La machine de Huygens – partie 3 : de la vapeur pour remplacer la poudre à canon
Après avoir tenté d’améliorer le dispositif de Huygens, Denis Papin utilise les changements d’état de l’eau pour générer un mouvement. Les innovations que suscitent son invention au cours du XVIIIe siècle conduisent à l’apparition des machines à vapeur cycliques, indissociables de l’essor industriel en Europe.
Leur étude théorique par Sadi Carnot en 1824 permet l’émergence d’une discipline nouvelle, la thermodynamique.
Naissance des machines à vapeur
Liquéfier l’eau pour faire le vide
En 1690, Papin finit par comprendre que le problème de la machine de Huygens provient de l’utilisation de la poudre à canon et non de la conception du cylindre ou du piston. En s’inspirant sans doute d’une de ses propres inventions – le digesteur, ancêtre de l’autocuiseur – il réussit à faire le vide grâce à deux changements d’états inverses de l’eau. Papin présente son nouveau dispositif en latin dans la revue Acta eruditorum puis dans un recueil qui paraît en langue française en 16951.
Entièrement réalisée en métal, la machine que Papin met au point ne comporte pas d’ouverture latérale, ni d’explosif. La première étape de son utilisation consiste à verser un faible volume d’eau au fond du cylindre. Doté d’un petit trou pour évacuer l’air, le piston est ensuite poussé manuellement au contact du liquide, avant d’être obturé. Un feu placé sous le dispositif permet alors de faire passer l’eau sous forme de vapeur dont l’expansion pousse lentement le piston jusqu’en haut du cylindre. Puis le piston est bloqué et le feu retiré : la vapeur refroidit avant de se liquéfier. Après ces deux étapes, le cylindre contient un fond d’eau liquide surmonté par du vide (en réalité, une faible pression de vapeur existe). Autour de la machine s’exerce la pression de l’atmosphère, alors que celle-ci est très faible dans le cylindre. Lorsqu’il est libéré, le piston n’est dès lors plus gêné par la présence de gaz : il s’abaisse violemment jusqu’à la surface de l’eau. L’effet que recherchait Huygens est ainsi obtenu.

Fig. 1 : Planche de présentation de la machine à vapeur de Papin. L’élément essentiel est visible en haut (lettre A). À gauche, association de deux machines en fonctionnements alternés (1695).
À la fin du processus, le piston retrouve sa position initiale (au fond du cylindre) et l’eau est à nouveau liquide. La machine a donc parcouru un cycle, même si chaque étape a exigé l’intervention d’un opérateur. Papin essaie toutefois d’obtenir un mouvement continu en couplant mécaniquement deux machines qui fonctionnent de manière décalée. Quant aux applications qu’il envisage, elles sont similaires à celles proposées par Huygens : extraire l’eau des mines, jeter des bombes ou remplacer les rameurs des galères2.
Notons qu’à peu près au moment où Denis Papin met au point sa machine à vapeur, Christian Huygens joint sa note sur la « Nouvelle force mouvante » – qu’il avait conservée jusqu’ici – à un lot de mémoires qu’il expédie à l’Académie des sciences en prévision de leur publication3. Souhaitait-il rappeler l’antériorité de son invention après avoir appris les travaux de son ancien assistant ? L’hypothèse est plausible. Sinon, pourquoi publier en 1693 un travail qui décrit un dispositif dont les essais ont suscité un faible intérêt vingt ans plus tôt ?
Vers un dispositif cyclique et autonome
Alors que la machine de Papin ne semble pas avoir eu de succès sur le plan commercial, l’idée d’utiliser l’eau vaporisée pour engendrer un mouvement fait rapidement des émules. La suite est bien connue de l’histoire des sciences et des techniques. En 1696, le Britannique Thomas Savery réalise d’abord un appareil qui élève l’eau dans des conduits grâce à la pression de la vapeur. Trois ans plus tard, le Français Joseph Amontons décrit à l’Académie royale des sciences un projet de « moulin à feu » dont la rotation est assurée par de l’eau injectée, là aussi, sous forme de vapeur4.

Fig. 2 : Moulin à feu d’Amontons (1696).
Mais en 1712, un progrès significatif a lieu en Angleterre lorsque les ingénieurs Thomas Newcomen, John Cawley et Thomas Savery mettent au point la première machine à vapeur autonome. D’une dimension monumentale, la machine dite “de Newcomen” comporte un énorme foyer allumé continuellement sous une cuve remplie d’eau. Celle-ci est surmontée par le cylindre vers lequel communique un réservoir annexe rempli d’eau froide. Grâce à un système de valves, le cylindre est alternativement rempli de vapeur provenant de la cuve puis refroidi par injection d’eau liquide. La machine fonctionne donc de manière cyclique. Son principe reste toutefois similaire à celui proposé par Papin : élévation du piston par l’expansion de la vapeur, descente sous l’effet de la pression extérieure lorsque l’eau est redevenue liquide.

