In het begin van de 19e eeuw begon in de Westerse wereld een ontwikkeling die de hele maatschappij tot op de dag van vandaag drastisch veranderd heeft: de Industriële Revolutie. Die revolutie werd ingeluid door de uitvinding van de stoommachine, en daarom is de stoommachine een interessant onderwerp om eens wat beter naar te kijken. In het artikel hier kun je lezen hoe zo’n machine eigenlijk werkt, en in dit artikel kun je lezen hoe de stoommachine tot ontwikkeling gekomen is.
Het principe waar alle modernere stoommachines op werken, is het feit dat verdampend water een enorme druk kan creëren. (In het begin van het stoomtijdperk waren er ook een paar ontwerpen die gebruik maakten van het omgekeerde effect: stoom die afkoelt gaat minder ruimte innemen. Maar dat bleek een stuk minder efficiënt.) Dat komt omdat alle stoffen, als ze overgaan van de vaste fase naar de gasfase, veel meer ruimte in gaan nemen. Een mooie beschrijving van hoe het daarmee zit kun je vinden in dit artikel over faseovergangen.
Als je water in een afgesloten ketel stopt, en je stookt daaronder vervolgens een vuur, dan verdampt het water en gaat dus een stuk meer ruimte innemen. Die waterdamp drukt dus hard tegen de wanden van die ketel aan, omdat de ruimte eigenlijk te klein is: er ontstaat een grote druk aan de binnenkant van de ketel.Nu kun je die stoom wel net zo lang tegen de binnenkant van de ketel aan laten drukken dat die ontploft, maar dat is vrij nutteloos. Zinvoller is het om de stoom ergens tegenaan te laten duwen waar ook echt iets bewogen moet worden. Dat is precies wat er in een stoommachine gebeurt.
De werking van de stoommachine
Lees de informatie uit het filmpje nog eens rustig na
In figuur 1 vind je een schematische voorstelling van de binnenkant van een stoomlocomotief, een veelgebruikte toepassing van de stoommachine. In het filmpje hierboven kun je dezelfde locomotief in werking zien.
Figuur 1: Schematische weergave van de binnenkant van een stoomlocomotief. De verschillende onderdelen zijn: 1: waterketel, 2: vuurkist, 3: vlampijpen, 4: stoomdom, 5: stoomleiding, 6: zuiger, 7: stoomschuif, 8: drijfstangen, 9: terugkoppelstangen, 10: rookkamer. In het filmpje vind je een (wat vereenvoudigde) weergave van dit locomotiefje in werking.
- Je ziet dat de stoomlocomotief een grote ketel met water bevat. Onder die ketel zit de vuurkist, waarin een vuur gestookt wordt. De rook van dat vuur gaat via de vlampijpen naar de rookkamer en via daar door de schoorsteen naar buiten.
- Via de vuurkist en de vlampijpen draagt het vuur zijn warmte over aan het water, dat daardoor verdampt. Daardoor ontstaat er een hoge druk.
- Bovenin de ketel zit een verhoging, de stoomdom. Vanuit die stoomdom loopt de stoomleiding naar de cilinders. Dat zit op zo’n hoog punt omdat er op die manier nooit water in de stoomleiding kan komen.
- In de cilinders drijft de stoom de zuigers aan, door er steeds om-en-om van rechts en van links tegenaan te duwen. Daarbij wordt dan de stoom die nog aan de andere kant van de zuiger zit, weggeduwd richting de rookkamer.
- Dat kan omdat de stoomschuif heen en weer beweegt en de stoom steeds eerst links en dan weer rechts doorlaat. De zuigers zijn bevestigd aan de drijfstangen, die de wielen in beweging zetten. De wielen drijven dan weer, via de terugkoppelstangen, de stoomschuif aan (en laten de trein rijden, natuurlijk).
Lees meer over veiligheid in een stoommachine
Zoals al eerder gezegd kun je de stoom ook tegen de binnenkant van de ketel laten duwen totdat die ontploft. In de praktijk is dat natuurlijk niet de bedoeling. Daarom zijn er een paar veiligheidsmaatregelen om te voorkomen dat dat gebeurt. De belangrijkste is het veiligheidsventiel: dat is een afsluiting in de ketel die maar tot een bepaalde druk standhoudt. Wordt de druk groter, dan gaat het ventiel open en kan er stoom ontsnappen. Daardoor wordt de druk weer lager. Een ander gevaar is dat het water in de ketel opraakt, terwijl het vuur nog doorbrandt. Dan is er niets meer om de warmte te absorberen, en dan zal de ketel kapot gaan aan de grote warmte. Om dat te voorkomen hebben veel stoomketels kleine gaatjes, die vlak onder het minimale waterniveau zitten. Die gaatjes worden gevuld met lood. Als dat lood nog onder water zit, wordt de temperatuur niet hoger dan 100 graden, en is er niets aan de hand. Maar als het water te ver gezakt is, staat het lood bloot aan de veel hogere temperaturen van de waterdamp. Daardoor kan het lood smelten waardoor de gaatjes opengaan en er ook stoom kan ontsnappen.