موتور بخار به ماشین گرمایی گفته می‌شود که سیال سیکل گرمایی آن بخار می‌باشد. ایده استفاده از بخار آب برای ایجاد نیروی حرکتی پیشینه‌ای طولانی در حدود ۲۰۰۰ سال دارد. اما تا حدود ۳۰۰ سال پیش دستگاه‌های بخار تولیدکنندگان مهمی در حوزهٔ نیروی مکانیکی نبودند. توسعه استفاده از بخارهای پر فشار و تبدیل آن ها به نیروهای خطی و دورانی قادر به ایجاد نیروی مورد نیاز بسیاری از ماشین‌های تولید بود. این دستگاه‌ها در هر جایی که آب و سوخت چون زغال سنگ یا چوب فراهم باشد قابل استفاده هستند. ماشین‌های بخار وسایل حمل و نقل اولیه چون تراکتورهای بخار و لوکوموتیوهای بخار را ممکن ساخت. امروزه توربین‌های بخار مدرن حدود ۸۰ درصد برق تولیدی را در جهان بوسیلهٔ سوخت‌های متفاوت تولید می‌کنند.

ثروت حاصل از مستعمرات بعضی از کشورهای اروپایی خصوصا انگلستان، افزایش تولیدات صنعتی، نیاز به بازار فروش محصولات، توسعه معادن زغال سنگ، افزایش دستمزد کارگران و سایر عوامل مرتبط باعث شد تا دانشمندان اروپایی انگیزه کافی را برای تکمیل و توسعه موتور بخار را به صورت کاربردی پیدا کنند. اولین ماشین بخار را دنی پاپن در سال ۱۶۹۰ اختراع کرد. قسمت اعظم ماشین کوچکی را که پاپن ساخته بود، سیلندرها و پیستون‌ها تشکیل می‌دادند. آب در داخل سیلندرها تبدیل به بخار شده، موجب بالا رفتن پیستون‌ها می‌شدند. با بالا رفتن این پیستون‌ها هوای قسمت فوقانی این سیلندرها فشرده می‌گردید. حال اگر بخار آب زیر پیستون‌ها را ناگهان سرد کرد و تبدیل به آب نمود، هوای فشرده قسمت فوقانی سیلندرها، پیستون‌ها را با قدرت به طرف پایین می‌راند و این حرکت پیستون‌ها می‌توانست مثلاً موجب حرکت کردن یک چرخ شود. پس از پاپن عده‌ای کار او را دنبال کردند ولی نتیجه زیادی نگرفتند تا اینکه اولین موتور قابل استفاده توسط توماس ساوری در سال ۱۶۹۷ و توماس نیو کامن در سال ۱۷۱۲ ساخته شد که برای تخلیه آب معادن و بالا بردن آب برای چرخاندن چرخهای آبی استفاده می شد.این موتورها خیلی کند و غیر کارآمد بودند،اما راه گسترش دانش جدید را گشودند. سرانجام جیمز وات اسکاتلندی با حمایت همسرش مارگارت میلو، دکتر جان روباک و یک کارخانه دار ثروتمند به نام ماتیو بالتن دست به تجاربی زد و موفق گردید با اختراع نخستین موتور بخار تجاری، بزرگ‌ترین انقلاب را در صنایع انگلیس ایجاد کند.

کاربرد

از اوایل قرن ۱۹ میلادی، موتور بخار کاربرد فراوانی در صنعت داشته است. در ابتدا از این فناوری به عنوان محرک «پمپ رفت و برگشتی» (reciprocating pumps) استفاده می‌شد؛ اما از سال ۱۷۸۰ با ظهور موتورهای دورانی (که حرکت رفت‌ و برگشتی را به حرکت دورانی تبدیل می‌کنند) انقلابی در ماشین‌های صنعتی رخ داد. به همین منوال از اواخر قرن ۱۹، موتور بخار به محرک اصلی در حوزه‌ی حمل‌ونقل دریایی و زمینی تبدیل شد و با گذر زمان کاربرد گسترده‌تری یافت. بخار را می‌توان نیروی محرک انقلاب صنعتی نامید. کاربردهای اقتصادی گسترده در کارخانه‌ها و آسیاب‌ها، راه‌اندازی ایستگاه‌های پمپاژ و حمل‌ونقل گواهی بر این مدعا است. در این حوزه از موتور بخار در لوکوموتیوها، کشتی‌ها و خودروها استفاده شد. استفاده از این نوع فناوری در بخش کشاورزی منجر به افزایش سطح زمین قابل شخم زدن و کاشت گردید. جالب است بدانید از این موتور در کاربردهایی با نیاز به انرژی پایین مانند ساعت بخار نیز استفاده شده است.

ماشین‌های بخار اولین اتومبیل‌ها بودند

در سال 1769 کاپیتان نیکولاس جوزف کاگنات که یک افسر فرانسوی بود اولین اتومبیل را ساخت که البته برای حمل‌ونقل اجزای توپخانه استفاده می‌شد. اتومبیل بخار کاگنات یک سه چرخه بود که می‌توانست چهار اسلحه حمل کند. بیشترین سرعتش به 2/3 کیلومتر بر ساعت می‌رسید و باید هر 20 دقیقه توقف می‌کرد تا بخار جدید تولید کند. در 1825 سر گولد زوری گورنی اولین گاری بدون اسب را که به واسطه نیروی بخار کار می‌کرد، اختراع کرد. این موفقیت بزرگی نبود اما گام بزرگی برای درک نحوه‌ی استفاده از بخار به عنوان نیروی مستقل بود. ماشین گورنی بیشتر به کالسکه شبیه بود که شش چرخ داشت که چهار چرخ آن وزن ماشین را تحمل می‌کردند و دو چرخ جلو به جای اسب استفاده می‌شدند و برای چرخیدن کالسکه بخار مورد استفاده قرار می‌گرفت.

