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.
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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 ?
- Dans la chaudière, la combustion du charbon ou du bois vaporise de l’eau.
- La vapeur sous pression entre dans un cylindre et pousse un piston.
- Un système de soupapes (tiroir) envoie la vapeur alternativement de part et d’autre du piston.
- Le mouvement de va-et-vient est transformé en rotation par une bielle et une manivelle, régularisé par un volant d’inertie.
- 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
| Date | Inventeur | Apport |
|---|---|---|
| Ier s. | Héron d’Alexandrie | éolipyle, sphère tournant sous l’effet de jets de vapeur, simple curiosité |
| 1679-1690 | Denis Papin (France) | autocuiseur à soupape de sûreté, puis principe du piston mû par la vapeur |
| 1698 | Thomas Savery (Angleterre) | pompe à vapeur sans piston pour l’exhaure des mines |
| 1712 | Thomas Newcomen (Angleterre) | machine atmosphérique à piston, pompe les mines de charbon |
| 1769 | James Watt (Écosse) | brevet du condenseur séparé : consommation de charbon divisée par trois à quatre |
| 1769-1770 | Joseph Cugnot (France) | fardier, premier véhicule automobile à vapeur |
| années 1780 | Watt et Matthew Boulton | machine à double effet et mouvement rotatif pour les usines |
| 1804 | Richard Trevithick | première locomotive sur rails |
| 1807 | Robert Fulton | Clermont, bateau à vapeur commercial sur l’Hudson |
| 1829-1830 | George et Robert Stephenson | locomotive Rocket, ligne Liverpool-Manchester |
| 1884 | Charles Parsons | turbine 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.
| Machine | Rendement typique |
|---|---|
| machine de Newcomen | moins de 1 % |
| machine de Watt | quelques % |
| locomotive à vapeur du XXe siècle | 6 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.