Motorul cu abur, un moment de cotitură în evoluţia societăţii umane

Motorul cu abur, în varianta sa îmbunătăţită de James Watt (care consuma mai puţin cărbune, fiind mult mai eficient), a reprezentat un moment de cotitură în evoluţia societăţii umane, cu un impact echivalent cu adoptarea agriculturii de către strămoşii noştri vânători şi culegători. Motorul cu abur a înlocuit mare parte din forţa brută a omului ori a ajutorului său, calul, şi a permis crearea bunurilor cu ajutorul maşinilor, declanşând Revoluţia Industrială.

Motorul cu abur este un motor cu ardere externă care produce lucru mecanic utilizând energia termică a aburului. Aburul este produs sub presiune într-un generator de abur, prin fierbere, şi se destinde într-un agregat cu cilindri în care presiunea aburului produce lucru mecanic deplasând liniar un piston, mişcare care de cele mai multe ori este transformată în mişcare de rotaţie cu ajutorul unui mecanism bielă-manivelă. Căldura necesară producerii aburului se obţine prin arderea unui combustibil sau prin fisiune nucleară.

Istoria motorului cu aburi începe în secolul I î.Hr. când matematicianul grec Heron din Alexandria a descris eolipila, primul motor cu abur rudimentar. În următoarele secole cele câteva motoare cu abur cunoscute erau, asemenea eolipilei, doar dispozitive experimentale folosite de inventatori pentru a demonstra proprietăţile aburului. O turbină cu abur rudimentară a fost descrisă de Taqi al-Din în anul 1551 şi de Giovanni Branca în anul 1629.

Jeronimo de Ayanz y Beaumont a primit, în 1606, brevete pentru 50 de invenţii propulsate de abur, inclusiv o pompă pentru desecarea minelor inundate. Denis Papin, un refugiat hughenot, a realizat lucrări folositoare la digestorul cu abur în 1679 şi a folosit pentru prima dată un piston pentru a ridica greutăţi în anul 1690.

Primul dispozitiv comercial propulsat de puterea aburului a fost o pompă de apă dezvoltată de Thomas Savery în anul 1698. Acesta a folosit un sistem de vidare pentru a ridica apa din pământ, apoi a folosit presiunea aburului pentru a o ridica şi mai sus. Motoarele mici erau eficiente, dar modelele mai mari erau problematice, acestea dovedind că aveau o înălţime de ridicare limitată şi erau predispuse la explozii ale boilerelor. Au fost folosite în câteva mine, staţii de forare şi pentru a propulsa roţile de apă folosite la maşinăriile de textile. O proprietate atractivă a motorului lui Savery a fost costul scăzut. Au continuat să fie produse până la sfârşitul secolului al XVIII-lea, un asemenea motor fiind încă operaţional în anul 1820.

Primul motor comercial care a avut succes, în sensul că putea genera putere şi o transmitea unei maşini, a fost motorul atmosferic inventat de către Thomas Newcomen în jurul anului 1712.

Inventatorul s-a folosit de tehnologiile descoperite de Savery şi Papin, dar motorul său era oarecum ineficient, iar în multe cazuri a fost folosit doar pentru pomparea apei. Motorul funcţiona prin crearea unui vid parţial prin condensarea aburului sub un piston dintr-un cilindru. A fost folosit la drenarea apei din mine la adâncimi care până atunci erau imposibile şi la furnizarea apei pentru propulsarea roţilor de apă din fabrici, iar apa ce trecea de roată ajungea într-un rezervor de unde îşi relua ciclul.

În anul 1720 Jacob Leopold a descris un motor cu abur de mare presiune cu doi cilindri. Invenţia a fost publicată în lucrarea sa ''Theatri Machinarum Hydraulicarum''. Motorul folosea două pistoane de plumb care furnizau o mişcare continuă la o pompă de apă. Fiecare piston era ridicat de presiunea aburului şi se întorcea la poziţia iniţială prin forţa gravitaţională. Cele două pistoane foloseau o valvă rotativă comună conectată direct la un boiler cu abur.

Următorul pas major s-a produs atunci când James Watt a dezvoltat (între anii 1763 — 1775) o versiune îmbunătăţită a motorului lui Newcomen, adăugându-i un condensator separat.

Primele motoare ale lui Boulton şi Watt foloseau pe jumătate din cărbunele pe care le folosea versiunea îmbunătăţită a lui John Smeaton. Watt a continuat să-şi îmbunătăţească motorul, modificându-l pentru a furniza o mişcare rotativă adecvată pentru propulsarea maşinăriilor din fabrici. Acest lucru a permis ca fabricile să poată fi construite departe de râuri şi a accelerat ritmul Revoluţiei Industriale.

În jurul anului 1800 Richard Trevithick şi, independent, Oliver Evans în 1801, au introdus motoare ce foloseau abur la presiuni mari. Trevithick şi-a obţinut patentul în anul 1802. Aceste motoare erau mult mai puternice decât motoarele anterioare cu cilindri şi puteau fi realizate îndeajuns de mici pentru aplicaţii de transport. Din acel moment dezvoltările şi îmbunătăţirile tehnologice în tehnicile de fabricare au rezultat în proiectarea unor motoare mai eficiente care puteau fi mai mici, mai rapide sau mai puternice, depinzând de aplicaţia dorită.

Motorul cu aburi a devenit foarte răspândit înainte de invenţia motorului electric sau a motorului cu combustie internă, fiind folosit în diferite aplicaţii: în fabrici, în construcţii, în transport (locomotivele cu abur), în transportul marin (motoarele navelor) şi în producerea curentului electric (astăzi o mare parte a energiei electrice este produsă de turbinele cu abur).

Deşi motoarele cu aburi nu mai sunt la fel de răspândite pentru uzul comercial, câteva companii încă exploatează şi experimentează potenţialul unui astfel de motor, ca o alternativă la motoarele cu combustie internă. Compania Energiprojekt AB din Suedia a realizat progrese în folosirea materialelor moderne pentru valorificarea puterii aburului. Eficienţa motorului cu abur a celor de la Energiprojekt a depăşit cu 27-30% eficienta motoarelor cu presiune mare. Motorul suedezilor este un motor în cinci cilindri, într-un singur pas, cu abur superîncălzit, ce consumă aproximativ 4 kg de abur/kWh.