direita|commoldura|Animação esquemática do motor a vapor de Newcomen.- O vapor é mostrado em rosa e a água em azul.- Válvulas abertas em verde e fechadas em vermelho O Motor a vapor de Newcomem foi inventado por Thomas Newcomen em 1712, muitas vezes chamado como Máquina atmosférica Newcomen. O motor é operado pelo vapor de condensação introduzido no cilindro, criando assim um vácuo parcial, permitindo assim que a pressão atmosférica empurre o pistão para dentro do cilindro. Foi o primeiro dispositivo prático a aproveitar o vapor para produzir trabalho mecânico. Os motores Newcomen foram usados em toda a Grã-Bretanha e Europa, principalmente para bombear água para fora das minas. Centenas foram construídas ao longo do século XVIII.
O design do motor posterior de James Watt foi uma versão melhorada do motor Newcomen que quase dobrou a eficiência de combustível. Muitos motores a vapor foram convertidos para o design Watt, por um preço baseado em uma fração das economias de combustível. Como resultado, o Watt é hoje mais conhecido do que Newcomen em relação à origem da máquina a vapor.
Precursores Antes do Newcomen, havia vários pequenos dispositivos de vapor de vários tipos, mas a maioria deles eram essencialmente novidades. Cerca de 1600, vários experimentadores utilizavam vapor para alimentar pequenas fontes funcionando como um coador de café. Primeiro, um recipiente era preenchido com água através de um tubo, que se estendia pelo topo do recipiente até quase o fundo. A parte inferior do tubo seria submersa na água, tornando o recipiente hermeticamente. O recipiente foi então aquecido para fazer ferver a água. O vapor gerado pressurizou o recipiente, mas o tubo interno, imerso no fundo por líquido, e sem vedação hermética na parte superior, permaneceu a uma pressão menor; O vapor de expansão forçou a água no fundo do recipiente para dentro e para cima do tubo para sair de um bico direcionador no topo. Estes dispositivos tiveram eficácia limitada, mas ilustraram a viabilidade do princípio.
Em 1662, Edward Somerset, segundo Marqués de Worcester, publicou um livro contendo várias ideias sobre as quais ele estava trabalhando. Um foi para um vapor alimentado por bomba para abastecimento de água para fontes; O dispositivo usava alternadamente um vácuo parcial de pressão de vapor. Dois contêineres foram alternadamente preenchidos com vapor que, ao pulverizar água fria, fazia o vapor condensar; Produziu-se um vácuo parcial que tirava a água através de uma tubulação, a partir de um poço para o recipiente. Uma nova carga de vapor sob pressão, em seguida, levava a água do recipiente até outro pelo tubo para um nível superior de destino antes que do vapor condensar e repetir o ciclo. Ao trabalhar com os dois recipientes alternadamente, a taxa de entrega para o tanque de destino poderia ser aumentada.
"Amigo do Mineiro" de Savery esquerda|miniaturadaimagem|Máquina a vapor de Savery Em 1698, Thomas Savery patenteou uma bomba a vapor que ele chamou de "Amigo do Mineiro", essencialmente idêntico ao design da Somerset e quase certamente uma cópia direta. O processo de resfriamento e criação de vácuo foi bastante lento, então Savery adicionou mais um spray de água fria externo para esfriar rapidamente o vapor.
A invenção de Savery não pode ser estritamente considerada como o primeiro "motor" de vapor, uma vez que não apresentava peças móveis e não podia transmitir sua energia a qualquer dispositivo externo. Havia, evidentemente, grandes esperanças para o Mineiro, o que levou o Parlamento a prolongar a vida da patente até 21 anos, de modo que a patente de 1699 não expira até 1733. Infelizmente, o dispositivo de Savery mostrou-se muito menos bem sucedido do que se esperava.
Um problema teórico com o dispositivo de Savery decorreu do fato de que um vácuo só poderia elevar a água a uma altura máxima de cerca de 30 pés (9 m), para isso poderia ser adicionado mais 40 pés (12 m), ou então, aumentado pela pressão do vapor . Isso era insuficiente para bombear água de uma mina. No folheto da Savery, ele sugere colocar a caldeira e os recipientes em uma borda no mina e até uma série de duas ou mais bombas para níveis mais profundos. Obviamente, estas eram soluções inconvenientes e algum tipo de bomba mecânica trabalhando ao nível da superfície - uma que levantasse a água diretamente em vez de "sugá-la" - era desejável. Tais bombas já eram comuns, alimentadas por cavalos, mas exigiam uma unidade de retorno vertical que o sistema Savery não forneceu. O problema mais prático era ter uma caldeira operando sob pressão, conforme demonstrado quando a caldeira de um motor em Wednesbury explodiu, talvez em 1705.
