La machine à vapeur : Newcomen et Watt

Le condenseur séparé de James Watt, breveté le 5 janvier 1769, permit à une machine à vapeur de faire le même travail en brûlant environ deux tiers de charbon en moins.

L’eau dans les mines

Vers 1700, la Grande-Bretagne brûlait de plus en plus de charbon, et les veines de charbon faciles à exploiter près de la surface s’épuisaient. Les mines plus profondes se remplissaient d’eau, et la pomper avec des chevaux était lent et coûteux. En 1698, Thomas Savery fit breveter une pompe à vapeur qu’il appela l’Ami du mineur, mais elle ne pouvait pas faire monter l’eau très haut et ses chaudières étaient dangereuses. Thomas Newcomen, quincaillier de Dartmouth dans le Devon, trouva une meilleure solution. En 1712, lui et son associé John Calley construisirent une machine pour pomper l’eau des travaux houillers de Coneygree, près de Dudley, dans les Midlands de l’Ouest. On la considère généralement comme la première machine à vapeur de ce type à avoir fonctionné avec succès, et une réplique en état de marche, à taille réelle, tourne aujourd’hui au Black Country Living Museum, sur le même domaine.

Comment fonctionnait la machine de Newcomen

La machine de Newcomen utilisait le poids de l’air plutôt que la poussée de la vapeur. De la vapeur à basse pression, venue d’une chaudière, remplissait un grand cylindre sous un piston. Puis un jet d’eau froide était pulvérisé dans le cylindre. La vapeur se condensait en quelques gouttes d’eau, laissant un vide partiel, et la pression de l’atmosphère à l’extérieur poussait le piston vers le bas. Le piston était relié par une chaîne à une extrémité d’un énorme balancier en bois ; quand il descendait, l’autre extrémité montait et soulevait une tige de pompe dans le puits de mine. On laissait entrer de nouveau la vapeur, le poids de la tige de pompe ramenait le balancier, et le cycle recommençait une douzaine de fois par minute. Comme la vapeur était à si basse pression, le risque d’explosion de la chaudière était faible. À la mort de Newcomen, il y avait plus d’une centaine de ses machines en Angleterre et d’autres en Europe.

Le problème que Watt a vu

James Watt était un fabricant d’instruments de mathématiques qui avait un atelier à l’université de Glasgow, où le chimiste Joseph Black devint son ami et son mentor. À l’hiver 1763-1764, on lui demanda de réparer la petite maquette de machine de Newcomen de l’université, qui tombait sans cesse en panne. Watt découvrit qu’environ 80 % de la chaleur de la vapeur servait seulement à réchauffer le cylindre après que chaque jet d’eau froide l’avait refroidi. La solution, qu’il trouva en 1765, était de condenser la vapeur ailleurs. Un condenseur séparé, maintenu en permanence froid et relié au cylindre par un tuyau, aspirait la vapeur et la transformait en eau, tandis que le cylindre lui-même restait chaud. Le 5 janvier 1769, Watt obtint un brevet pour « une nouvelle méthode pour diminuer la consommation de vapeur et de combustible dans les machines à feu ». Le Science Museum la considère comme la plus grande amélioration isolée jamais apportée à la machine à vapeur.

Boulton et Watt

Transformer une maquette en machine opérationnelle demanda des années et de l’argent. En 1774, Watt s’installa à Birmingham, et en 1775 il s’associa avec le fabricant Matthew Boulton, dont les ateliers de Soho avaient les ouvriers métallurgistes qualifiés dont Watt avait besoin. Les premières machines Boulton et Watt se mirent au travail en 1776, l’une pompant l’eau d’une houillère près de Tipton et l’autre soufflant de l’air pour la forge de John Wilkinson à Broseley. À partir de 1777, beaucoup furent vendues aux mines de cuivre et d’étain des Cornouailles, où le charbon coûtait cher et où économiser du combustible comptait le plus. Les machines munies du condenseur de Watt brûlaient environ deux tiers de charbon en moins que celles de Newcomen. Watt conçut ensuite des moyens de transformer le mouvement de va-et-vient du balancier en rotation, pour que les machines puissent entraîner les engins des filatures, des brasseries et des forges, et pas seulement des pompes. Le brevet de Watt dura jusqu’en 1800, et à son expiration d’autres fabricants se hâtèrent d’utiliser le condenseur séparé. Aujourd’hui, l’unité de puissance, le watt, porte son nom.