De stoommachine behoort tot de groep van warmtemotoren. Dat wil zeggen: ze maakt gebruik van warmte om de stoom te produceren die ze voor haar krachtontwikkeling nodig heeft.
Warmtemotoren verrichten een groot gedeelte van het werk dat op aarde gedaan moet worden. Naast de stoommachine zijn er verscheidene andere types. De eerste ervan werd bijna 2100 jaar geleden uitgevonden door de Griek Heron. Herons tijdgenoten beschouwden het apparaat echter hooguit als een amusant stuk speelgoed; als gevolg daarvan bleef de vinding ongebruikt. Pas 1800 jaar later kwamen de eerste stoommachines in gebruik. De Fransman Denis Papin was de eerste, die van de stoomkracht gebruik ging maken.
Het principe van zijn stoommachine was evenwel een ander dan dat van Herons apparaat. De stoom, die uit de ketel ontsnapte, werd naar een cilinder geleid en drukte daar tegen een beweegbare schijf: de zuiger. Die schijf kwam daardoor in beweging - en mét haar alles wat ermee verbonden was. In het geval van de eerste niet-experimentele stoommachine was dat een lange staaf, die een pomp in werkingbracht. Dit eerste apparaat, dat in 1698 werd vervaardigd, diende om water uit steenkoolmijnen te pompen.
De eerste geperfectioneerde stoommachine hebben we te danken aan de Schotse monteur James Watt. Zijn machine was uitgerust met een sluis of klep, die de stoom beurtelings aan de boven- en de onderzijde de cilinder binnenvoerde.
De stoommachine van de op deze pagina’s afgebeelde lokomotief werkt nog steeds volgens het principe van Watt. De klep (op de tekening boven de zuiger) stelt de stoom in staat aan de ene zijde van de zuiger in de cilinder te komen en deze aan de andere zijde weer te verlaten; een circulatie, die ook het typerende ‘tsjoek-tsjoek’-geluid van een stoomlokomotief veroorzaakt. Stoommotoren van dit type zijn vooral in het verleden de krachtbron geweest van allerlei andere machines: schepen, landbouwwerktuigen, stoomgravers, pompen, enz. Tegenwoordig zijn deze apparaten en vaartuigen meestal uitgerust met stoomturbine-motoren of met motoren van een ander type.
Ook stoomturbine-motoren maken (de naam zegt het al) gebruik van stoom. In plaats van tegen een zuiger drukt de stoom in motoren van dit type tegen de schoepen van een metalen rad, dat op zijn beurt verbonden is met een as. Dit schoepenrad bevindt zich in een zware metalen kast; als gevolg van de stoomstoten geraakt dit rad in een zeer snelle beweging, die overgebracht kan worden naar andere raderen. Stoomturbine-motoren spelen bijvoorbeeld een belangrijke rol bij het opwekken van elektriciteit; bijna alle elektrische centrales zijn met dit type krachtbron uitgerust.
Bij stoom- en stoomturbine-motoren bevindt het voor de stoomproduktie benodigde water zich in een grote stoomketel; bepaalde warmtebronnen onder de ketel zorgen voor de verandering van het water in stoom. Benzinemotoren (de meeste auto’s zijn ermee uitgerust) berusten op een soortgelijk principe als de stoommachines. In plaats van stoom is het echter de kracht van de ontploffende brandstof, die de zuiger in beweging brengt. Ook de benzinemotor is een warmtemotor; het verschil met de stoommachine is, dat de verbranding in de motor plaatsvindt.
Een benzinemotor bestaat meestal uit vier cilinders, die elk een zuiger bevatten welke op en neer kan bewegen. Door middel van een opening is elk van die cilinders toegankelijk voor een mengsel van lucht en brandstof. Bovendien is elke cilinder voorzien van een zg. bougie en een opening, waardoor het brandende gas kan ontsnappen.
Zonder lucht zou verbranding in de cilinder natuurlijk niet mogelijk zijn. Het is daarom noodzakelijk dat de brandstof tevoren met lucht vermengd wordt tot een gas. Die menging vindt plaats in de carburator.
Als een benzinemotor eenmaal op gang is, herhaalt zich in elke cilinder een reeks van vier bewegingen. Eerst beweegt de zuiger zich naar beneden en dringt het gasmengsel uit de carburator de cilinder binnen. Vervolgens gaat de zuiger weer omhoog, zodat het gasmengsel wordt samengeperst in een kleine ruimte. Tussen de punten van de bougie ontstaat op dat moment een kleine, elektrische vonk, die het gasmengsel doet ontploffen. Door de kracht van de ontploffing wordt de zuiger weer naar beneden gedreven. Tenslotte beweegt de zuiger zich opnieuw naar boven en drijft op die manier het brandende gas uit de cilinder.
