Động cơ hơi nước: Khởi nguồn cách mạng công nghiệp

Đầu thế kỷ thứ nhất sau Công nguyên, Hero xứ Alexandria – một nhà phát minh người Hy Lạp – đã thiết kế tuabin hơi nước đầu tiên trên thế giới gọi là aeolipile. Thiết bị này bao gồm một quả cầu rỗng có thể quay quanh một trục nằm ngang. Hơi nước hình thành bằng cách đun sôi nồi nước sẽ đi vào quả cầu phía trên thông qua hai ống dẫn khác nhau. Hơi nước thoát ra ngoài hai vòi phun đặt đối diện trên quả cầu, tạo ra momen lực giúp quả cầu xoay tròn.

Mặc dù thiết bị aeolipile của Hero không được ông ứng dụng để chế tạo máy móc nhằm tăng tốc độ sản xuất, tuy nhiên nó vẫn là thiết bị đầu tiên được biết đến có khả năng biến hơi nước thành chuyển động quay. Phải đến thế kỷ 17, các nhà khoa học mới tìm cách khai thác nguyên lý hoạt động của aeolipile để ứng dụng vào thực tiễn.

Các động cơ hơi nước đầu tiên được phát triển để giải quyết một vấn đề rất cụ thể: làm thế nào để loại bỏ nước ra khỏi các mỏ khoáng sản bị ngập lụt. Khi những người châu Âu sống trong thế kỷ 17 chuyển đổi việc sử dụng nguồn nhiên liệu chính từ gỗ sang than, các mỏ bị đào sâu thêm nên nước ngầm thường tràn vào hoặc đôi khi ngập úng do nước mưa. Để có thể tiếp tục khai thác than người ta phải tìm ra biện pháp bơm nước ra khỏi hầm.

Người đầu tiên giải quyết vấn đề này là Jerónimo de Ayanz, một nhà quản lý khai thác mỏ người Tây Ban Nha. Năm 1606, ông đã đăng ký bằng sáng chế đầu tiên cho một cỗ máy sử dụng năng lượng hơi để hút nước ra khỏi các mỏ. Ông đã thử nghiệm thành công thiết bị của mình tại một mỏ bạc ở Guadalcanal, Seville.

Năm 1698, Thomas Savery, nhà phát minh người Anh, đã sáng chế động cơ hơi nước đầu tiên. Savery sử dụng các nguyên lý trước đó được đề xuất bởi Denis Papin, một nhà vật lý người Anh gốc Pháp. Savery nghĩ ra một hệ thống bơm nước gần như liên tục nhờ sử dụng hai nồi hơi. Nhưng bất chấp sự thành công ban đầu của hệ thống Savery, người ta sớm phát hiện ra rằng động cơ của ông chỉ có khả năng hút nước ở các mỏ có độ sâu nông. Đây là vấn đề cần khắc phục.

May mắn cho các chủ sở hữu hầm mỏ ở châu Âu, nhà khoa học người Anh Thomas Newcomen đã phát triển một thiết bị tốt hơn để bơm nước ra khỏi các mỏ vào năm 1711. Thiết bị của ông sử dụng động cơ hơi nước chứa cả xilanh và piston, giúp loại bỏ sự cần thiết của áp suất hơi tích lũy – một điểm hạn chế trong hệ thống của Savery dẫn đến nhiều vụ nổ đáng tiếc. Thiết bị của Newcomen được gọi là “động cơ khí quyển”, bởi vì mức áp suất hơi mà nó sử dụng gần bằng áp suất khí quyển. Mặc dù đã có nhiều cải tiến, nhưng động cơ khí quyển của Newcomen vẫn bộc lộ một số hạn chế. Máy hoạt động rất kém hiệu quả, đòi hỏi một dòng nước lạnh chảy liên tục để làm mát xilanh cũng như cần một nguồn năng lượng để làm nóng xilanh trở lại. Bất kể nhược điểm lớn này, động cơ của Newcomen vẫn được sử dụng rộng rãi trong 50 năm sau đó.

Đến năm 1765, James Watt, một kỹ sư người Scotland, đã tìm cách cải tiến động cơ Newcomen. Watt nhận thấy loại động cơ này sư dụng một lượng hơi nước quá lớn. Để khắc phục điều này, cần phải loại bỏ việc làm mát và hâm nóng liên tục xi lanh hơi. Cuối cùng, Watt đã phát triển một bình ngưng tụ riêng biệt cho phép xi lanh hơi duy trì ở nhiệt độ không đổi, làm tăng gấp đôi công suất của động cơ Newcomen.

Năm 1776, Watt đã hợp tác với Matthew Boulton, một doanh nhân người Anh, để sản xuất hàng loạt động cơ mới của mình với tên gọi là “động cơ hơi nước Boulton-Watt”. Động cơ Boulton-Watt cũng là loại động cơ đầu tiên cho phép người vận hành máy điều khiển tốc độ của thiết bị bằng bộ điều tốc ly tâm (centrifugal governor).

Những cải tiến của Watt đối với động cơ hơi nước, kết hợp với tầm nhìn của Boulton đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng rộng rãi máy móc vào các dây chuyền sản xuất trên khắp nước Anh, sau đó là Mỹ và toàn thế giới. Ứng dụng của máy hơi nước nhanh chóng vượt ra ngoài phạm vi khai thác mỏ, chuyển sang các lĩnh vực công nghiệp khác từ gia công kim loại cho đến dệt may, nơi nó được điều chỉnh để phù hợp với guồng quay tơ phổ biến ở các nhà máy dệt châu Âu. Đây là tiền đề quan trọng cho cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ nhất.

Trước khi có động cơ hơi nước, các nhà máy dựa vào năng lượng gió hoặc dòng chảy của nước để vận hành đã bị giới hạn tại một số khu vực địa lý nhất định. Động cơ hơi nước ra đời giúp các nhà máy sản xuất có thể được xây dựng ở bất kỳ đâu, không chỉ dọc theo các dòng sông chảy xiết.

Ngoài việc dùng làm nguồn cung cấp năng lượng cho các công xưởng, máy hơi nước còn được ứng dụng trong lĩnh vực giao thông vận tải. Đầu những năm 1800, động cơ hơi nước trở nên nhỏ gọn, đủ để lắp ráp vào đầu máy xe lửa và tàu thuyền.

Ngày 19/8/1807, nhà phát minh người Mỹ Fulton đã thiết kế một chiếc tàu chở khách chạy bằng máy hơi nước và thử nghiệm thành công trên sông Hudson, mở ra những chuyến đi bằng tàu định kỳ từ New York đến Anbani.

Năm 1814, kỹ sư người Anh George Stephenson chế tạo thành công xe lửa chạy bằng máy hơi nước. Lần đầu tiên trong lịch sử, hàng hóa được vận chuyển trên đất liền bằng một phương tiện khác, không phải là cơ bắp của con người hay động vật.