miniatura|Locomotora de vapor alemanya al museu de Bochum-Dahlhausen Una locomotora de vapor o tren de vapor és una locomotora autopropulsada impulsada per l'acció del vapor d'aigua a pressió. La base teòrica del funcionament n'és la termodinàmica. El terme locomotora de vapor es pot utilitzar també en tractors i piconadores.
Les locomotores de vapor van ser la forma dominant de tracció en els ferrocarrils fins que a mitjan van ser reemplaçades per les locomotores dièsel i elèctriques.
Orígens i evolució miniatura|Rèplica de la locomotora Planet, creada el 1830 per Robert Stephenson que va participar en la Liverpool and Manchester Railway preservada al Museum of Science and Industry de Manchester Els primers ferrocarrils empraven cavalleries per a arrossegar carros sobre carrils. Quan es van desenvolupar les màquines de vapor, es va tractar d'aplicar-les al ferrocarril i a la carretera.Payton, Philip (2004). Oxford Dictionary of National Biography. Oxford University Press. Els primers intents van tenir lloc en Gran Bretanya; així, per exemple, Richard Trevithick i Andrew VivianNOCK, Oliver (1955). The Railway Engineers. London: B T Batsford Ltd. van construir una locomotora el 1804. Va recórrer amb relatiu èxit un tram del carril de via estreta Penydarren tramroad, construït el 1784 pels germans Homfray, a Merthyr Tydfil, Gal·les, però econòmicament no va tenir èxit. Després, li va seguir l'èxit de la locomotora de doble cilindre construïda per l'equip de Christopher BlackettMaking the Modern World a Wylam el 1811 seguida de prop per la locomotora de cremallera de Matthew MurrayNation Master Encyclopedia per als trens de cavalls de la Middleton Railway el 1812.Young, Robert (2000). Timothy Hackworth and the Locomotive. Lewes, UK: the Book Guild Ltd. Aquests primers esforços van culminar en la locomotora anomenada Rocket, de George Stephenson, el 1829, que va vindre a ser el prototip de quasi tots els desenvolupaments subsegüents de la locomotora de vapor. La Rocket va ser triada com la més apropiada pels gerents de la futura línia entre Liverpool i Manchester en el concurs celebrat a Rainhill l'octubre de 1829.The Rainhill Trials October 1829
miniatura|esquerra|Diverses composicions d'eixos i rodes miniatura|Densitat ferroviària a Europa el 1896
Una confusió habitual és considerar que la Rocket de Stephenson va ser la primera locomotora de vapor. George Stephenson, així com altres enginyers, havien construït locomotores abans, però la fama de la locomotora Rocket es deu al fet que va ser la primera locomotora moderna de vapor que va introduir diverses innovacions que després van ser emprades en quasi totes les locomotores construïdes des de llavors. Així, emprava una caldera multitubular, molt més eficaç per a transferir la calor dels gasos de la combustió a l'aigua. Les calderes anteriors consistien en una sola canonada rodejada d'aigua. També emprava una tovera d'eixida del vapor de fuga per a crear un buit parcial que estirara l'aire que alimentava el foc.The Science Museum, London
La primera línia de ferrocarril com a tal, va ser la que el 1825 feia el recorregut Stockton-DarlingtonDarlington Railway Centre and Museum a Anglaterra. D'allí va passar als EUA on es construí l'any 1830 la Baltimore and Ohio Railroad que utilitzava una locomotora anomenada Tom Thumb;Hamilton Ellis (1968). The Pictorial Encyclopedia of Railways. The Hamlyn Publishing Group, pp.24-30. a França, l'any 1832, Saint-Étienne (Loira)-Andrézieux; a Bèlgica i Alemanya (Nuremberg-Fürth), l'any 1835; a Itàlia, el 1839. I a l'Espanya peninsular, concretament a Catalunya l'any 1848, promoguda per Miquel Biada la línia Barcelona-Mataró.
