الثورة الصناعية
التطورات التقنية الهامة > طاقة البخار

كان تطوير المحرك البخاري الثابت عنصرًا مهمًا في الثورة الصناعية؛ ففي بداية الثورة الصناعية، كان معظم الطاقة الصناعية يتوفر عن طريق المياه والرياح. ومع بداية 1800 أمكن توفير ما يقارب بـ 10,000 حصان بالبخار. وفي سنة 1815 ازدادت الطاقة البخارية إلى 210,000 حصان.
يرجع الفضل في أول استخدام صناعي ناجح تجاريًا للطاقة البخارية إلى توماس سيفري في سنة 1698. وقد قام في لندن ببناء اختراعه لمضخة مياه ضغط وفراغ مجتمعة قليلة الرفع، ولدت حوالي حصان واحد (1 hp) واستخدمت في العديد من أعمال المياه وفي عدد قليل من المناجم. كانت المضخة اقتصادية في اختصاصات القدرة الحصانية الصغيرة، ولكنها كانت عرضة لانفجارات الغلايات عند الأحجام الأكبر. استمر إنتاج تلك مضخات حتى أواخر القرن الثامن عشر.
تم تقديم أول محرك بخاري مكبس ناجح بواسطة توماس نيوكمان سنة 1712. تم تركيب عدد من محركات نيوكمان في بريطانيا لتصريف مناجم عميقة غير قابلة للعمل حتى الآن، مع وجود المحرك على السطح؛ وكانت هذه آلات كبيرة وتتطلب قدرًا كبيرًا من المال للبناء، وتنتج ما يزيد عن 3.5 كيلو واط (5 حصان). كما تم استخدامها لتشغيل مضخات إمدادات المياه البلدية. وهي غير فعالة للغاية وفقًا للمعايير الحديثة، ولكن عندما كانت موجودة حيث كان الفحم رخيصًا عند رأس المنجم، فإنها تفتح توسعًا كبيرًا في مناجم الفحم بحيث يمكنها الحفر أعمق.
على الرغم من عيوبها فإن محركات نيوكمان موثوقة وسهلة الصيانة واستمر استخدامها في مناجم الفحم حتى العقود الأولى من القرن التاسع عشر. وعندما توفي نيوكمان سنة 1729 كانت محركاته قد انتشرت في المجر أولا سنة 1722، وألمانيا والنمسا والسويد. من المعروف أنه تم بناء ما مجموعه 110 في 1733 عندما انتهت صلاحية براءة الاختراع المشتركة، منها 14 في الخارج. وفي سبعينيات القرن الثامن عشر بنى المهندس جون سمتون بعض الأمثلة الكبيرة جدًا وأدخل عددًا من التحسينات. بحيث أمكن بناء إجمالي 1,454 محركًا سنة 1800.
قام جيمس واط وبدعم مالي من شريكه ماثيو بولتون بإحداث تغيير جوهري في مبادئ العمل، حيث نجح سنة 1778 في إتقان محركه البخاري، حيث أدخل فيه سلسلة من التحسينات الجذرية، لا سيما إغلاق الجزء العلوي من الأسطوانة، وبالتالي جعل البخار منخفض الضغط يحرك الجزء العلوي من المكبس بدلاً من الغلاف الجوي، واستخدام سترة بخار وغرفة مكثف بخار منفصلة عن الإسطوانة. والتخلص من البخار المكثف المنفصل بمياه تبريد التي تحقن مباشرة في الأسطوانة، مما أدى إلى تبريد الأسطوانة وإهدار البخار. وبالمثل فإن سترة البخار تمنع البخار من التكثيف في الأسطوانة، مما يحسن الكفاءة أيضًا. زادت هذه التحسينات من كفاءة المحرك بحيث أن محركات بولتون-وات استخدمت 20-25٪ فقط من الفحم لكل حصان في الساعة مثل نيوكومن. وافتتحا كلا من بولتون ووات مصنع سوهو للسبك لتصنيع هذه المحركات في 1795.
وفي سنة 1783 طور واط محركه البخاري بالكامل ليصبح نوعًا دوارًا مزدوج المفعول، مما يعني أنه يمكن استخدامه لتدوير الماكينة الدوارة لمصنع أو معمل مباشرة. كان كلا نوعي محركات واط الأساسيين ناجحين جدًا تجاريًا، وفي 1800 قامت شركة Boulton & Watt ببناء 496 محركًا و 164 مضخة قيادة ترددية و 24 فرنًا للصهر و 308 ماكينة طاحونة؛ تولد معظم المحركات من 3.5 إلى 7.5 كيلو واط (من 5 إلى 10 حصان).
كان النمط الأكثر شيوعًا للمحركات البخارية حتى سنة 1800 هو محرك الشعاع، الذي تم بناؤه ليكون جزء لا يتجزأ من منزل حجري أو من الطوب للمحرك، ولكن سرعان ما تم تطوير أنماط مختلفة من المحركات الدوارة المستقلة (قابلة للإزالة بسهول ولكن ليس لها عجلات) مثل محرك قائم. في بداية القرن التاسع عشر تقريبًا وفي ذلك الوقت انتهت صلاحية براءة اختراع بولتون ووات، فبدأ مهندس ريتشارد تريفيثيك والأمريكي أوليفر إيفانز في بناء محركات بخارية عالية الضغط غير مكثفة، والعادم إلى الخارج. أسفر الضغط المرتفع عن وجود محرك ومرجل مضغوط بدرجة كافية لاستخدامهما في قاطرات الطرق والسكك الحديدية المتنقلة والسفن البخارية.
أتاح تطوير الأدوات الآلية مثل مخرطة للمحرك وآلة المقشطة والدرفلة والصقل التي تعمل بهذه المحركات، إمكانية صيانة واستبدال جميع الأجزاء المعدنية للمحركات بسهولة ودقة، مما أتاح بدوره إمكانية بناء محركات أكبر وأكثر قوة. استمر توفير بعض متطلبات الطاقة الصناعية الصغيرة باستخدام العضلات الحيوانية والبشرية حتى انتشار الكهرباء في أوائل القرن العشرين. ومن تلك الورش ماتعمل بالكرنك والدواسة (آلات الخياطة) والحصان والآلات الصناعية الخفيفة.