Uitvinding van de stoommachine

Stoommachines zijn mechanismen die warmte gebruiken om stoom te creëren, die op zijn beurt mechanische processen uitvoert, algemeen bekend als werk. Terwijl verschillende uitvinders en innovators werkten aan verschillende aspecten van het gebruik van stoom voor stroom, zijn bij de belangrijke ontwikkeling van vroege stoommachines drie uitvinders en drie belangrijke motorontwerpen betrokken. 

Thomas Savery en de eerste stoompomp

De eerste stoommachine die voor het werk werd gebruikt, werd in 1698 gepatenteerd door de Engelsman Thomas Savery en werd gebruikt om water uit mijnschachten te pompen. Het basisproces betrof een cilinder die was gevuld met water. Stoom werd vervolgens aan de cilinder afgegeven, waardoor het water verdween, dat door een eenrichtingsventiel naar buiten stroomde. Nadat al het water was uitgeworpen, werd de cilinder besproeid met koud water om de temperatuur van de cilinder te laten dalen en de stoom binnenin te condenseren. Hierdoor ontstond een vacuüm in de cilinder, dat vervolgens extra water opzoog om de cilinder opnieuw te vullen, waardoor de pompcyclus werd voltooid. 

Thomas Newcomen's zuigerpomp

Een andere Engelsman, Thomas Newcomen, verbeterde de pomp van Slavery met een ontwerp dat hij rond 1712 ontwikkelde. De motor van Newcomen bevatte een zuiger in een cilinder. De bovenkant van de zuiger was verbonden met een uiteinde van een draaiende balk. Een pompmechanisme werd verbonden met het andere uiteinde van de straal zodat water werd opgezogen telkens de straal op het pompeinde kantelde. Om de pomp voort te stuwen werd stoom aan de zuigercilinder afgegeven. Tegelijkertijd trok een contragewicht de balk aan het pompuiteinde naar beneden, waardoor de zuiger naar de bovenkant van de stoomcilinder ging. Zodra de cilinder vol stoom was, werd koud water in de cilinder gespoten, waardoor de stoom snel condenseerde en een vacuüm in de cilinder werd gecreëerd. Dit zorgde ervoor dat de zuiger viel, waardoor de balk naar beneden op het zuigeruiteinde en omhoog op het pompuiteinde werd verplaatst. De cyclus werd vervolgens automatisch herhaald zolang stoom op de cilinder werd uitgeoefend. 

Het zuigerontwerp van Newcomen creëerde effectief een scheiding tussen het water dat eruit werd gepompt en de cilinder die werd gebruikt om de pompkracht te creëren. Dit verbeterde de efficiëntie van Slavery's oorspronkelijke ontwerp aanzienlijk. Omdat Savery's echter een breed patent had op zijn eigen stoompomp, moest Newcomen samenwerken met Savery om de zuigerpomp te patenteren. 

Verbeteringen van James Watt

Scotsman James Watt verbeterde en ontwikkelde de stoommachine in de tweede helft van de 18e eeuw, waardoor het een echt levensvatbaar stuk machines was dat hielp bij het starten van de industriële revolutie. De eerste grote innovatie van Watt's was het opnemen van een afzonderlijke condensor zodat de stoom niet hoefde te worden gekoeld in dezelfde cilinder die de zuiger bevatte. Dit betekende dat de zuigercilinder op een veel consistentere temperatuur bleef, waardoor de brandstofefficiëntie van de motor aanzienlijk werd verhoogd. Watt ontwikkelde ook een motor die een as kon roteren in plaats van een op en neer pompende actie, evenals een vliegwiel dat een soepele krachtoverbrenging tussen de motor en de werklast mogelijk maakte. Met deze en andere innovaties werd de stoommachine toepasbaar op een verscheidenheid aan fabrieksprocessen en Watt en zijn zakenpartner Matthew Boulton bouwden honderden motoren voor industrieel gebruik. 

Latere stoommotoren

In het begin van de 19e eeuw vond een belangrijke innovatie plaats van hogedrukstoommachines, die veel efficiënter waren dan de lagedrukontwerpen van Watt's en de andere pioniers van de stoommachine. Dit leidde tot de ontwikkeling van veel kleinere, krachtigere stoommachines die kunnen worden gebruikt om treinen en boten aan te drijven en een breder scala aan industriële taken uit te voeren, zoals het draaien van zagen in molens. Twee belangrijke innovators van deze motoren waren de Amerikaan Oliver Evans en de Engelsman Richard Trevithick. Na verloop van tijd werden stoommachines vervangen door de verbrandingsmotor voor de meeste soorten voortbeweging en industrieel werk, maar het gebruik van stoomgeneratoren om elektriciteit te creëren blijft een belangrijk onderdeel van de productie van elektrische stroom vandaag.