Als inicis, es feia servir com a mitjà de transport per a mercaderies, minerals, etc. Més endavant s'emprà per al transport de passatgers sent el primer tren de passatgers el ferrocarril de Liverpool a Manchester, l'any 1830. Aquest ferrocarril emprava la cèlebre Rocket.
Una de les primeres característiques de disseny va ser l'ús de rodes de petit diàmetre per a arrossegar la càrrega, i l'ús de rodes gran diàmetre en els vehicles de passatgers, per a obtenir una major velocitat. Si la primera elecció va ser dictada per un desig de tindre més força, la segona va ser més aïna dictada per un desig de mantenir baix el nombre de revolucions del cigonyal, ja que el perfecte equilibri de les distintes parts d'aquest era complicat.
En la segona meitat del les màquines van passar de tenir només un eix a tenir-ne dos, per poder d'aquesta manera aconseguir major potència. Van ser els americans els que van introduir el bogi davanter de dos eixos que dona lloc al sistema de tracció 2'A també conegut com American o American Standard. És des d'aquesta plataforma, que partirà el més famós sistema de tracció: per a aconseguir més tenir més potència es va desenvolupar el sistema 1'C (Mogul), que, en els primers models d'Amèrica, es va presentar amb l'eix central de motor sense brida, per a augmentar l'ample de la caldera i es va afegir una cistella posterior o tènder, obtenint el sistema 2'A1 Atlantic, I així successivament, es van anar afegint eixos motors i bogis.
Quan a Baviera va ser construït el prototip de la S2 / 6 (150 km / hora), 2'C2', l'era de les màquines de dos eixos adaptats va començar a declinar, ja que les composicions de rodes eren massa pesants per a ells.
Les màquines de tres eixos van ser les reines de l'edat d'or de la tracció de vapor, i a Amèrica del Nord només van ser substituïdes quan van aparéixer trens ràpids amb 4 eixos motors, per damunt de totes elles la Pacific, (2 ' C1 ' ó 2-3-1). A aquest tipus d'equips pertanyen els títols dels rècords de velocitat, al grup 01 dels DRG, classe a4 de LNER que inclou la Mallard o a la Chapelon.
Paral·lelament a l'increment d'eixos, els enginyers van desenvolupar dispositius per a augmentar el rendiment termodinàmic dels motors de vapor per a reduir el consum de gas, reduir els costos i augmentar l'autonomia.
La primera innovació va ser l'adopció de la doble expansió, que es va dur a terme per diversos mètodes d'investigació per a obtenir millors resultats no sols en termes de rendiment termodinàmic i econòmic, l'equilibri constructiu de les peces mòbils i continuïtat de l'esforç de tracció. Una segona innovació va ser el vapor reescalfat que permet resultats semblants a la doble d'expansió, però permet utilitzar un mecanisme menys complex i de més fàcil manipulació. L'ús en comú d'aquestos dos mecanismes va ser molt limitat i només es va aplicar en les màquines en què era necessària la màxima eficiència. Finalment, com una última maniobra per a millorar el rendiment termodinàmic es van crear els re-escalfadors.
Lligat a l'economia de manteniment es va desenvolupar el 1844 la distribució accionament de la distribució inventat per l'enginyer belga Egide Walschaerts«Walschaerts, Egide (1820-1901)» Fitxa biogràfica a l'ocasió de la publicació d'un segell que li va ser dedicat en compte de la distribució Stephenson o qualsevol de les seues diverses versions (Gooch i Allen). Walschaerts va continuar millorant les locomotores, entre d'altres el sistema de frenatge i del diferencial.
No obstant això, cap d'aquestos mecanismes van aconseguir salvar el vapor de les locomotores: en la postguerra el lideratge de vapor aviat es veurà soscavat per les línies electrificades d'una banda, i per l'arribada dels vehicles dièsel, d'un altre, la tecnologia dels quals està madura i consolidada per 5 anys de guerra en el mar.
