thumb|150px|right|Éolipyle. upright|thumb|La pompe à vapeur Savery de 1698 - le premier appareil à vapeur commercialement réussi, construit par Thomas Savery.
La première machine à vapeur rudimentaire connue est l'aeolipile décrite par Héron d'Alexandrie dans l'Égypte romaine du . Plusieurs dispositifs à vapeur ont ensuite été expérimentés ou proposés, comme le cric à vapeur de Taqi al-Din, une turbine à vapeur dans l'Égypte ottomane du , et la pompe à vapeur de Thomas Savery dans l'Angleterre du . En 1712, le moteur atmosphérique de Thomas Newcomen est devenu le premier moteur à succès commercial utilisant le principe du piston et du cylindre, qui était le type fondamental de moteur à vapeur utilisé jusqu'au début du . Le moteur à vapeur était utilisé pour pomper l'eau des mines de charbon.
Au cours de la révolution industrielle, les moteurs à vapeur ont commencé à remplacer l'énergie hydraulique et éolienne, pour devenir la source d'énergie dominante à la fin du et le rester jusqu'aux premières décennies du , lorsque la turbine à vapeur et le moteur à combustion interne, plus efficaces, ont entraîné le remplacement rapide des moteurs à vapeur. La turbine à vapeur est devenue la méthode la plus courante d'entraînement des générateurs d'énergie électrique. Des recherches sont en cours pour déterminer s'il est possible de faire revivre le moteur à vapeur alternatif comme base de la nouvelle vague de technologie avancée de la vapeur.
Précurseurs
Premières utilisations de la puissance de la vapeur
Le premier moteur à vapeur rudimentaire connu et la première turbine à vapeur à réaction, l'éolienne, sont décrits par un mathématicien et ingénieur nommé Héron d'Alexandrie (Héron) dans l'Égypte romaine du , dans son manuscrit Spiritalia seu Pneumatica. La vapeur éjectée tangentiellement par des buses faisait tourner une boule pivotante. Son efficacité thermique était faible. Cela suggère que la conversion de la pression de la vapeur en mouvement mécanique était connue en Égypte romaine au . Héron a également conçu une machine qui utilisait l'air chauffé dans un feu d'autel pour déplacer une quantité d'eau d'un récipient fermé. Le poids de l'eau permettait de tirer une corde cachée pour actionner les portes du temple. Certains historiens ont confondu les deux inventions pour affirmer, à tort, que l'éolienne était capable de faire un travail utile.
Selon Guillaume de Malmesbury, en 1125, Reims abritait une église qui possédait un orgue alimenté par l'air s'échappant de la compression "par de l'eau chauffée", apparemment conçu et construit par le professeur Gerbertus.
Parmi les papiers de Léonard de Vinci datant de la fin du figure la conception d'un canon à vapeur appelé l'Architonnerre, qui fonctionne par l'afflux soudain d'eau chaude dans un canon scellé et chauffé au rouge.
Une turbine à vapeur à impact rudimentaire a été décrite en 1551 par Taqi al-Din, un philosophe, astronome et ingénieur de l'Égypte ottomane du , qui a décrit une méthode pour faire tourner une broche au moyen d'un jet de vapeur jouant sur des aubes rotatives autour de la périphérie d'une roue. Un dispositif similaire pour faire tourner une broche a également été décrit plus tard par John Wilkins en 1648. Ces dispositifs étaient alors appelés "moulins" mais sont aujourd'hui connus sous le nom de vérins à vapeur. Une autre turbine à vapeur rudimentaire similaire est présentée par Giovanni Branca, un ingénieur italien, en 1629, pour faire tourner un dispositif d'échappement cylindrique qui soulevait et laissait tomber alternativement une paire de pilons travaillant dans des mortiers. Le flux de vapeur de ces premières turbines à vapeur n'était toutefois pas concentré et la majeure partie de son énergie était dissipée dans toutes les directions. Cela aurait entraîné un grand gaspillage d'énergie et leur utilisation industrielle n'a donc jamais été sérieusement envisagée.