Cilindro experimental e pistão de vapor de Denis Papin Louis Figuier em seu monumental trabalhoFiguer, Louis "Merveilles de la science" Furne Jouvet et Cie, Paris 1868. dá uma citação completa do artigo de Denis Papin, publicado em 1690 em Acta eruditorum, em Leipzig, intitulado "Nova metodologia para obtenção de forças consideráveis". Parece que a ideia veio a Papin enquanto trabalhava com Robert Boyle na Royal Society em Londres. Papin descreveu primeiro derramando uma pequena quantidade de água no fundo de um cilindro vertical, inserindo um pistão em uma haste e depois de primeiro evacuar o ar abaixo do pistão, colocando um fogo abaixo do cilindro para ferver a água e criando pressão de vapor suficiente para levantar o pistão para a extremidade superior do cilindro. O pistão foi então bloqueado temporariamente na posição superior por um prendedor de mola engatando um entalhe na haste. O fogo foi então removido, permitindo que o cilindro esfriasse, o qual condensava o vapor de volta à água, criando assim um vácuo sob o pistão. Quando a extremidade da haste do pistão estava presa, um cabo passava sobre duas polias e um peso pendia da extremidade do cabo. Ao soltar a captura, o pistão foi cortado bruscamente até o fundo do cilindro pelo diferencial de pressão entre a atmosfera e o vácuo criado; Foi gerada força suficiente para elevar um peso de 60 lb (27 kg). Embora o motor certamente tenha funcionado até onde funcionou, ele foi concebido apenas para demonstrar o princípio e ter chegado até agora, Papin nunca o desenvolveu no futuro, embora em seu artigo tenha escrito sobre o potencial de embarcações movidas por "lâminas". Em vez disso, ele se deixou distrair para desenvolver uma variante do motor Savery.
Introdução e propagação O Newcomen levou adiante o experimento de Papin e tornou-o viável, embora pouca informação exista quanto à forma como isso ocorreu. O principal problema a que Papin não deu nenhuma solução foi como fazer a ação repetitiva em intervalos regulares. O caminho a seguir era fornecer, como Savery tinha, uma caldeira capaz de assegurar a continuidade do fornecimento de vapor ao cilindro, proporcionando o curso de energia do vácuo condensando o vapor e descartando a água uma vez que havia sido condensada. O pistão de força foi pendurado por correntes no final de um balancim. Ao contrário do dispositivo de Savery, o bombeamento era totalmente mecânico, sendo o trabalho da máquina a vapor era levantar uma haste ponderada pendurada na extremidade oposta do feixe de balanço. A vara descia o eixo da mina por gravidade e dirigia uma bomba de força, ou bomba de pólo (ou, na maioria das vezes, uma gangue de dois) dentro da mina. O curso de sucção da bomba era apenas para o comprimento do curso ascendente (inicialização), portanto, não havia mais a restrição de 30 pés de uma bomba de vácuo e a água poderia ser forçada a uma coluna de profundidades muito maiores. A caldeira forneceu o vapor a uma pressão extremamente baixa e foi inicialmente localizada imediatamente abaixo do cilindro de potência, mas também poderia ser colocada atrás de uma parede de separação com um tubo de vapor de conexão. Fazer todo esse trabalho precisava da habilidade de um engenheiro prático; O comércio da Newcomen como "ferreiro" ou comerciante de metais teria dado-lhe um conhecimento prático significativo de quais materiais seriam adequados para esse motor e o levaram a ter contato com pessoas com conhecimento ainda mais detalhado.
É possível que o primeiro motor do Newcomen estivesse na Cornwall. Sua localização é incerta, mas é sabido que um estava em operação na mina de Wheal Vor em 1715. Os primeiros exemplos para os quais existem registros confiáveis foram dois motores no Black Country, dos quais o mais famoso foi erguido em 1712 no Conygree Coalworks perto de Dudley,J. H. Andrew and J. S. Allen, 'A confirmation of the location of the 1712 "Dudley Castle" Newcomen engine at Coneygree, Tipton' International Journal for the history of Engineering and Technology 72(2) (2009), 174–182. Isso geralmente é aceito como o primeiro motor e Newcomen de sucesso, mas pode ter sido precedido por um construído a uma milha e meia a leste de Wolverhampton.Suhail Rana, 'New evidence supporting Wolverhampton as the location of the first working Newcomen engine' International Journal for the history of Engineering and Technology 72(2) (2009), 162–173. Ambos foram usados por Newcomen e seu parceiro, John Calley, para bombear minas de carvão inundadas com água. Uma réplica de trabalho pode ser vista nas proximidades do Museu de Black Country, que fica em outra parte do que era o Conygree Park de Lord Dudley.
Logo as ordens de minas inundadas em toda a Inglaterra estavam chegando, e alguns sugeriram que a palavra de sua conquista fosse espalhada por suas conexões na Igreja Batista. Uma vez que a patente de Savery ainda não havia acabado, Newcomen foi forçado a chegar a acordo com a Savery e a operar sob a patente deste último, Já que seu termo era muito mais longo do que qualquer Newcomen poderia ter obtido facilmente. Durante os últimos anos de sua circulação, a patente pertencia a uma empresa não incorporada, Os Proprietários da Invenção para levantar água pelo fogo.
Embora o seu primeiro uso tenha sido em áreas de mineração de carvão, o motor de Newcomen também foi usado para bombear água para fora das minas de metal em seu país nativo, como as minas de estanho de Cornwall. Antes da sua morte, Newcomen e outros instalaram mais de uma centena de seus motores, não só no West Country e nos Midlands, mas também no norte do País de Gales, perto de Newcastle e Cumbria. Pequenos números foram construídos em outros países europeus, inclusive na França, Bélgica, Espanha e Hungria, também em Dannemora, na Suécia. A evidência do uso de um motor de vapor Newcomen associado a minas de carvão precoce foi encontrada em 2010 em Midlothian, VA (site de algumas das primeiras minas de carvão nos EUA). (Pesquisa de Dutton and Associates com data de 24 de novembro de 2009). direita|miniaturadaimagem|Diagrama do motor a vapor de Newcomen
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