Mesin uap adalah suatu sistem untuk menghasilkan pekerjaan mekanis dengan mengorbankan energi panas. Bahkan jika mesin uap saat ini, jauh lebih baik, cukup rumit, skema dasarnya selalu sama: sumber panas mendidih sejumlah air yang menghasilkan uap yang, mengembang, menekan dinding wadah yang dimasukkan menggerakkan piston. Digunakan setidaknya selama dua abad sebagai dasar untuk pembangunan mesin industri, untuk perjalanan lokomotif, kapal dan bahkan mobil dan truk, mesin uap, dalam versi turbin, masih menemukan penggunaan penting dalam produksi energi di pembangkit listrik tenaga nuklir atau di kapal militer besar
Dari Panas Hingga Bekerja
Mesin uap mengubah energi termal uap menjadi pekerjaan mekanis. Secara skematis kita dapat mengatakan bahwa mesin ini terdiri dari sebuah wadah, ketel, di dalamnya, berkat aksi sumber panas, air dipanaskan hingga suhu mendekati titik didih. Dengan cara ini uap diperoleh, yang cenderung mengembang ke seluruh ketel, atau dalam wadah kedua ke mana ketel dituang, memberikan tekanan pada dinding yang semakin besar semakin tinggi konsentrasi uap itu sendiri.
Uap dapat dialirkan, dengan teknik yang sangat berbeda, ke piston atau turbin, yang digerakkan oleh tekanan yang diterimanya, menghasilkan kerja mekanis. Jelas skema ini sangat disederhanakan, tetapi memberikan gambaran yang baik tentang bagaimana mesin semacam ini bekerja. Selama tiga abad terakhir, berbagai jenis telah dibangun, dengan tujuan meningkatkan di atas semua efisiensinya, yaitu jumlah energi panas yang benar-benar diubah menjadi pekerjaan mekanis, yang pada mesin ini sangat rendah, terutama pada mesin dengan piston
Salah satu keuntungan dari mesin uap adalah dapat menggunakan bahan bakar atau sumber panas apapun. Mesin yang beroperasi dengan batu bara, kayu, solar dan bahan bakar lain yang berbeda telah dikembangkan. Mesin-mesin ini menjalankan pompa hidrolik, memberikan tenaga ke mesin, terutama di industri manufaktur, telah membuat atau membuat kapal berbaris dan, tentu saja, kereta api, yang telah mewakili aplikasi praktis terbesar dari mesin ini. Mesin uap mungkin merupakan elemen fundamental dalam revolusi industri pertama.
Mesin Uap Pertama
Contoh mesin uap pertama yang diketahui adalah eolipile, ditemukan dan dikembangkan oleh Hero of Alexandria, yang hidup pada abad ke-1 Masehi. Mesin Heron sangat sederhana: terdiri dari sebuah wadah – biasanya sebuah bola – yang digantung dari penyangga dan oleh karena itu bebas berputar setidaknya dalam satu arah. Dua pipa melengkung seperti cabang pipa keluar dari bola ke arah berlawanan. Bola tersebut berisi air yang dipanaskan hingga mendidih.
Uap yang terbentuk di dalam bola dapat keluar dari dua pipa tersebut dan, dengan cara ini, memberikan gaya yang membuat bola bergerak sesuai dengan prinsip dinamika aksi dan reaksi. Mesin Heron mungkin sebuah keingintahuan, hampir seperti permainan, dan dalam beberapa hal fakta bahwa ia tidak memiliki pengikut dapat dilihat sebagai semacam ‘kesempatan yang terbuang’ untuk kemajuan. Apa yang tidak dimiliki prototipe kuno ini sebenarnya adalah aspek esensial, aspek ‘utilitarian’: gerakan rotasi bola, yang dihasilkan oleh uap, tidak digunakan untuk menghasilkan pekerjaan mekanis. Selama berabad-abad, tidak ada hal semacam itu yang ditemukan dalam sejarah penemuan dan kami membutuhkan waktu hingga 1690 untuk menemukan mesin uap, yang dikembangkan oleh fisikawan Prancis, Denis Papin.
