Motorul cu aburi - istoric, generalităţi

Energia aburilor încă mai asigură o mare parte din energia folosită în prezent. Chiar şi cele mai avansate reactoare nucleare sunt doar simple surse de căldură care transformă apa în aburi pentru a acţiona turbine legate la generatoare de electricitate.
Prima maşină cu aburi a fost inventată în secolul I e.n. de către inginerul grec Heron din Alexandria. O sferă goală pe dinăuntru era pivotată pe două tuburi prin care treceau aburii dintr-un mic fierbător. Aburii umpleau sfera şi ieşeau prin ţevi dispuse în părţi opuse ale acesteia. Jeturile de aburi care ţâşneau determinau sfera să se rotească. Totuşi, în ciuda faptului că era o invenţie interesantă, maşina nu servea unui scop util. Prima maşină cu aburi cu utilitate practică a fost inventată în 1698 de un inginer englez pe nume Tomas Savery. Aburul dintr-o cameră era răcit până se condensa şi forma o cantitate mică de apă. Reducerea mare a volumului producea un vid parţial, care era folosit pentru a absorbi apa din minele de cărbuni.
Primul om care a avut idee de a transforma pompa cu piston in maşină termică, a fost francezul Denis Papin în anul 1679. Din păcate nu a putut să o pună în practică din lipsă de fonduri. El a murit în sărăcie, în 1714. Primul motor cu aburi a fost proiectat în 1698 de Thomas Savery, un inginer englez. Acest motor era conceput să pompeze apa din mine, dar singura lui întrebuinţare a fost de a pompa apa în casele înalte din Londra.
Primul motor performant a fost construit în 1712 de inginerul Thomas Newcomen, din Cornwall. Acesta avea un braţ mare care pompa apa în 16 mişcări de du-te-vino pe minut. În 1776, James Watt, un constructor scoţian de mecanisme, a adus înbunătăţiri motorului lui Newcomen. Nicolas Cugnot a fost primul care în 1769 a folosit motorul cu abur la un vehicul. Acest vehicul putea transporta 4 persoane, dar a fost folosit la transportul armamentului greu. Viteza maximă care a fost atinsă cu acest vehicul a fost de 5 km/h.

Forţa pistonului
La maşina inventată de inginerul englez Tomas Newcomen, în jurul anului 1710, aburii împingeau un piston în sus printr-un cilindru. Apoi cilindrul era răcit pentru a condensa aburii, şi pistonul era tras în jos. Condensarea aburilor reducea presiunea din cilindru, astfel încât presiunea atmosferică era suficientă pentru a împinge pistonul în jos. Din acest motiv, Newcomen îşi numea maşina cu aburi “atmosferica”. Ea era folosită pentru a pune în funcţiune pompe de mină. Deşi s-a dovedit mult mai eficientă decât sistemul lui Savery, maşina lui Newcomen era extrem de înceată şi ineficace. Aceasta pentru că după răcire cilindrul trebuia încălzit pentru a produce din nou aburi necesari care să impingă pistonul în sus. Altfel aburiii s-ar fi condensat instantaneu.

Maşina lui Watt
Cel care a rezolvat această problemă a fost inginerul scoţian James Watt. La maşina sa inventată în 1769, aburii treceau într-o cameră separată pentru condensare. Deoarece cilindrul nu era încălzit şi răcit alternativ, pierderile de căldură ale maşinii erau relativ scăzute. De asemenea, maşina lui Watt era mai rapidă, pentru că puteau admite mai mulţi aburi în cilindru odată ce pistonul se întorcea în poziţia iniţială. Aceasta şi alte îmbunătăţiri concepute de Watt au facut ca maşina cu aburi să poata fi folosită într-o gamă largă de aplicaţii.
În perioada victoriană, locomotive cu aburi puternice revoluţionaseră deja călătoria pe uscat. Maşinile cu aburi au făcut posibile şi tipărirea ziarelor, torsul şi ţesutul textilelor şi acţionarea maşinilor de spălat în “spălătoriile cu aburi”. Maşinile cu aburi puneau în mişcare caruselele, iar unii fermieri foloseau energia de abur pentru a ara pământul. Antreprenorii de curăţătorii aveau aspiratoare cu aburi, şi la cele mai bune frizerii din oraşe existau chiar ţi perii pentru masarea capului acţionate de aburi.

Mişcarea rotativă
Mişcarea primelor maşini cu aburi produceau o mişcare alternativă (de “dute-vino”) prin intermediul pistoanelor care se deplasau în cilindri. Această mişcare a putut apoi să fie transformată în mişcare rotativă prin mijloace mecanice.
Turbinele cu aburi produc mişcarea rotativă nemijlocit prin forţa aburilor. Mai mulţi inventatori au experimentat turbine cu aburi în anii 1800, însă abia în anul 1884 a apărut un model eficient şi manevrabil, inventat de inginerul englez Charles Parsons. La câţiva ani de la invenţie turbinele Parsons erau folosite la propulsarea vaselor şi acţionarea generatoarelor.

Transformarea energiei
Maşinile cu aburi şi turbinele transformă căldura în energie. La ambele căldura produsă de combustibil este folosită la fierberea de apă, obţinându-se un volum de aburi de 1600 de ori mai mare, iar aburii comprimati provoacă mişcare. La motoarele cu piston aburii se dilată într-un cilindru, impingând un piston. La turbinele cu aburi, aburii care se dilată acţioneză rotoare. În ambele cazuri, aburii pierd energie termică.
Maşinile cu aburi şi turbinele sunt exemple de motoare cu ardere externă, deoarece căldura se aplică în afara sectorului de lucru, de obicei prin combustie - arderea combustibililor. Aburii sunt creaţi în fierbătoare prin arderea petrolului sau a cărbunilor. În centralele nucleare căldura este produsă prin reacţii nucleare.