Funcionament i forma bàsica miniatura|Màquina de vapor situada en el vestíbul de l'Escola Tècnica Superior d'Enginyers Industrials de la UPM (Madrid). miniatura|Lignit miniatura|Secció d'una caldera i llar típiques (La imatge està per traduir i no està a escala.) La locomotora de vapor obté l'energia per al seu funcionament, a partir de la combustió d'un combustible.
Si bé el principal combustible és el carbó (lignit o antracita), també eren molt populars la fusta i l'oli mineral. En general, l'elecció del combustible es va fer sobre la base de criteris econòmics, per la qual cosa va ser molt utilitzada la fusta en zones rurals i en empreses fusteres, l'oli mineral es va utilitzar quan es va revelar que era més barat d'obtenir que el carbó.
En moltes locomotores entre les més recents de disseny, el carbó s'introdueix en la caldera a través d'un dispositiu mecànic anomenat Stoker.
El bagàs que queda després d'extraure el suc de la canya de sucre es va emprar en les empreses dedicades al cultiu i obtenció del sucre de canya. Quan el petroli va començar a utilitzar-se de forma habitual, es va emprar el fueloil en les locomotores d'algunes zones. En situacions particulars s'han utilitzat diferents combustibles. L'escassetat de carbó a Baviera va portar a experimentar amb la torba, a Itàlia es va experimentar amb metà i en Pennsilvània, i, en general, en l'oest dels Estats Units, la gran disponibilitat d'antracita no comercialitzables per a ús urbà ha generat locomotores equipades per a utilitzar aquest tipus de carbó.
Inclús durant la Segona Guerra Mundial, Suïssa va experimentar la substitució de combustible sòlid amb l'explotació de l'efecte Joule per a aconseguir portar l'aigua a ebullició.
Per a tenir una eficient combustió és necessari que el combustible estigui constantment en contacte amb l'aire ric en oxigen. L'aire per a la combustió entra a través de les portes de la caldera la qual cosa es veu afavorida quan la locomotora es troba en moviment, ja que el vapor de fuga del cilindre del motor, genera una depressió que aspira a l'aire cap a la sala de fums.
La locomotora de vapor típica empra una caldera horitzontal cilíndrica amb les seues parets i sostre constantment rodejats d'aigua, amb el fogó a la part posterior, i en part dins de la cabina que protegix als operaris de les inclemències meteorològiques. La llar és el lloc on es crema el combustible. Està format per quatre parets laterals i un sostre a què es denomina cel. En la base es troba la graella o cremador, sobre el qual es diposita el combustible, i davall la graella, una caixa per a arreplegar les cendres o cendrer i la boca per la qual entra l'aire per a la combustió. Els fums de la llar eixen per una sèrie de tubs situats longitudinalment dins de la caldera i rodejats d'aigua, a la que transmeten la calor. El conjunt de tubs es denomina feix tubular, i alguns de major diàmetre contenen en el seu interior altres més fins pels que discorre vapor per a ser recalfat i augmentar així la potència de la locomotora. En la part frontal de la caldera es troba la caixa de fums, on pararà el fum darrere d'haver passat pels tubs del feix, abans d'eixir per la xemeneia, que sobreïx en la part superior. El vapor s'arreplega en la part més alta de la caldera, bé siga a través d'un tub perforat, situat per damunt del nivell de l'aigua, o bé en una cúpula (cúpula en la part superior). El vapor surt de la caldera a través d'una vàlvula reguladora, coneguda també com a "regulador".
El vapor generat s'emmagatzema en l'espai de vapor per sobre de l'aigua a la caldera. La seva pressió de treball està limitada per la molla de les vàlvules de seguretat. El vapor és recol·lectat, a continuació, ja sigui per un tub perforat instal·lat sobre el nivell d'aigua o d'una cúpula, que sovint acull la vàlvula reguladora, o de l'accelerador, que té per objecte controlar la quantitat de vapor de sortida de la caldera.