En 1605, le mathématicien français David Rivault de Fleurence écrit dans son traité sur l'artillerie qu'il a découvert que l'eau, si elle était confinée dans une bombe et chauffée, ferait exploser les obus.
En 1606, l'Espagnol Jerónimo de Ayanz y Beaumont démontre et obtient un brevet pour une pompe à eau fonctionnant à la vapeur. Cette pompe est utilisée avec succès pour drainer les mines inondées de Guadalcanal, en Espagne.
Développement de la machine à vapeur commerciale Les découvertes qui, réunies par Thomas Newcomen en 1712, ont donné naissance à la machine à vapeur sont :
Le concept de vide (c'est-à-dire une réduction de la pression en dessous de la pression ambiante) Le concept de la pression Techniques pour créer un vide Un moyen de générer de la vapeur Le piston et le cylindre
En 1643, Evangelista Torricelli a mené des expériences sur des pompes à eau à aspiration pour tester leurs limites, qui étaient d'environ 32 pieds (la pression atmosphérique est de 32,9 pieds ou 10,03 mètres. La pression de vapeur de l'eau abaisse la hauteur de levage théorique). Il a conçu une expérience utilisant un tube rempli de mercure et inversé dans un bol de mercure (un baromètre) et a observé un espace vide au-dessus de la colonne de mercure, qui, selon sa théorie, ne contenait rien, c'est-à-dire le vide.
Influencé par Torricelli, Otto von Guericke a inventé une pompe à vide en modifiant une pompe à air utilisée pour pressuriser un canon à air. Guericke a fait une démonstration en 1654 à Magdebourg, en Allemagne, où il était maire. Deux hémisphères de cuivre étaient assemblés et l'air était pompé. Les poids attachés aux hémisphères ne pouvaient pas les séparer tant que la valve d'air n'était pas ouverte. L'expérience a été répétée en 1656 avec deux équipes de 8 chevaux chacune, qui n'ont pas pu séparer les hémisphères de Magdebourg.
Gaspar Schott a été le premier à décrire l'expérience des hémisphères dans son ouvrage Mechanica Hydraulico-Pneumatica (1657).
Après avoir lu le livre de Schott, Robert Boyle a construit une pompe à vide améliorée et a mené des expériences connexes.
Denis Papin s'est intéressé à l'utilisation du vide pour générer une force motrice alors qu'il travaillait avec Christiaan Huygens et Gottfried Leibniz à Paris en 1663. Papin a travaillé pour Robert Boyle de 1676 à 1679, publiant un compte rendu de ses travaux dans Continuation of New Experiments (1680) et faisant une présentation à la Royal Society en 1689. À partir de 1690, Papin commence à expérimenter un piston pour produire de la puissance avec de la vapeur, en construisant des modèles de moteurs à vapeur. Il expérimente des moteurs à vapeur atmosphérique et à pression, et publie ses résultats en 1707.
En 1663, Edward Somerset, 2e marquis de Worcester, a publié un livre de 100 inventions décrivant une méthode pour faire monter l'eau d'un étage à l'autre, selon un principe similaire à celui du percolateur à café. Son système était le premier à séparer la chaudière (un tonneau de canon chauffé) de l'action de pompage. L'eau était admise dans un tonneau renforcé à partir d'une citerne, puis une vanne était ouverte pour admettre la vapeur provenant d'une chaudière séparée. La pression s'accumulait au-dessus de l'eau, l'entraînant dans un tuyau. Il a installé son dispositif à vapeur sur le mur de la grande tour du château de Raglan pour alimenter en eau la tour. Les rainures du mur où était installé le moteur étaient encore visibles au . Cependant, personne n'était prêt à risquer de l'argent pour un concept aussi révolutionnaire, et sans bailleurs de fonds, la machine n'a pas été développée.
