Buharın sahip olduğu ısı enerjisini kullanarak mekanik enerji elde etmeye yarayan makineye buhar makinesi denilir. Buhar makineleri, lokomotifler, buharlı gemiler, pompalar, buharlı traktörler ve endüstriyel devreler olabilir. Buharlı makinenin icadının tarihte önemli bir yere sahip olmasının nedeni, endüstriyi geliştirmesi ve bu yolla Avrupa’da Sanayi Devrimin’in yaşanmasıdır.
Buhar makinesi, ısı enerjisini mekanik enerjiye dönüştürür. Düzeneğin altında buhar üretmek için suyu kaynatacak bir kazan bulunur. Herhangi bir ısı kaynağı kullanılabilir, fakat genelde odun, kömür veya petrol türevi yakıtların yakılmasından elde edilen ateş kullanılır. Buharı meydana getiren moleküller, taşıdıkları ısı enerjisi dolayısıyla sürekli hareket halindedirler. Bu hareket nedeniyle bulundukları kabın çeperlerine kuvvetli bir basınç uygularlar. Bu da mekanik olarak bir itme kuvveti oluşturur. Silindir içindeki pistonun, buharın itme kuvvetiyle hareket etmesinden mekanik enerji elde edilir.
Bilinen ilk buhar makinesi, İskenderiye’de Yunanlı mühendis Hero’nun M.S. 50 yıllarına doğru, uçları birbirlerine göre zıt yönleri gösteren iki eğik tüpün yerleştirildiği oyuk bir küreden yaptığı türbindir. Kürede su kaynatıldığında buhar borulardan dışarı çıkmakta, bu da etki tepki kanunu sonucunda kürenin dönmesine yol açmakta idi. Ne var ki Hero’nun bu icadı toplumda önemli bir etki meydana getirmemiş, pek önemsenmemiştir.
İlk buharlı makineler
Modern çağda, mekanik olarak buharın enerjisinden faydalanmayı ilk olarak Fransız mühendis Salamon de Caus düşünmüştür. 1 663’lerde Worçester Markisi’nin yaptığı buhar çeşmesi denen makine, Salomon de Çaus’un düşüncesinden hareketle yapılmıştır. Bu sayede buhar basıncından faydalanılarak suyun yükseklere çıkarılabilmesi sağlanmıştır.
Bir pistonun silindir içinde hareketini sağlayacak şekilde buhar basıncından faydalanma fikri ise, 1 679’larda Fransız Denis Papin tarafından hayata geçirildi. Yüksek ısıda etin daha çabuk piştiğini gözlemleyen Papin, içinde suyun kaynadığı ve biriken buharın suyun kaynama noktasını yükselttiği, sıkıca kapanan bir kapağı olan düdüklü tencereyi icat etti. Papin, tencereye buhar basıncının çok yükselmesine karşın bir de güvenlik vanası eklemişti.
1698 yılında İngiliz mühendis Thomas Savery madendeki suyu dışarı atmada kullanılan, buharla çalışan bir tulumba yaptı. Tulumba yüksek basınçla çalıştığından o günün teknolojisine göre bu tip bir buharı güvenli biçimde kullanmak mümkün değildi. Ayrıca yeterli buharı oluşturmak için gereken yüksek ısıyı elde etmek için çok fazla yakıt kullanılıyordu. Bu tip makinelerin öncülü olan Savery’nin makinesi verimsiz olduğundan fazla kullanılmadı, fakat kendinden sonra gelen makineler için temel oldu.
Bu kez 1712 yılında İngiliz mühendis Thomas Newcomen yeni bir tür buhar makinesi geliştirdi. Onun makinesi pistonu itmek için sıradan alçak basınçlı buharı kullanıyordu. Böylece pistonların yüksek basınçlı buhar kullanıldığında olduğu gibi sıkıca oturtulmasına gerek kalmıyordu. Bu sistem, güvenlik açısından da daha kullanışlıydı. Ancak yine de makine istenilen verime ulaşamamış ve yakıt tüketimi azaltılamamıştı.
Bozulan Newcomen makinelerinden biri onarılması için 1764 yılında İskoçyalı mühendis James Watt’a verildi. Makineyi onaran Watt aynı zamanda randımanı düşük olan bu makineyi geliştirmek de istedi. Arkadaşı İskoç kimyacı Joseph Black’tan gizil ısıyı öğrenmiş olan Watt, aynı odayı sürekli ısıtıp soğutmanın ne kadar israflı bir şey olduğunu anladı ve aklına iki oda yapma fikri geldi. Biri sürekli sıcak, diğeri de sürekli soğuk tutulacaktı. Buhar üretilirken sıcak odada bulunacaktı ve su haline getirilmesi gerektiğinde sübaplar sistemiyle soğuk odaya alınacaktı. Watt 1781 yılına gelindiğinde makinesini iyice geliştirmiş ve pistonun ileri geri hareketini ustalıkla bir tekerleğin dönme hareketine çeviren mekanik aletleri de icat etmişti. 1884 yılında ise İngiliz mühendis Charles Algernon Parsons ilk başarılı buhar türbinini yapmıştır. Bu sayede yüksek hızlı gemi yapımı kolaylaşmıştır.
1787 yılına kadar buharlı motorlar sadece su pompalarını ve tekstil makinelerini çalıştırmak için kullanıldı. 22 Ağustos 1787 yılında ise Amerikalı mucit John Fitch ilk buharlı vapuru Delaware Nehri’ne indirdi. Bu vapurla bir süre Philadelphia-Trenton arasında düzenli vapur seferleri yapıldı, fakat Fitch ticari anlamda başarı kazanamadı. 1807 yılına gelindiğinde ise bu kez bir başka Amerikalı mucit, Robert Fulton, Clermont adını verdiği saatte 8 km hızla giden kırk metre uzunluğundaki vapurları Hudson Nehri’nde işletmeye başladı. Bu sefer Fitch’in ticari başarısızlığının aksine Fulton’un vapurları kar getirmişti. Bu nedenle Fulton buharlı vapurların mucidi olarak kabul edilir. Okyanusa açılan ilk buharlı vapur ise 1809 yılında Moses Rogers komutası altındaki Phoenix’ti. 1811 yılında Mississippi Nehri üzerinde işleyen ilk buharlı gemi New Orleans faaliyete geçti. 1827 yılında türbinlerin ve gemi pervanesinin keşfedilmesi sonucu, pervanenin yan çarktan daha etkili olduğu anlaşıldı ve gemi teknolojisi hızla gelişti.
Buhar makinelerinin lokomotiflere uygulanması 1804 yılında Richard Trevithick tarafından gerçekleştirildi. Trevithick, bir vagonun şasesi üzerine sabit bir buhar motoru yerleştirdi ve bu vagonu özel olarak inşa ettirdiği raylarda hareket ettirdi. Ancak bu lokomotif ticari bir kazanç getirmemiştir.
Günümüzde buhar makineleri artık yerini dizel motorlarına, patlamalı motorlara ve elektrik motorlarına bırakmıştır. Fakat termik santrallarda elektrik üretiminde kullanılan buhar türbinleri modern bir buhar makinesi olarak hala geçerliliğini korumaktadır.
