เครื่องจักรไอน้ำ

เครื่องจักรไอน้ำ () ประดิษฐ์โดย โทมัส นิวโคเมน (Thomas Newcomen) เมื่อ พ.ศ. 2248 (ค.ศ. 1705) ต่อมา เจมส์ วัตต์ ได้พัฒนาเครื่องจักรไอน้ำขึ้น ซึ่งหลังจากนั้น ได้มีการนำเอาชื่อท่านมาตั้งเป็นหน่วยของกำลังไฟฟ้าวัตต์

เครื่องจักรไอน้ำเป็นเครื่องจักรแรกๆ ที่มนุษย์สร้างขึ้น เช่น รถจักรไอน้ำ เรือกลไฟ 

เครื่องจักรไอน้ำ เป็นเครื่องจักรประเภท สันดาปภายนอก สามารถนำมาเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ โดยการนำไอน้ำมาหมุนกังหันของ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า (ไดนาโม) เครื่องจักรไอน้ำต้องมีหม้อต้มในการต้มน้ำในการทำให้เกิดไอน้ำ ไอน้ำที่ได้จากการต้ม จะนำไปเป็นแรงในการดันกระบอกสูบหรือกังหัน

ข้อดีของเครื่องจักรไอน้ำประการหนึ่งคือการที่สามารถใช้แหล่งความร้อนจากอะไรก็ได้ เช่น  นิวเคลียร์ พลังงานแสงอาทิตย์ เอทานอล 

นำมันจากพืช และอื่นได้ อีกมาก 

และแม้แต่ในปัจจุบัน เครื่องจักรไอน้ำหรือกลไกที่ถูกพัฒนาขึ้นจากเครื่องจักรไอน้ำยังคงปรากฏซ่อนอยู่ในเครื่องจักรเครื่องกลแทบทุกประเภท เช่น  โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อน กระบอกสูบในรถยนต์ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังงานไอนำ

การประดิษฐ์ริเริ่มและพัฒนา 

เครื่องจักรไอน้ำเครื่องแรกที่มีการบันทึกไว้คือ Arolipile คนที่ประดิษฐ์คือวิศวกรและนักฟิสิกส์ชาวกรีก ในช่วงศตวรรษที่ 1 แต่ครั้งนั้นนำมาใช้เป็นของเล่น 
ต่อมาเมื่อ พ.ศ. 2206 (ค.ศ. 1663) นายเอ็ดเวิร์ด โซเมอร์เซ็ด ได้ออกแบบและนำไปใช้เป็นประโยชน์ในการปั้มน้ำ

เมื่อ พ.ศ. 2223 (ค.ศ. 1680) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส เดนนิส ปาปิน ( Denis Papin) สร้างหม้อต้มความดันจุดประสงค์เพื่อใช้ในการทำอาหาร ซึ่งถือเป็นหม้อความดันรุ่นแรก เพื่อเป็นการป้องกันการระเบิดของหม้อต้มความดัน เดนนิส ปาปิน ได้ออกแบบ วาล์วลดความดัน (Release Valve) นอกจากนี้ยังสังเกตว่าคาบการทำงานของวาวล์ เป็นจังหวะขึ้นลงๆ ทำ ให้เกิดความคิดเกี่ยวกับเครื่องจักรแบบกระบอกสูบ แต่เขาก็ไม่ได้สร้างเครื่องจักรไอน้ำที่ใช้งานได้จริง ต่อมาวิศวกร Thomas Savery (โทมัส ซาวารี่) ได้ใช้การออกแบบของปาปิน มาทำเป็นเครื่องจักรไอน้ำที่ใช้งานได้

ในอุตสาหกรรมเครื่องจักรไอน้ำช่วงแรกเป็นการออกแบบของ โทมัส เซฟเวอรี (Thomas Savery) 
เมื่อ พ.ศ. 2255 (ค.ศ. 1712) เครื่องจักรไอน้ำแบบบรรยากาศ (atmospheric-engine) ของ โทมัส นิวโคเมน (Thomas Newcomen) ได้ทดลองและใช้ในอุตสาหกรรม 

ต่อมา เซฟเวอรีและนิวโคเมนร่วมกันพัฒนา เครื่องจักรไอน้ำแบบคาน (beam engine) ที่สามารถใช้แบบความดันบรรยากาศและความดันสุญญากาศ ช่วงแรกของอุตสาหกรรมใช้เครื่องจักรไอน้ำแบบสุญญากาศในการปั๊มน้ำจากเหมือง เครื่องจักรไอน้ำของนิวโคเมน รุ่นแรกทำงานช้าและต้องใช้คนเปิด-ปิดวาล์วเอง 
ต่อมาจึงเปลี่ยนมาใช้ตัวเครื่องจักรเองในการเปิด-ปิดวาล์ว 