جیمز وات

جیمز وات مخترع موتور بخار که در سال 1736 در شهر گریناک در اسکاتلند به دنیا آمد. از همان اوایل طفولیت کودکی بسیار ضعیف و ظریف بود به همین علت وی را مدرسه نفرستادند! بلکه مادر و پدر در خانه به تربیت او پرداختند. جیمز وات دارای تخیل قوی بود و به مرور زمان علاقه خود را به امور فنی نشان داد. وی به نجوم و ریاضیات علاقه داشت و ساعت‌ها متمادی به ستاره‌ها نگاه می‌کرد. او از خواندن و آموختن لذت می‌برد اما زمانی فرارسید که به علت فقر خانوادگی و تنگدستی برای امرار معاش باید کار می‌کرد، بنابراین در مغازه‌ای شروع به کارکرد.

صبح‌ها چند ساعت قبل از باز شدن مغازه بر می‌خواست و شروع به کار می‌کرد که موجب شده بود بر سلامتی اش اثر نامطلوب بگذارد. یکی از اساتید دانشگاه که از مهارت او در امور فنی اطلاع پیدا کرده بود اتاقی در دانشگاه به وی داد تا در آنجا بتواند به کارهایش ادامه دهد. او در سال 1764 موتوری را در دانشگاه تعمیر کرد، و به طور شبانه ‌روز انواع مختلف نیروهای بخار را آزمایش کرد. سرانجام اصول موتور بخار به ذهنش راه پیدا کرد. در این حین مشکلات زیادی برایش پیش آمد و اتاق خود را در دانشگاه از دست داد، اگر کمک‌های همسرش مارگارت میلو نبود دست از کار می‌کشید. مارگارت دختری بود که جیمز پس از گشودن کارگاه خود در دانشگاه با وی ازدواج کرد. دکتر جان روباک (یکی از دوستانش) قبول کرد که شریک جیمز شده و قرض‌هایش را بپردازد و اختراع او را به ثبت برساند. جیمز با شادی رهسپار لندن شد اما مأمورین اداره ثبت اختراعات، کاملاً بی‌تفاوت بودند و این سبب ناراحتی جیمز شد. از طرفی دکتر روباک مقروض شده بود و نمی‌توانست به جیمز کمک کند. در این حین کارخانه‌دار ثروتمندی به نام ماتیو بالتن از طریق دکتر روباک از اختراعات جیمز آگاه شد و قبول کرد که با او کار کند و این نقطه عطفی در زندگی وات بود. بالاخره شهرت وات افزایش یافت و موفقیت بزرگی نصیبش شد و موتور او در کارخانه مورد استفاده قرار گرفت.

انقلاب صنعتی

تغییرات بزرگی که در قرن هجدهم در انگلستان رخ داد به نام انقلاب صنعتی شناخته می‌شود. اختراعات جدیدی مثل ماشین بخار کالاها را سریع‌تر و ارزان‌تر از قبل تولید می‌کرد. در قرن نوزدهم گسترش صنعت به اروپا و آمریکا رسید. راه‌آهن سرعت مسافرت را زیاد کرد. مردم زیادی در کارخانه‌ها کار و در شهرها زندگی می‌کردند. انقلاب صنعتی تکنولوژی را به جهتی کاملاً نوین سوق داد. ماشین‌های برقی و مکانیکی عظیم قطعات متحرک پیچ و مهره همه و همه محیط اطراف را به هیاهو کشانید با انتقال تولید اقتصادی از مزرعه به کارخانه افراد خانواده دیگر به صورت یک واحد با یکدیگر کار نکردند. اما قبل از پایان قرن 19 تاریخ‌نگاران اقتصادی رفته‌رفته به اصطلاح انقلاب صنعتی خوی می‌گرفتند و منظورشان به واقع مجموع نوآوری‌های فنی و اقتصادی بود. که طی دوره‌ی 1760 تا 1830 در انگلستان پدید آمد. با سازماندهی مرحله‌ای سیر رویدادها در این دوران روشن‌تر شد؛ در نخستین مرحله که در انگلستان میانه قرن 18 آغاز شد و اختراع نخستین ماشین بخار نیز احتمالاً مهم‌ترین نوآوری دوران بوده است. دومین مرحله از اواسط قرن 19 آغاز می‌گردد و در اصل ارتباط یافت و به رشد سریع راه‌آهن تولید فولاد و جانشینی کشتی‌های بادبانی به وسیله‌ی کشتی‌های بخاری.

راه‌آهن

درانگلستان اولین شبکه راه‌آهن به سال 1825 م افتتاح شد، اما اغلب شبکه راه‌آهن در دهه 1840 ساخته شد. لکوموتیو بخار باعث ایجاد تحولی در سفر شد. مثلاً، در سال 1750 چندین روز طول می‌کشید تا بتوان از لندن در انگلستان به ادینبورگ در اسکاتلند با سریع‌ترین وسایل زمینی سفر کرد. در سال 1855 همان سفر با بخار 14 ساعت طول می‌کشید. اولین ماشین بخار از قرن هجدهم در انگلستان مورد استفاده قرار گرفت. آب توسط زغال‌سنگ گرم می‌شد تا ماشین بخار حرکت کند. قبل از ماشین بخار، تمام انرژی برای کار از نیروی بازوی انسان و حیوانات و یا از باد و رودخانه‌ها به دست می‌آمد. گرفتن انرژی نفت قدرت بیشتری به مردم داد و باعث رونق صنعت شد.