Fig. 3 : Machine de Newcomen (1712).
En définitive, les appareils de Huygens, Papin puis Newcomen fournissent un travail utile uniquement lorsque le piston est poussé par l’air extérieur : on parle de machines à pression atmosphérique. Mais aux fluctuations météorologiques près, la pression externe reste immuable, ce qui limite la force que la machine peut exercer. Le seul moyen pour l’augmenter est alors d’utiliser un piston et un cylindre plus larges. Un demi-siècle plus tard, un autre ingénieur britannique parvient pourtant à contourner ce problème.
La machine à double effet de James Watt
En 1760, l’Écossais James Watt est chargé de réparer un modèle réduit de machine de Newcomen5. Il prend alors conscience que la majeure partie de la chaleur dégagée par le charbon sert à réchauffer le cylindre refroidi après chaque injection d’eau. Autrement dit, le rendement est déplorable. Obsédé par ce défaut qu’il juge inacceptable, Watt entreprend d’étudier en détail tous les aspects du dispositif et procède à de nombreuses améliorations qu’il fait ensuite breveter. Disposant de faibles ressources financières, James Watt s’associe à Matthew Boulton, un entrepreneur de Birmingham avec qui il conçoit et commercialise des machines à grande échelle durant plusieurs décennies.
Watt améliore d’abord la machine de Newcomen en permettant la liquéfaction de la vapeur dans un compartiment séparé, le condenseur. De cette façon, le cylindre conserve une température constamment élevée, ce qui économise du charbon. En 1780, il isole le piston de l’air extérieur en fermant le cylindre à ses deux extrémités. Dans celui-ci, la vapeur provenant de la chaudière entre alternativement d’un côté ou de l’autre du piston, celle plus froide étant évacuée par la face opposée. Le travail utile est par conséquent fourni par le piston à chaque déplacement, à l’aller et au retour : on parle de machine à « double effet ». Mais ce dispositif présente un autre avantage. Le cylindre étant isolé de l’air extérieur, la pression de la vapeur peut être plusieurs fois supérieure à celle de l’atmosphère, ce qui permettra de délivrer une force plus intense que dans les dispositifs précédents. Cette pression élevée permettra plus tard de supprimer le condenseur en rejetant la vapeur directement dans l’atmosphère. Mais jusqu’ici, l’application de la machine de Watt reste identique à celle de Newcomen et sert essentiellement à puiser l’eau des mines. C’est pourquoi Watt procède, à la demande de Boulton, à une nouvelle modification pour qu’elle entraîne une roue de grande dimension6. Le va-et-vient du piston est ainsi converti en mouvement circulaire par un système bielle-manivelle. Il ajoute également un mécanisme de régulation de la vitesse qui consiste en un dispositif muni de boules métalliques fixées à l’extrémité de tiges, celles-ci pouvant s’écarter ou se rapprocher l’une de l’autre lors de leur rotation.

Fig. 4 : Machine à double effet de James Watt.
Sadi Carnot et la naissance de la thermodynamique
Malgré l’essor des machines à vapeur qui débute outre-Manche, les inventions proposées depuis celle de Papin s’appuient sur des connaissances des processus thermiques et mécaniques essentiellement limitées – au gré des avancées de la science – aux notions de chaleur latente, de capacité calorifique et de travail mécanique, ainsi qu’à la loi des gaz parfaits. Jusqu’au premier quart du XIXe siècle, leurs conceptions comportent de fait une large part d’empirisme. Il manquait encore un outil théorique reliant le travail produit par la machine à la chaleur échangée entre celle-ci et son environnement.
Un modèle : la machine de Carnot
Dans ses Réflexions sur la puissance motrice du feu – dont une version manuscrite est conservée aux archives de l’Académie des sciences – le jeune polytechnicien Sadi Carnot établit en 1824 qu’une machine thermique délivre un travail à condition de transférer de la chaleur d’une source chaude vers une source froide7. Faisant peu appel aux mathématiques, Carnot appuie son argumentation sur trois hypothèses :
- La chaleur est un fluide impondérable et indestructible nommé calorique.
- La puissance motrice (notre “travail”) résulte de la chute de calorique de la source chaude vers la source froide.
