màquina de vapor, aplicada al bombament d'aigua de les mines. La màquina de Savery constava d'una caldera i de dos grans dipòsits ovalats, a cadascun dels quals hom introduïa, alternativament, vapor d'aigua i de refredament; el buit produït per la condensació del vapor aspirava l'aigua de la mina; la posterior introducció de vapor expulsava l'aigua del dipòsit i permetia de repetir un altre cop el cicle. L'ús d'aquesta màquina, molt estès en el proveïment d'aigua per als pobles i en la tracció de rodes hidràuliques, restà limitat a les mines per l'altura del bombament, que depenia de la pressió del vapor.
La primera màquina fou inventada per Eduard Somerset el 1663, i per la seva descripció, fora molt similar a la font de Caus. Malgrat això, Somerset no disposava del capital suficient per produir i vendre la seva màquina, i morí en la pobresa. La màquina de Somerset va ser patentada per Thomas Savery el 1698.
A principis del tots els elements necessaris de la màquina de vapor ja havien sigut inventats i portats a la pràctica amb força èxit. Ara només faltava l'enginyer que combinés els coneixements pràctics i teòrics disponibles per crear una màquina que fos capaç d'aprofitar el poder del vapor de forma econòmica i aquest fora Thomas Newcomen, qui, amb al seu ajudant John Calley inventà una nova màquina el 1705 que va denominar màquina de vapor atmosfèrica.
Thomas Newcomen, seguint el projecte de D. Papin, construí una màquina de vapor en la qual l'arbre solidari amb l'èmbol accionava una bomba d'aigua per mitjà d'un balancí amb un contrapès; en entrar el vapor dins el cilindre, l'èmbol pujava, per efecte del contrapès, i el buit produït posteriorment per la condensació del vapor feia baixar l'èmbol i aixecava altre cop el contrapès; la nova entrada de vapor expulsava l'aigua de condensació i feia pujar novament l'èmbol. Aquesta màquina, que començà a introduir-se a les mines cap al 1711, hi tingué una gran aplicació durant tot el s. XVIII, per tal com l'altura del bombament no era limitada per la pressió del vapor.
James Watt es proposà millorar la màquina de Newcomen, descobrint al llarg dels seus experiments, que el vapor era una reserva de calor molt més elevada que l'aigua i va comprendre que era necessari limitar totes les despeses en forma de calor que es produïen en la màquina de Newcomen, per disminuir el consum de combustible, que era un dels principals problemes d'aquestes màquines. Dels seus experiments en va treure una sèrie de conclusions, que el van portar a realitzar una patent el 1769.
Al principi els drets de patent eren de James Watt, i de John Roebuck, la persona que finançava els seus experiments. Però després de moltes dificultats econòmiques, Roebuck decidí transmetre els seus drets de patent a Matthew Boulton, que més tard construiria la firma "Boulton & Watt", que portà a la pràctica aquesta i altres invencions de Watt. La primera màquina amb condensador es construí el 1774 a Kinneil, prop de Boroughstoness.
Components dels motors de vapor