Chapitre 5
143
Un peu d’histoire :
le cheval-vapeur
*
Nous associons traditionnellement le mot moteur à
la propulsion automobile : des machines fonctionnant avec de l’air et de l’essence. Pourtant, les tout
premiers moteurs étaient tout autres. Lourds, lents,
incroyablement volumineux, fonctionnant au charbon et à l’eau, ils ne servaient qu’à pomper de l’eau.
Revenons au début du xix e siècle. À cette époque,
l’Europe se chauffe au charbon, que l’on extrait à
grand-peine de mines sans cesse inondées. On en
retire l’eau en faisant travailler des chevaux, au
travers d’un mécanisme de pompage primitif. Les
premiers moteurs sont installés pour remplacer ces
chevaux – mais ils sont à peine moins coûteux, et
demandent au moins autant d’attention !
Figure 5.23 – Schéma de coupe d’un des premiers moteurs à vapeur (moteur Newcomen, 1720). La condensation provoquée par injection d’eau dans le cylindre
provoquait une chute de pression interne.
Gravure par Newton Henry Black & Harvey Nathaniel Davis, publiée
en 1913 (domaine public)
Les technologies métallurgique (les cylindres sont
en cuivre et travaillés à la main) et mécanique (les
vannes doivent être ouvertes et fermées une à une
manuellement tout au long du fonctionnement),
toutes deux balbutiantes, cantonnent ces moteurs à
des pressions de fonctionnement très faibles.
Pour ces moteurs, l’eau convient parfaitement.
Lorsque la vapeur à pression modérée est refroidie (par exemple en y mêlant de l’eau liquide froide),
elle se condense et sa pression chute brutalement
(figure 5.23). C’est l’occasion d’entraîner un piston
qui, soumis à la pression atmosphérique sur son
autre face, pourra produire du travail. Ainsi, on
pourrait presque parler de « moteurs à implosion »,
puisqu’ils font travailler l’atmosphère sur un cylindre de vapeur dépressurisée pour produire du
travail.
Avec ce mode de fonctionnement, la différence de
pression obtenue atteint au plus 1 bar, et la cadence
est lamentablement faible. Mais l’ensemble fonctionne à température et pressions raisonnables et
les exploitants ne manquent ni de charbon, ni d’eau.
C’est un jeune employé de l’université de Manchester qui réalise le premier le potentiel de développement formidable qui s’offre au moteur. En étudiant
un modèle réduit de moteur appartenant à l’université, il apporte une série de modifications qui vont
doubler son efficacité.
La première et la plus importante de ces modifications va être de séparer dans l’espace les phases de
réchauffement et de refroidissement de la vapeur.
Figure 5.24 – Le moteur de Boulton & Watt avec condensation séparée et piston double-face.
Gravure par Robert Henry Thurston (1878, domaine public)
https://thermodynamique.fr – CC-by-sa Olivier Cleynen
143
Un peu d’histoire :
le cheval-vapeur
*
Nous associons traditionnellement le mot moteur à
la propulsion automobile : des machines fonctionnant avec de l’air et de l’essence. Pourtant, les tout
premiers moteurs étaient tout autres. Lourds, lents,
incroyablement volumineux, fonctionnant au charbon et à l’eau, ils ne servaient qu’à pomper de l’eau.
Revenons au début du xix e siècle. À cette époque,
l’Europe se chauffe au charbon, que l’on extrait à
grand-peine de mines sans cesse inondées. On en
retire l’eau en faisant travailler des chevaux, au
travers d’un mécanisme de pompage primitif. Les
premiers moteurs sont installés pour remplacer ces
chevaux – mais ils sont à peine moins coûteux, et
demandent au moins autant d’attention !
Figure 5.23 – Schéma de coupe d’un des premiers moteurs à vapeur (moteur Newcomen, 1720). La condensation provoquée par injection d’eau dans le cylindre
provoquait une chute de pression interne.
Gravure par Newton Henry Black & Harvey Nathaniel Davis, publiée
en 1913 (domaine public)
Les technologies métallurgique (les cylindres sont
en cuivre et travaillés à la main) et mécanique (les
vannes doivent être ouvertes et fermées une à une
manuellement tout au long du fonctionnement),
toutes deux balbutiantes, cantonnent ces moteurs à
des pressions de fonctionnement très faibles.
Pour ces moteurs, l’eau convient parfaitement.
Lorsque la vapeur à pression modérée est refroidie (par exemple en y mêlant de l’eau liquide froide),
elle se condense et sa pression chute brutalement
(figure 5.23). C’est l’occasion d’entraîner un piston
qui, soumis à la pression atmosphérique sur son
autre face, pourra produire du travail. Ainsi, on
pourrait presque parler de « moteurs à implosion »,
puisqu’ils font travailler l’atmosphère sur un cylindre de vapeur dépressurisée pour produire du
travail.
Avec ce mode de fonctionnement, la différence de
pression obtenue atteint au plus 1 bar, et la cadence
est lamentablement faible. Mais l’ensemble fonctionne à température et pressions raisonnables et
les exploitants ne manquent ni de charbon, ni d’eau.
C’est un jeune employé de l’université de Manchester qui réalise le premier le potentiel de développement formidable qui s’offre au moteur. En étudiant
un modèle réduit de moteur appartenant à l’université, il apporte une série de modifications qui vont
doubler son efficacité.
La première et la plus importante de ces modifications va être de séparer dans l’espace les phases de
réchauffement et de refroidissement de la vapeur.
Figure 5.24 – Le moteur de Boulton & Watt avec condensation séparée et piston double-face.
Gravure par Robert Henry Thurston (1878, domaine public)
https://thermodynamique.fr – CC-by-sa Olivier Cleynen