Samuel Morland, un mathématicien et inventeur qui travaillait sur les pompes, a laissé des notes au bureau d'ordonnance de Vauxhall sur un projet de pompe à vapeur que Thomas Savery a lu. En 1698, Savery construit une pompe à vapeur appelée "The Miner's Friend". Elle utilisait à la fois le vide et la pression. Elle a été utilisée pour des services de faible puissance pendant un certain nombre d'années.
Thomas Newcomen était un marchand qui vendait des articles en fonte. Le moteur de Newcomen était basé sur la conception du piston et du cylindre proposée par Papin. Dans le moteur de Newcomen, la vapeur était condensée par l'eau pulvérisée à l'intérieur du cylindre, ce qui provoquait une pression atmosphérique pour déplacer le piston. Le premier moteur de Newcomen a été installé pour le pompage dans une mine en 1712 à Dudley Castle dans le Staffordshire.
Cylindres
Denis Papin ( - c. 1712) était un physicien, mathématicien et inventeur français, surtout connu pour son invention pionnière du digesteur à vapeur, l'ancêtre de la cocotte-minute. Au milieu des années 1670, Papin a collaboré avec le physicien néerlandais Christiaan Huygens sur un moteur qui chassait l'air d'un cylindre en faisant exploser de la poudre à canon à l'intérieur. Se rendant compte de l'incomplétude du vide produit par ce moyen et s'installant en Angleterre en 1680, Papin conçoit une version du même cylindre qui permet d'obtenir un vide plus complet en faisant bouillir de l'eau et en laissant ensuite la vapeur se condenser ; de cette manière, il peut soulever des poids en attachant l'extrémité du piston à une corde passant sur une poulie. En tant que modèle de démonstration, le système fonctionnait, mais pour pouvoir répéter le processus, il fallait démonter et remonter l'ensemble de l'appareil. Papin a rapidement compris que pour réaliser un cycle automatique, la vapeur devrait être générée séparément dans une chaudière ; il n'a cependant pas poussé le projet plus loin. Papin a également conçu un bateau à aubes actionné par un jet jouant sur la roue d'un moulin, en combinant les conceptions de Taqi al Din et de Savery, et on lui attribue également un certain nombre de dispositifs importants tels que la soupape de sûreté. Les années de recherche de Papin sur les problèmes d'exploitation de la vapeur devaient jouer un rôle clé dans le développement des premiers moteurs industriels à succès qui suivirent sa mort.
Pompe à vapeur Savery
La première machine à vapeur à être appliquée industriellement est la "machine à feu" ou "Miner's Friend", conçue par Thomas Savery en 1698. Il s'agissait d'une pompe à vapeur sans piston, similaire à celle développée par Worcester. Savery a apporté deux contributions essentielles qui ont considérablement amélioré l'aspect pratique de la conception. Tout d'abord, afin de permettre à l'alimentation en eau d'être placée sous le moteur, il a utilisé la vapeur condensée pour produire un vide partiel dans le réservoir de pompage (le baril dans l'exemple de Worcester) et l'utiliser pour tirer l'eau vers le haut. Deuxièmement, afin de refroidir rapidement la vapeur pour produire le vide, il a fait couler de l'eau froide sur le réservoir.
Le fonctionnement nécessitait plusieurs vannes ; lorsque le réservoir était vide au début d'un cycle, une vanne était ouverte pour laisser entrer la vapeur. La vanne était fermée pour sceller le réservoir et la vanne d'eau de refroidissement était ouverte pour condenser la vapeur et créer un vide partiel. Une vanne d'alimentation était ouverte, tirant l'eau vers le haut dans le réservoir, et le moteur typique pouvait tirer l'eau jusqu'à 20 pieds. Le moteur typique pouvait tirer de l'eau jusqu'à 6 mètres. Cette vanne était fermée et la vanne de vapeur rouverte, créant une pression sur l'eau et la pompant vers le haut, comme dans le modèle Worcester. Le cycle a essentiellement doublé la distance sur laquelle l'eau pouvait être pompée pour une pression de vapeur donnée, et les exemples de production ont fait monter l'eau d'environ 40 pieds.