Первую универсальную паровую машину запатентовал в 1784 г. английский изобретатель Дж. Уатт. С небольшими усовершенствованиями она более ста лет оставалась единственным промышленным двигателем: приводила в движение станки и паровозы, пароходы и даже первые автомобили. Познакомимся с ее устройством.
Основная часть машины — чугунный цилиндр, в котором ходит поршень. Рядом с цилиндром расположен парораспределительный механизм — золотниковая коробка, сообщающаяся с паровым котлом. Кроме котла коробка соединена еще с конденсатором (в первых паровых машинах и паровозах чаще всего просто через дымовую трубу — с атмосферой) и с цилиндром посредством двух окон. В коробке находится золотник — стержень с двумя клапанами, своеобразный переключатель, ведающий попеременной подачей пара то с одной, то с другой стороны поршня. Действует переключатель так. Когда поршень движется, например, направо, левая часть цилиндра посредством золотника через окно сообщается с паровым котлом, а правая — через другое окно — с атмосферой. Пар высокого давления подается в цилиндр слева, где он расширяется и совершает работу — толкает поршень. Отработанный пар из правой части уходит в атмосферу. Затем, когда поршень движется налево, пар высокого давления входит в правую часть цилиндра, а отработанный пар из левой части уходит в атмосферу. Таким образом создается разность давлений в правой и левой частях, которая и приводит поршень в движение.
Пар подается не в течение всего хода поршня, а только в начале его. После этого благодаря особой форме золотника пар отсекается (перестает подаваться в цилиндр), и механическая работа производится далее расширяющимся и охлаждающимся паром. Отсечка пара дает большую экономию энергии.
Выпускать отработанный пар в атмосферу невыгодно, ведь он содержит в себе много тепловой энергии. Для повышения КПД машины еще Дж. Уатт применил специальное устройство — конденсатор, охлаждаемый водой сосуд, в котором пар конденсировался, т. е. превращался в воду. При этом давление в конденсаторе падало ниже атмосферного, что значительно увеличивало разность давлений, действующих на поршень. Вода из конденсатора направлялась обратно в котел, а это позволяло создать замкнутую систему.
Благодаря различным усовершенствованиям к началу XX в. были построены паровые машины мощностью 15 МВт, развивавшие до 1000 об/мин. При этом КПД таких машин удалось поднять более чем в 60 раз по сравнению с машиной Уатта. Но все равно он не превысил 20%. Громоздкие, тяжелые и неэкономичные паровые машины в наше время полностью вытеснены паровыми турбинами и двигателями внутреннего сгорания.
Но, как сказано выше, будучи первым и до конца XIX в. единственным универсальным двигателем, паровая машина сыграла исключительную роль в прогрессе мировой промышленности и транспорта (см. Научно-технический прогресс).