Впервые модель такой машины была предложена в 1690 году Папеном. В 1702 году создал свой насос Севери. Но наиболее широко применялась в первой половине XVIII века паровая машина Ньюкомена, созданная в 1711 году.
Паровой цилиндр помещался у Ньюкомена над паровым котлом. Поршневой шток (стержень, соединенный с поршнем) был соединен гибкой связью с концом балансира. С другим концом балансира был соединен шток насоса. Поршень поднимался в верхнее положение под действием противовеса, прикрепленного к противоположному концу балансира. Кроме того, движению поршня вверх помогал пар, запускаемый в это время в цилиндр. Когда поршень находился в крайнем верхнем положении, закрывали кран, впускавший пар из котла в цилиндр, и вбрызгивали в цилиндр воду. Под действием этой воды пар в цилиндре быстро охлаждался, конденсировался, и давление в цилиндре падало. Вследствие создавшейся разницы давлений внутри цилиндра и вне его, силой атмосферного давления поршень двигался вниз, совершая при этом полезную работу — приводил в движение балансир, который двигал шток насоса. Таким образом, полезная работа выполнялась только при движении поршня вниз. Затем снова запускали пар в цилиндр. Поршень опять поднимался вверх, и весь цилиндр наполнялся паром. Когда снова вбрызгивали воду, пар снова конденсировался, после чего поршень совершал новое полезное движение вниз, и так далее. Фактически в машине Ньюкомена работу совершало атмосферное давление, а пар служил только для создания разряженного пространства.
В свете дальнейшего развития парового двигателя становится ясным основной недостаток машины Ньюкомена — рабочий цилиндр в ней являлся в то же время и конденсатором. Из-за этого приходилось поочередно то охлаждать, то нагревать цилиндр, и расход топлива оказывался очень велик. Бывали случаи, когда при машине находилось 50 лошадей, едва успевавших подвозить необходимое топливо. Коэффициент полезного действия (КПД) этой машины едва ли превышал 1%. Другими словами, 99% всей теплотворной энергии терялось бесплодно. Тем не менее эта машина получила в Англии распространение, особенно на шахтах, где уголь был дешевый. Последующие изобретатели внесли несколько усовершенствований в насос Ньюкомена. В частности, в 1718 году Бейтон придумал самодействующий распределительный механизм, который автоматически включал или отключал пар и впускал воду. Он же дополнил паровой котел предохранительным клапаном.
Но принципиальная схема машины Ньюкомена оставалась неизменна на протяжении 50 лет, пока ее усовершенствованием не занялся механик университета в Глазго Джемс Уатт. В 1763-1764 годах ему пришлось чинить принадлежавший университету образец машины Ньюкомена. Уатт изготовил небольшую ее модель и принялся изучать ее действие. При этом он мог использовать некоторые приборы, принадлежавшие университету, и пользовался советами профессоров. Все это позволило ему взглянуть на проблему шире, чем смотрели на нее многие механики до него, и он смог создать гораздо более совершенную паровую машину.
Работая с моделью, Уатт обнаружил, что при запускании пара в охлажденный цилиндр он в значительном количестве конденсировался на его стенках. Уатту сразу стало ясно, что для более экономичной работы двигателя целесообразнее держать цилиндр постоянно нагретым. Но как в этом случае конденсировать пар? Несколько недель он раздумывал, как разрешить эту задачу, и наконец сообразил, что охлаждение пара должно происходить в отдельном цилиндре, соединенном с главным короткой трубкой. Сам Уатт вспоминал, что однажды во время вечерней прогулки он проходил мимо прачечной и тут при виде облаков пара, вырывавшихся из окошка, он догадался, что пар, будучи телом упругим, должен устремляться в разряженное пространство. Как раз тогда ему пришла мысль, что машину Ньюкомена надо дополнить отдельным сосудом для конденсации пара. Простой насос, приводимый в движение самой машиной, мог удалять из конденсатора воздух и воду, так что при каждом ходе машины там бы могло создаваться разряженное пространство.