- Il est impossible de créer un mouvement perpétuel, donc de générer une puissance motrice sans chute de calorique.
La croyance dans l’existence d’un fluide calorique était pourtant erronée et suscitait déjà des doutes, y compris chez Carnot. Mais lorsqu’il rédige ses Réflexions, il accepte cette hypothèse sans laquelle son raisonnement serait caduque8. Il imagine alors un dispositif idéalisé qui fait abstraction de toutes les contingences techniques, depuis nommé “machine de Carnot”. Ce modèle lui permet en outre d’envisager le processus inverse : une machine qui reçoit du travail peut transférer de la chaleur d’une source froide vers une source chaude. Il s’agit ni plus ni moins du principe de la réfrigération ou de la pompe à chaleur. En associant deux machines idéales en fonctionnement inversées, l’impossibilité du mouvement perpétuel permet ensuite à Carnot de montrer que le travail fourni (ou reçu) dépend des températures de la source chaude et de la source froide, ainsi que de la quantité de chaleur échangée, mais non de l’agent thermique utilisé (telle que la vapeur).


Fig. 5 : Carnot S., “Réflexions sur la puissance motrice du feu”, p. 1 et 15, 1J 115, Archives de l’Académie des sciences (don par son frère Hippolyte en 1878).
Dans des écrits longtemps restés posthumes, Sadi Carnot remet finalement en question la conservation du calorique et suggère au contraire l’existence d’une proportionnalité entre chaleur consommée et travail produit au cours d’un cycle. Mais il faut attendre 1878 pour que ces notes soient rendues publiques, grâce à un don fait à l’Académie des sciences par son frère Hippolyte.

Fig. 6 : Carnot S., “Notes sur les Mathématiques, la Physique et autres sujets”, p. 13, 1J 115, Archives de l’Académie des sciences (don par son frère Hippolyte en 1878).
Une discipline née de l’étude des machines
Imprimé à 600 exemplaires seulement, l’ouvrage de Sadi Carnot suscite d’abord peu d’intérêt, notamment car son approche théorique était trop éloignée des préoccupations des ingénieurs9. Il fait toutefois l’objet d’une présentation à l’Académie des sciences en juin 1824, puis d’un compte rendu verbal qui paraît dans la Revue encyclopédique. Dans un Mémoire sur la puissance de la chaleur qu’il publie en 1834, le polytechnicien et futur académicien Émile Clapeyron fait finalement connaître les idées de Carnot. Il les développe en ayant davantage recours aux outils mathématiques et représente les cycles de la machine idéale sous formes graphiques, depuis nommées “diagrammes de Clapeyron”. Une décennie plus tard, l’Allemand Robert Mayer puis l’Anglais James Prescott Joule formulent ensuite la relation de proportionnalité entre travail et chaleur que Carnot avait pressentie. C’est le principe d’équivalence mécanique de la chaleur10. Le milieu du XIXe siècle voit alors l’émergence de la thermodynamique et des deux principes sur lesquels elle s’appuie. Le premier est énoncé en 1850 par l’Anglais William Thomson (futur Lord Kelvin) qui assimile travail et transfert de chaleur à une grandeur commune, l’énergie, laquelle ne peut être ni créée, ni détruite11. Formulé par l’Allemand Rudolf Clausius, le second principe dérive de celui de Carnot et stipule d’abord que “la chaleur ne circule jamais d’un corps froid vers un corps chaud”12. À travers la grandeur baptisée entropie par Clausius en 1865 (du grec ἐντροπή signifiant « transformation » et par analogie avec le mot énergie utilisé par Thomson), le second principe sera ensuite généralisé pour indiquer le sens spontané des transformations physiques ou chimiques, puis associé à la notion d’irréversibilité13. Tandis que l’énergie reste constante dans un système fermé, l’entropie ne fait généralement qu’augmenter. Clausius résumera les deux principes dans une formule restée célèbre :
« L’énergie de l’univers est constante. Son entropie tend vers un maximum. »14
Signalons pour finir que la thermodynamique, issue d’interrogations sur les machines thermiques, constitue le point de départ d’un bouleversement de la physique au début du XXe siècle. Après la fondation de la mécanique statistique par Ludwig Boltzmann qui interprète en 1877 l’entropie comme une mesure du désordre à l’échelle microscopique, elle conduit l’Allemand Max Planck à s’intéresser au rayonnement du corps noir et à poser, en 1900, les fondements de ce qui deviendra la physique quantique15. Mais ceci est une autre histoire…
Conclusion
Cette dernière partie, qui nous a considérablement éloignés du projet de Huygens, a permis d’apporter des éléments sur les premières machines à vapeur et d’évoquer quelques concepts scientifiques qu’elles contribuent à faire naître. Mais si Christian Huygens ne pouvait pas saisir où résidait le défaut de sa machine en 1673, il faut admettre que ses vœux ont été exaucés. Malgré les résultats modestes de son invention, les améliorations successives de celle-ci ont conduit aux locomotives à vapeur, aux navires, aux automobiles puis aux avions. Peut-être faut-il voir dans la « nouvelle force mouvante » de Huygens une des “erreurs” fécondes qui jalonnent l’histoire des sciences et des techniques, puisque c’est en cherchant à la perfectionner que Papin initie l’essor des machines thermiques. La seconde moitié du XIXe siècle voit d’ailleurs l’élaboration, en France et en Allemagne, des premiers moteurs à explosion qui remplaceront progressivement celles à vapeur, lourdes et encombrantes. Deux siècles après les tentatives de Huygens, l’expansion rapide des gaz dégagés par la détonation sert à pousser un piston lors d’un cycle… qui n’exige pas l’obtention de vide.
