miniatura|300x300px| Versió tardana d'una màquina de vapor de Watt de doble efecte, construïda per D. Napier & Són (Londres) en 1859, ara en el vestíbul de l'Escola Tècnica Superior d'Enginyers Industrials de la UPM (Madrid). Motors de vapor d'aquest tipus van impulsar la Revolució Industrial a Gran Bretanya i en el món La màquina de Watt, també coneguda com la màquina de vapor de Watt, va ser la primera màquina de vapor pràctica, convertint-se en una de les forces impulsores de la Revolució Industrial. James Watt va desenvolupar el disseny entre 1763 i 1827, amb el suport de Matthew Boulton. El seu disseny va permetre estalviar molt de combustible en comparació amb les màquines desenvolupades anteriorment, de manera que concedien llicències basant-se en la quantitat de combustible que es podia estalviar. Watt no va deixar mai de desenvolupar la màquina de vapor, introduint dissenys amb doble efecte (amb dos cilindres) i diversos sistemes per a aconseguir produir el moviment rotatiu a partir de les seves màquines. El disseny de Watt es va convertir en sinònim de màquina de vapor, i van passar molts anys abans que altres dissenys comencessin a reemplaçar la configuració que ell havia ideat.
Les primeres màquines de vapor, introduïdes per Thomas Newcomen en 1712, eren de disseny atmosfèric. El vapor s'introduïa en un cilindre, que després era refredada amb aigua. Això feia que el vapor es condensés, formant un buit parcial en el cilindre i la pressió atmosfèrica en la part superior empenyia el pistó cap avall. Watt va notar que la rosada d'aigua també refredava el propi cilindre, i que, per tant, es requeria una quantitat significativa de calor per a poder-lo escalfar per a que el vapor entrés al cilindre sense condensar-se de nou. Va abordar aquest problema agregant un cilindre separat ple d'aigua, que s'obria quan s'omplia el cilindre principal. El vapor entrava en la cambra secundària i es condensava, extraient el vapor restant del cilindre principal per a continuar el procés. El resultat final utilitzava el mateix cicle que el disseny de Newcomen, però sense cap refredament del cilindre principal, aconseguint que estigués immediatament llest per a una altra carrera. Watt va estar treballant en el disseny durant un període de diversos anys, introduint el condensador i millores en gairebé totes les parts del disseny, en particular va realitzar una llarga sèrie de proves sobre com segellar el pistó en el cilindre. Tots aquests canvis van aconseguir un disseny més fiable, i que necessitava la meitat de carbó per a produir la mateixa quantitat d'energia.
El nou disseny es va introduir comercialment el 1776, amb el primer exemplar que es va vendre al taller mecànic Carron Company. Watt va continuar treballant per a millorar el seu disseny, i en 1781 va introduir un sistema que utilitzava un engranatge sol i planeta per a convertir el moviment lineal dels motors en moviment rotatiu. Això ho va fer útil no sols en el seu objectiu de bombament original, sinó també per a tasques en les què prèviament s'utilitzaven rodes hidràuliques. Aquest va ser un moment clau en la revolució industrial, ja que des de llavors les fonts d'energia podrien situar-se en qualsevol lloc, evitant l'anterior necessitat de disposar d'una font d'aigua i d'una topografia adequades. Boulton va començar a desenvolupar nombroses màquines que van fer ús d'aquesta potència rotativa, desenvolupant la primera fàbrica industrialitzada moderna, la Fosa Soho, que, a la vegada, va produir nous dissenys de màquines de vapor. Els primers motors de Watt coincidien amb els dissenys originals de Newcomen que usaven vapor a baixa pressió, i la major part de l'acció era causada per la pressió atmosfèrica, degut principalment als problemes de seguretat que suposava l'ús de pressions de vapor més elevades. No obstant això, Watt, buscant aconseguir una millora en el rendiment, va començar a considerar l'ús de vapor a alta pressió, així com els dissenys amb cilindres múltiples, tant segons el concepte de doble acció com segons el concepte d'expansió múltiple. Aquests motors de doble acció van requerir la invenció del moviment paral·lel, que va permetre que les varetes dels cilindres individuals es moguessin en línia recta, mantenint el pistó alineat amb el cilindre, mentre que l'extrem del balancí mòbil es desplaçava descrivint un arc, anàlogament a una creuera en les màquines de vapor posteriors.
Introducció El 1698, el dissenyador mecànic anglès Thomas Savery va inventar un aparell de bombament que utilitzava vapor per a extreure aigua directament d'un pou, valent-se del buit creat per la condensació de vapor d'aigua. El dispositiu es va pensar per a drenar mines, però només podia extreure aigua a un màxim de 7,5 m de profunditat, aproximadament, la qual cosa significava que s'havia de situar de manera que no superés aquest desnivell respecte al sòl de la mina que s'estava drenant. A mesura que les mines es van fer més profundes, aquesta màquina sovint no era pràctica i, a més, consumia una gran quantitat de combustible en comparació amb els motors posteriors. miniatura|Model del motor de Newcomen amb el qual Watt va experimentar La solució per a drenar mines més profundes va ser realitzada per Thomas Newcomen, qui va desenvolupar un motor atmosfèric que també funcionava sota el mateix principi del buit. Utilitzava un cilindre que contenia un pistó mòbil connectat per una cadena a un extrem d'un balancí oscil·lant, que accionava una bomba d'elevació mecànica des del seu extrem oposat. Al final de cada carrera, es permetia que el vapor ingressés al cilindre sota el pistó. Quan el pistó s'elevava dins del cilindre, arrossegat cap amunt per un contrapès, absorbia vapor a pressió atmosfèrica. En la part superior de la carrera, la vàlvula de vapor es tancava i s'injectava aigua freda en el cilindre per a refredar el vapor. Aquesta aigua injectada condensava el vapor i creava un buit parcial sota el pistó. La pressió atmosfèrica fora del motor era llavors major que la pressió dins del cilindre, empenyent així el pistó cap al cilindre. El pistó, unit a una cadena i al seu torn unit a un extrem de la biga oscil·lant, empenyia cap avall el seu extrem de la biga, aixecant l'extrem oposat. Per tant, la bomba situada en el fons de la mina era impulsada. Aquesta bomba estava unida a l'extrem oposat de la biga a través de cordes i cadenes. La bomba empenyia (en lloc d'absorbir) la columna d'aigua cap amunt. Això permetia elevar l'aigua a pràcticament qualsevol altura. Una vegada que el pistó arribava a la part inferior, el cicle es repetia.