Вслед за тем Уатт внес еще несколько усовершенствований, в результате чего машина приняла следующий вид. К обеим сторонам цилиндра были подведены трубки: через нижнюю пар поступал внутрь из парового котла, через верхнюю отводился в конденсатор. Конденсатор представлял собой две жестяные трубки, стоявшие вертикально и сообщавшиеся между собой вверху короткой горизонтальной трубкой с отверстием, перекрывавшимся краном. Дно этих трубок было соединено с третьей вертикальной трубкой, которая служила воздушным отводным насосом. Трубки, составлявшие холодильник и воздушный насос, были помещены в небольшой цилиндр с холодной водой. Паровая трубка была соединена с котлом, из которого пар выпускался в цилиндр. Когда пар заполнял цилиндр, паровой кран закрывали и поднимали поршень воздушного насоса конденсатора, вследствие чего в трубках конденсатора получалось сильно разряженное пространство. Пар устремлялся в трубки и конденсировался там, а поршень поднимался вверх, увлекая за собой груз (так измеряли полезную работу поршня). Затем выпускной кран закрывали.
В 1768 году на основе этой модели на шахте горнозаводчика Ребука была построена большая машина Уатта, на изобретение которой он получил в 1769 году свой первый патент. Самым принципиальным и важным в его изобретении было разделение парового цилиндра и конденсатора, благодаря чему не затрачивалась энергия на постоянный разогрев цилиндра. Машина стала более экономичной. Ее КПД увеличился.
Несколько последующих лет Уатт упорно трудился над совершенствованием своего двигателя. При этом ему пришлось преодолеть множество затруднений как финансового, так и технического порядка. Он вошел в компанию с владельцем металлообрабатывающего завода Болтоном, который обеспечил его деньгами. Были и другие проблемы: двигатель требовал герметичности и точнейшей подгонки деталей друг к другу. Поршень и цилиндр должны были идеально подходить по своим размерам, чтобы не допускать утечки пара. Такая точность была в новинку для машиностроения тех времен, не было даже необходимых точных станков. Выточка цилиндров большого диаметра представлялась почти неразрешимой проблемой. В результате первые машины Уатта работали неудовлетворительно: из цилиндра вырывался пар, конденсаторы действовали плохо, пар свистел через отверстие, в котором двигался поршневой шток, просачивался между стенками поршня и цилиндра.
Пришлось создавать специальные станки для расточки цилиндров. (Вообще, создание паровой машины положило начало настоящей революции в станкостроении — чтобы освоить производство паровых двигателей, машиностроению пришлось подняться на качественно более высокий уровень.) Наконец все трудности были преодолены, и с 1776 года началось фабричное производство паровых машин. В машину 1776 года по сравнению с конструкцией 1765 года было внесено несколько принципиальных улучшений. Поршень помещался внутри цилиндра, окруженный паровым кожухом (рубашкой). Благодаря этому была до минимума сокращена потеря тепла. Кожух сверху был закрыт, тогда как цилиндр — открыт. Пар поступал в цилиндр из котла по боковой трубе. Цилиндр соединялся с конденсатором трубой, снабженной паровыпускным клапаном. Несколько выше этого клапана и ближе к цилиндру был размещен второй, уравновешивающий клапан. Когда оба клапана были открыты, пар, выпущенный из котла, наполнял все пространство над поршнем и под ним, вытесняя воздух по трубе в конденсатор. Когда клапаны закрывали, вся система продолжала оставаться в равновесии. Затем открывали нижний выпускной клапан, отделяющий пространство под поршнем от конденсатора. Пар из этого пространства направлялся в конденсатор, охлаждался здесь и конденсировался. При этом под поршнем создавалось разряженное пространство, и давление падало. Сверху же продолжал оказывать давление пар, поступавший из котла. Под его действием поршень спускался вниз и совершал полезную работу, которая при помощи балансира передавалась штоку насоса. После того как поршень опускался до своего крайнего нижнего положения, открывался верхний, уравновешивающий, клапан. Пар снова заполнял пространство над поршнем и под ним. Давление в цилиндре уравновешивалось. Под действием противовеса, расположенного на конце балансира, поршень свободно поднимался вверх (не выполняя при этом полезной работы). Затем весь процесс продолжался в той же последовательности. Хотя эта машина Уатта, так же как и двигатель Ньюкомена, оставалась односторонней, она имела уже важное отличие — если у Ньюкомена работу совершало атмосферное давление, то у Уатта ее совершал пар. Увеличивая давление пара, можно было увеличить мощность двигателя и таким образом влиять на его работу. Впрочем, это не устраняло основного недостатка такого типа машин — они совершали только одно рабочее движение, работали рывками и потому могли использоваться только как насосы. В 1775-1785 годах было построено 66 таких паровых двигателей.