Mesin Papin sangat sederhana dan tidak terlalu bertenaga, tetapi berfungsi sempurna, sedemikian rupa sehingga ditemukan juga beberapa aplikasi untuk konstruksi pompa air. Itu dibangun sesuai dengan skema yang benar-benar penting. Sebuah silinder logam yang berisi piston berfungsi sebagai ketel di mana air yang mengisi bagian bawah dididihkan berkat sumber panas yang terletak di bawah. Uap, saat berkembang, menekan piston, yang mulai naik ke atas.
Ketika piston telah mencapai jarak maksimum yang diizinkan, sumber panas akan dibuang. Dengan cara ini suhu air menurun dan uap mengembun sementara piston, yang tidak lagi didukung oleh tekanan yang diberikan oleh uap itu sendiri, turun ke arah dasar ketel. Seperti yang Anda pahami, pengoperasiannya agak melelahkan, lambat dan tidak efisien, namun mesin uap Papin adalah yang pertama yang benar-benar berfungsi dan menemukan aplikasi praktis.
Mesin uap James Watt
Kemajuan terpenting di bidang mesin uap adalah karena James Watt, seorang ilmuwan Skotlandia yang bekerja antara akhir abad ke-18 dan awal abad ke-19. Watt dimulai dengan meningkatkan mesin yang dibangun pada awal abad ke-18 oleh penemu Inggris lainnya, Thomas Newcomen, yang juga disebut mesin atmosfer. Mesin uap ini terdiri dari bejana silinder di mana piston dimasukkan, yang pada gilirannya dilengkapi dengan beban penyeimbang eksternal. Uap diproduksi secara eksternal ke silinder dan diinjeksikan ke dalamnya dari dasar silinder itu sendiri: dengan cara ini ia membuat piston naik seiring dengan bertambahnya jumlah uap, dan oleh karena itu tekanannya meningkat. Setelah di akhir langkah, piston membuka katup yang memungkinkan semburan air masuk ke silinder itu sendiri, mendinginkannya.
Penurunan suhu yang tiba-tiba menyebabkan steam mengembun, sehingga menurunkan tekanan dengan konsekuensi menurunkan piston. Hal baru yang menarik dari mesin ini, meskipun tidak terlalu efisien, didasari oleh fakta bahwa lengan yang menghubungkan piston ke penyeimbang terus berlanjut dan juga bertindak sebagai tuas, yang secara bergantian dinaikkan dan diturunkan. Keistimewaan ini membuatnya sangat berguna untuk mengembangkan pompa hidrolik yang akan digunakan di galeri tambang untuk mengalirkannya dari air yang mengalir ke dalam dari retakan di bebatuan.
Watt mengembangkan serangkaian modifikasi pada mesin Newcomen yang mengarah pada penciptaan apa yang dapat dianggap sebagai mesin uap modern pertama yang sesungguhnya. Yang pertama mengarah ke mesin yang dilengkapi dengan ruang kondensasi uap terpisah, yang melaluinya dimungkinkan untuk mengurangi kehilangan uap yang terjadi dalam pergantian pemanasan dan pendinginan silinder tunggal mesin Newcomen yang terus menerus. Selanjutnya, dengan diperkenalkannya ruang kedua, diperoleh hasil bahwa tekanan uap sendirilah yang melakukan tugas tersebut, dan bukan tekanan atmosfer yang bertanggung jawab untuk menurunkan silinder di mesin Newcomen.
Modifikasi yang diperkenalkan oleh Watt ini penting, namun inovasi utama mesinnya didasari oleh peningkatan khusus yang mungkin saat ini tampak sepele bagi kita. Bahkan, ia mampu menciptakan mekanisme sederhana yang mengubah gerakan piston, lurus dari bawah ke atas dan sebaliknya, menjadi gerakan melingkar yang berkelanjutan, berkat roda gila dan mekanisme batang penghubung yang mirip dengan mesin uap paling modern. Akhirnya, dia sangat meningkatkan efisiensi mesin uap dengan memasukkan katup kedua yang memungkinkan uap dimasukkan ke dalam silinder baik dari bawah, selama gerakan ke atas piston, dan dari atas, ketika piston telah mencapai maksimumnya. menjalankannya, untuk memfasilitasi kembalinya ke ruangan.