El motor que va desenvolupar Newcomen era més potent que el motor Savery. Per primera vegada, es va aconseguir que l'aigua es pogués elevar des de profunditats superiors als 45 metres. El primer exemplar de 1712 va ser capaç de reemplaçar a un equip de 500 cavalls de tir que s'havien utilitzat per a bombar la mina. Es van instal·lar setanta-cinc motors de bombament Newcomen en diferents mines de Gran Bretanya, França, Holanda, Suècia i Rússia. En els següents cinquanta anys, només es van fer alguns petits canvis en el disseny del motor. Va ser un gran avanç.
Encara que els motors Newcomen van portar beneficis pràctics, van ser ineficients en termes de l'aprofitament de l'energia necessària per a impulsar-los. El sistema d'enviar alternativament raigs de vapor, i posteriorment aigua freda sobre el cilindre, significava que les parets del cilindre s'escalfaven alternativament i després es refredaven amb cada carrera. Cada càrrega de vapor introduïda continuaria condensant-se fins que el cilindre s'acostés novament a la temperatura de treball. Llavors, en cada cicle, es perdia part del potencial del vapor.
Condensador separat esquerra|miniatura|300x300px| Els components principals d'un motor de bombament de Watt En 1763, James Watt treballava com a fabricant d'instruments a la Universitat de Glasgow, quan se li va assignar el treball de reparar un model de motor Newcomen i es va adonar que era un motor molt ineficient.
En 1765, Watt va concebre la idea d'equipar el motor amb una cambra de condensació separada, a la qual va anomenar un "condensador". Pel fet que el condensador i el cilindre de treball estaven separats, la condensació es produïa sense una pèrdua significativa de la calor del cilindre. En tot moment, el condensador romania fred i per sota de la pressió atmosfèrica, mentre que el cilindre romania calent.
El vapor de la caldera entrava al cilindre per sota del pistó. Quan el pistó arribava a la part superior del cilindre, la vàlvula d'entrada de vapor es tancava i la vàlvula que controlava el pas al condensador s'obria. A l'estar el condensador a una pressió més baixa, extreia el vapor del cilindre al condensador, on es refredava i es condensava, passant de vapor d'aigua a aigua líquida, i mantenint un buit parcial en el condensador que es comunicava a l'espai del cilindre per sota del pistó a través del conducte de connexió. Degut a la diferència de pressió, la pressió atmosfèrica externa empenyia el pistó cap avall del cilindre.
La separació del cilindre i el condensador va eliminar les pèrdues de calor que es produïen quan el vapor es condensava en el cilindre d'un motor Newcomen. Això li va donar al motor Watt una major eficiència que la tenia el motor Newcomen, reduint la quantitat de carbó consumit mentre realitzava la mateixa quantitat de treball que l'antic motor.
En el disseny de Watt, l'aigua freda s'injectava només en la cambra de condensació. Aquest tipus de condensador es coneix com a condensador de raig. El condensador està dins un bany d'aigua freda sota el cilindre. El volum d'aigua que entrava en el condensador com a rosada absorbia la calor latent del vapor, i es va determinar com set vegades el volum del vapor condensat. Una bomba d'aire eliminava el condensat i l'aigua injectada, i l'aigua freda circumdant va servir per a absorbir l'energia tèrmica restant per a retenir una temperatura del condensador d'entre 30 i 45 °C i la pressió equivalent de 0,04 a 0,1 bar.
En cada carrera, el condensat calent s'extreia del condensador i s'enviava a un pou calent per una bomba de buit. Aquesta bomba de buit també ajudava a evacuar el vapor de sota el cilindre de potència. El condensat encara calent es reciclava com a aigua d'alimentació per a la caldera.
Watt va introduir una nova millora al disseny de Newcomen, segellant la part superior del cilindre i envoltar el cilindre amb una camisa. Es passava el vapor a través de la camisa abans de ser admès sota el pistó, mantenint el pistó i el cilindre calents per evitar la condensació dins d'ell. Una altra millora va ser la utilització de l'expansió de vapor contra el buit en l'altre costat del pistó. El subministrament de vapor es tallava durant la carrera, i el vapor s'expandia contra el buit en l'altre costat. Això va augmentar l'eficiència del motor, però també va crear un parell variable en l'eix que no era desitjable per a moltes aplicacions, en particular el bombament. Llavors, Watt va limitar l'expansió a una relació de 1:2 (és a dir, el subministrament de vapor es tallava a mitja carrera). Això va augmentar l'eficiència teòrica del 6.4% al 10.6%, amb només una petita variació en la pressió del pistó. Watt no va fer servir vapor a alta pressió a causa de problemes de seguretat.
Aquestes millores es van incorporar a la versió completament desenvolupada de 1776, que va ser la que realment va entrar en producció.Hulse David K (1999): "The early development of the steam engine"; TEE Publishing, Leamington Spa, U.K., ISBN, 85761 107 1 p. 127 et seq.
L'associació de Matthew Boulton i James Watt