ต่อมา เจมส์ วัตต์ (James Watt) ได้พัฒนาเครื่องจักรไอน้ำจากแบบของนิวโคเมน และ ได้จดสิทธิบัตร เครื่องจักรไอน้ำแบบวัตต์ Watt Steam Engine ซึ่งทำงานเรียบกว่าและมีประสิทธิภาพมากกว่า 

การพัฒนาในเรื่องของประสิทธิภาพช่วงต่อมาจากการประดิษฐ์ของ Oliver Evans และ Rechard Trevithick โดยการใช้ไอน้ำแรงดันสูง  ซึ่งเครื่องจักรไอน้ำที่ใช้แรงดันสูงที่ Trevithick สร้างไว้เป็นที่รู้จักในชื่อ เครื่องจักรไอน้ำแบบคอร์นิช (Cornish engines) 

อย่างไรก็ตามเครื่องจักรไอน้ำแรงดันสูงมีอันตรายมาก จากหม้อต้มระเบิดเพราะไม่สามารถทนความดันสูงได้ และเป็นสาเหตุของอุบัติเหตุหลายๆเหตุการณ์ สิ่งสำคัญของเครื่องจักรไอน้ำแบบความดันสูงคือ ความพิถีพิถันในการผลิต วาล์วนิรภัย ซึ่งใช้ในการปล่อยความดันที่เกินของเครื่องจักรไอน้ำ และเหตุนี้เองจึงต้องมีการบำรุงรักษาเครื่องจักรไอน้ำที่เข้มงวด และกำหนดมาตรฐานการผลิตวาล์วนิรภัย

ประเภทของเครื่องจักรไอน้ำ

เครื่องจักรไอน้ำแบบสูบขึ้นลง (Reciprocating Engines) 
ความแตกต่างของการทำงานของเครื่องจักรไอน้ำแบบสูญญากาศและแบบความดันสูง ไอน้ำความดันสูงมีสีแดง, ความดันต่ำสีเหลือง และ ไอน้ำควบแน่นสีน้ำเงิน ด้านบนของเครื่องความดันแบบสูญญากาศต้องเปิดสู่บรรยากาศเพื่อให้ความดันบรรยากาศกระทำด้านบนกระบอกสูบ เครื่องจักรแบบ Reciprocating ใช้การทำงานของไอน้ำในการเคลื่อนที่สูกสูบในกระบอกสูบที่ปิดสนิท

เครื่องจักรไอน้ำแบบความดันสุญญากาศ (Vacuum engines) 
จังหวะการทำงานของเครื่องจักรไอน้ำแบบสุญญากาศคือ การให้ไอน้ำความดันต่ำเข้าไปในกระบอกสูบและทำการปิดวาล์วทางเข้าลูกสูบเคลื่อนที่ไปอยู่บริเวณด้านบน หลังจากนั้นไอน้ำจะความแน่นกลายเป็นหยดน้ำ ซึ่งทำให้ปริมาตรของไอน้ำลดลงทำให้เกิดเป็นสุญญากาศ 

จากนั้นความดันบรรยากาศจะกดอีกด้านของลูกสูบ ทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่ไปอยู่ด้านล่าง และกระบอกสูบติดอยู่กับคานน้ำหนักค้านนอกเพียงพอจะที่ทำให้ไอน้ำความดันต่ำดันลูกสูบเคลื่อนที่ไปอยู่ด้านบนสุดได้อีกครั้ง ทำเช่นนี้กลับไปกลับมาทำให้สามารถนำมาใช้เป็นแรงกลได้ 

ในเครื่องจักรไอน้ำของนิวโคเมน น้ำเย็นได้ถูกฉีดโดยตรงเข้าไปในกระบอกสูบเลย แต่ในเครื่องจักรไอน้ำของวัตต์ มีการแยกกระบอกเป็นห้องไอน้ำควบแน่นและห้องหลักออกจากกันโดยกันด้วยวาล์ว 
ประสิทธิภาพของเครื่องจักรของนิวโคเมน ขึ้นอยู่กับการสูญเสียความร้อนในจังหวะควบแน่นและให้ความร้อนเพราะเกิดขึ้นในห้องหลักเพียงห้องเดียว การแยกกระบวนการความแน่นของไอน้ำไปอยู่อีกห้องทำให้ประสิทธิภาพการทำงานลดลง

เครื่องจักรใบพัด 
เป็นเครื่องจักรที่ทำงานโดยให้ไอนำยิ่งยวดดันกังหันหรือใบพัดในภาชนะรูปหอยโขงให้หมุน จึงเกิด พลังงานกล

เครื่องจักรแบบอื่นๆ 
เครื่องยนต์สันดาบภายนอก

เครื่องยนต์สเตอร์ลิง

อ้างอิง 

 พื้นฐานเครื่องยนต์

แหล่งข้อมูลอื่น 

จักรไอน้ำ
เครื่องยนต์สันดาปภายนอก