De zuiger, die door middel van een zuigerstang verbonden is met een krukas, veroorzaakt aldus een draaiende beweging, die overgebracht wordt naar de wielen van de auto en deze aandrijft. Slechts één van de vier bewegingen van de zuiger is een zg. ‘werkslag’; produceert energie. Als er meer cilinders zijn volgen de werkslagen elkaar in harmonischer volgorde op. Automotoren zijn dan ook meestal uitgerust met vier, zes, acht of zelfs zestien cilinders. Er bestaan zelfs benzinemotoren met niet minder dan 28 cilinders. Benzinemotoren met slechts één cilinder komen ook wel voor in het verkeer (motorfietsen, scooters), maar worden meest voor andere doeleinden gebruikt; o.a. voor het aandrijven van pompen, etc.
In treinen en schepen is de stoommotor meestal vervangen door de zg. dieselmotor; een type, dat ook in veel auto’s de benzinemotor al heeft verdrongen. De dieselmotor lijkt wel wat op de benzinemotor, maar is veel eenvoudiger van constructie en werkt op veel goedkopere brandstof. De dieselmotor is wel uitgerust met zuigers en cilinders, maar mist onderdelen als de bougie en de carburator. Evenals in de benzinemotor beweegt de zuiger van de dieselmotor zich op een gegeven ogenblik naar beneden. Daardoor wordt er lucht in de cilinder gezogen. Door de volgende, opwaartse beweging van de zuiger wordt die lucht in een kleine ruimte samengeperst.
Die samenpersing veroorzaakt een temperatuurverhoging van de lucht. Op dat moment spuit een sterke pomp met kracht een kleine hoeveelheid brandstof naar binnen. De samengeperste lucht is intussen zó heet geworden, dat de brandstof onmiddellijk explodeert en de zuiger naar beneden drijft. Tenslotte komt de zuiger opnieuw naar boven en verdrijft de brandende gassen. Dieselmotoren zijn groot en zwaar; de wanden van de cilinders in dit type motor moeten dik en sterk zijn. Daarom zijn het vooral vrachtwagens die met dit type verbrandingsmotoren zijn uitgerust - hoewel de toepassing ervan in personenauto’s toeneemt.
In schepen en treinen is het meestal zo, dat de dieselmotoren niet rechtstreeks voor de aandrijving zorgen. Ze worden gebruikt om elektrische stroom op te wekken, die op haar beurt zorgt voor de aandrijving van elektromotoren. Na meer dan 2000 jaar hebben de technici van deze tijd ook het oude idee van Heron opnieuw ter hand genomen. Ze zijn opnieuw gaan denken over een motor, die werkt door het uitstoten van een straal. Niet een straal van hete stoom ditmaal, maar een straal van hete gassen.
Het is vrij gemakkelijk een speelgoedballon te veranderen in een kleine ‘straalmotor’. Blaas de ballon op en laat hem plotseling los: hij zal met vrij grote snelheid door de lucht schieten. Voor de aandrijving zorgt de lucht in de ballon, die zo snel mogelijk naar buiten probeert te treden. Dat kan slechts door één kleine opening.
Er zijn verscheidene typen straalmotoren. Een ervan, zoals die in straalvliegtuigen wordt gebruikt, staat afgebeeld op een van de tekeningen. Een compressor zorgt ervoor, dat er lucht in de verbrandingskamer wordt geperst. Tegelijkertijd wordt in die kamer een brandstof gespoten. Een elektrische vonk doet het aldus ontstane mengsel ontbranden. Het brandende gas ontsnapt, botst tegen de schoepen van een turbine en doet deze ronddraaien.
De draaiende turbine blijft op die wijze de compressor aandrijven. Vliegtuigen die met dit soort straalmotoren worden aangedreven, zijn zeer snel en doorbreken meestal zonder veel moeite de geluidsbarrière.
Ook raketmotoren zijn gebaseerd op het ontsnappen van hete gassen. Voor het ontbranden van die gassen hebben ze echter geen lucht nodig omdat ze een eigen zuurstofvoorraad meevoeren. Het gevolg daarvan is dat raketmotoren ook blijven werken in het luchtledige en uitermate geschikt zijn voor het aandrijven van ruimtevoertuigen. Motoren van dit type hebben reeds ruimtevaartuigen naar de maan gebracht en zullen in de toekomst waarschijnlijk ook andere planeten uit ons zonnestelsel bereikbaar maken.
Op het terrein van de warmtemotoren zijn we een nieuw tijdperk binnengegaan. Tot op heden is het altijd nodig geweest iets te verbranden om de noodzakelijke warmte te verkrijgen. In 1954 echter bouwde men voor het eerst een atoomduikboot en werd de eerste atoomcentrale voor de opwekking van elektriciteit in dienst gesteld. In de hiervoor gebruikte krachtbronnen wordt gebruik gemaakt van de hitte die ontstaat als uraniumatomen omgezet worden in atomen van een andere stof. Ook die hitte is bruikbaar om water in stoom te veranderen en die stoom te gebruiken voor het aandrijven van een stoomturbine.