Machine à vapeur : les premières machines

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Si l'idée de se servir de la vapeur remonte au moins à Héron d'Alexandrie au Ier siècle après J.-C., il faut attendre la fin du XVIIe siècle pour en voir les premières utilisations pratiques. Les premières machines, développées par Thomas Savery et Denis Papin puis par Thomas Newcomen, sont encore appelées machines atmosphériques ou pompes à feu, la force motrice étant créée par la condensation de la vapeur.
À la suite des travaux de Huygens sur la nature du vide et de ceux de Papin sur l'usage de la vapeur, l'Anglais Savery dépose, en 1698, un brevet pour la première machine à vapeur atmosphérique destinée à pomper l'eau des mines. La vapeur issue de l'ébullition de l'eau remplit le cylindre. En fermant l'arrivée de vapeur et en ouvrant le robinet du bas, la condensation de la vapeur, du fait du refroidissement de l'enceinte, crée un vide qui permet d'aspirer l'eau du fond de la mine. Ensuite, on ferme le robinet du bas et on ouvre les deux autres. La vapeur entre dans le cylindre et chasse l'eau vers la surface. Et le cycle recommence. Savery est ainsi le premier à exploiter véritablement la vapeur pour un usage industriel.
À Cassel, en Allemagne, le Français Denis Papin, qui connaît les publications de Savery, met au point, vers 1707, une machine à vapeur pour l'alimentation de jeux d'eau. La source de chaleur porte l'eau à ébullition. La vapeur appuie sur un piston qui repousse l'eau dans le conduit. Une fois l'arrivée de vapeur coupée, on ouvre le robinet d'échappement et le poids de l'eau dans le réservoir pousse le piston vers le haut du cylindre. Et le cycle continue, permettant ainsi d'acheminer l'eau vers un château d'eau.
En 1712, à partir du brevet de Thomas Savery, l'Anglais Thomas Newcomen construit une nouvelle machine à vapeur qui connaîtra un grand succès. Contrairement aux machines précédentes, la partie pompe et la partie motrice sont indépendantes et reliées entre elles par un balancier. Au départ, le contrepoids de la pompe, aidé par la vapeur, tire le piston vers le haut du cylindre. Quand on ferme le robinet d'arrivée de la vapeur et qu'on refroidit le cylindre, la vapeur qui s'est introduite dans le cylindre se condense et la pression atmosphérique fait redescendre le piston, tirant la pompe vers le haut. On aspire ainsi l'eau du fond de la mine. En ouvrant le robinet, la vapeur d'eau alimente de nouveau le cylindre et le cycle recommence. Comme pour les machines antérieures, le cylindre est soumis à d'importants écarts de température, ce qui limite fortement le rendement de la pompe à eau.
Il faudra attendre plus de soixante ans pour que James Watt y apporte des innovations majeures qui feront de la machine à vapeur le véritable moteur de la révolution industrielle.
Auteurs : Olivier Lavoisy et Bruno Jacomy