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Sciences · Inventions et découvertes

La machine à vapeur

La machine à vapeur transforme la chaleur d’un combustible en travail mécanique. Née avec Newcomen en 1712, perfectionnée par James Watt dès 1769, elle lance la révolution industrielle.

Mis à jour le 3 min de lecture

Pendant des millénaires, l’énergie mécanique venait des muscles, du vent et des cours d’eau. La machine à vapeur fournit pour la première fois une force puissante, disponible partout où l’on peut apporter du charbon. Elle actionne les pompes des mines, les métiers à tisser, les locomotives et les navires, et devient le moteur de la révolution industrielle.

Comment fonctionne une machine à vapeur ?

  1. Dans la chaudière, la combustion du charbon ou du bois vaporise de l’eau.
  2. La vapeur sous pression entre dans un cylindre et pousse un piston.
  3. Un système de soupapes (tiroir) envoie la vapeur alternativement de part et d’autre du piston.
  4. Le mouvement de va-et-vient est transformé en rotation par une bielle et une manivelle, régularisé par un volant d’inertie.
  5. La vapeur détendue est rejetée dans l’air ou condensée pour être réutilisée.

C’est un moteur à combustion externe : le combustible brûle hors du cylindre, contrairement au moteur à explosion. Son étude par Sadi Carnot, en 1824, fonde la thermodynamique : le rendement d’un moteur thermique est limité par l’écart de température entre la source chaude et la source froide.

Les grandes étapes

DateInventeurApport
Ier s.Héron d’Alexandrieéolipyle, sphère tournant sous l’effet de jets de vapeur, simple curiosité
1679-1690Denis Papin (France)autocuiseur à soupape de sûreté, puis principe du piston mû par la vapeur
1698Thomas Savery (Angleterre)pompe à vapeur sans piston pour l’exhaure des mines
1712Thomas Newcomen (Angleterre)machine atmosphérique à piston, pompe les mines de charbon
1769James Watt (Écosse)brevet du condenseur séparé : consommation de charbon divisée par trois à quatre
1769-1770Joseph Cugnot (France)fardier, premier véhicule automobile à vapeur
années 1780Watt et Matthew Boultonmachine à double effet et mouvement rotatif pour les usines
1804Richard Trevithickpremière locomotive sur rails
1807Robert FultonClermont, bateau à vapeur commercial sur l’Hudson
1829-1830George et Robert Stephensonlocomotive Rocket, ligne Liverpool-Manchester
1884Charles Parsonsturbine à vapeur

Le génie de Watt

Dans la machine de Newcomen, on refroidit le cylindre à chaque coup pour condenser la vapeur, puis on le réchauffe : un énorme gaspillage. James Watt, réparant une maquette à l’université de Glasgow, a l’idée de condenser la vapeur dans une chambre séparée, maintenue froide, tandis que le cylindre reste chaud. Associé à l’industriel Boulton à partir de 1775, il vend des machines dont la puissance s’exprime en « chevaux-vapeur », unité qu’il popularise. Le watt, unité de puissance du Système international, porte son nom.

Les conséquences

  • Mines : pomper l’eau permet de creuser plus profond et d’extraire bien plus de charbon.
  • Industrie : les usines ne dépendent plus d’une rivière ; elles se concentrent dans les villes, près des bassins houillers.
  • Transports : chemins de fer et navires à vapeur raccourcissent les distances ; un réseau ferré couvre l’Europe et l’Amérique du Nord dès la seconde moitié du XIXe siècle.
  • Environnement : la combustion massive du charbon inaugure la hausse du CO₂ atmosphérique (voir réchauffement climatique).

La vapeur aujourd’hui

La machine à piston a disparu, mais la vapeur reste centrale : la plupart des centrales électriques, qu’elles brûlent du charbon, du gaz, de la biomasse ou qu’elles soient nucléaires, produisent de la vapeur qui fait tourner une turbine reliée à un alternateur. Une large part de l’électricité mondiale est ainsi encore produite par la vapeur.

MachineRendement typique
machine de Newcomenmoins de 1 %
machine de Wattquelques %
locomotive à vapeur du XXe siècle6 à 10 %
centrale thermique moderne (turbine à vapeur)33 à 45 %

Questions fréquentes

Qui a inventé la machine à vapeur ?

Il n’y a pas d’inventeur unique. Denis Papin en conçoit le principe vers 1690, Thomas Newcomen construit la première machine utile en 1712, et James Watt la rend efficace à partir de 1769. Watt est souvent présenté à tort comme son inventeur.

Quelle est la différence entre machine à vapeur et moteur à explosion ?

Dans la machine à vapeur, la combustion a lieu à l’extérieur, dans une chaudière ; dans le moteur à explosion, elle a lieu à l’intérieur du cylindre, ce qui rend le moteur plus compact et plus rapide à démarrer.

Les trains à vapeur circulent-ils encore ?

Ils ne sont plus utilisés pour le service commercial régulier en France depuis les années 1970, mais de nombreux trains touristiques à vapeur circulent encore.

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