Marc Kefer
Chargé de valorisation des archives de l’Académie des sciences
Crédit des illustrations
Illustration mise en avant : Machine de Watt ©stock.adobe.com_Hein Nouwens
Figure 1 : Gallica. Source : Bibliothèque nationale de France, département Réserve des livres rares, RES-V-2306
Figure 2 : Gallica. Source : Archives et collection patrimoniale de l’Académie des sciences.
Figure 3 : La figure de la machine de Newcomen provient du site Wikipedia. Source : Emoscopes, dessiné avec XaraX software. CC BY-SA 3.0 non transposé.
Figure 4 : La figure de la machine de Watt provient du site Wikimedia commons. Source : Dessiné par Panther avec Corel Draw! & Image Ready. CC BY-SA 3.0 non transposé.
Figure 5 : Source : Archives et collection patrimoniale de l’Académie des sciences.
Figure 6 : Source : Archives et collection patrimoniale de l’Académie des sciences.
- Papin D., « Nova methodus ad vires motrices validissimas levi pretio comparandas », Acta eruditorum, août 1690, pp. 408-414. Papin D., « Nouvelle maniere de produire à peu de frais des forces mouvantes extremement grandes », Recueil de diverses pièces touchant quelques machines, 1695, pp. 51-66. [↩]
- Pour plus d’informations, on pourra lire l’Hommage à Denis Papin publié en 2024 par l’Académie des sciences. [↩]
- Huygens Ch., « Nouvelle force mouvante par le moien de la poudre à canon et de l’air », Divers ouvrages de mathématiques et de physique par Messieurs de l’Académie royale des sciences, 1693, pp. 320-321. [↩]
- Amontons G., « Moyen de substituer commodément l’action du feu, à la force des hommes et des chevaux pour mouvoir les machines », Mémoires de mathématiques et de physique tirez des registres de l’Académie Royale des sciences de l’année 1699, 1732, pp. 112-126. [↩]
- Uglow J., The lunar men : The friends who changed the world, Londres, Faber & Faber, 2003, pp. 98-104. Locqueneux R., Histoire de la thermodynamique classique. De Sadi Carnot à Gibbs, Paris, Belin, 2009, pp. 26-28. [↩]
- Uglow J., The lunar men : The friends who changed the world, Londres, Faber & Faber, 2003, pp. 363-364. [↩]
- Une « machine à feu » utilise de la vapeur ou tout autre agent thermique. La « puissance motrice » est à rapprocher de la grandeur actuelle nommée « travail ». [↩]
- C’est ce qu’il exprime dans une note de bas de page, certes avec circonspection. [↩]
- Birembaut A., « Sadi Carnot en son temps de 1817 à 1832 », Sadi Carnot et l’essor de la thermodynamique, Paris, Éditions du CNRS,1976, pp. 62-64. [↩]
- Locqueneux R., Histoire de la thermodynamique classique. De Sadi Carnot à Gibbs, Paris, Belin, 2009, pp. 113-121. On parlait d’équivalence car chaleur et travail était considérés comme des grandeurs de natures distinctes. La première était exprimée en calorie, la seconde en kilogramme-mètre. Il faut attendre le XXe siècle pour qu’elles soient associées à une même unité, le joule. Pour un exemple, on peut consulter les pages 24 à 26 des leçons sur les machines à vapeur données à Bordeaux en 1900 par le physicien Lucien Marchis. [↩]
- Locqueneux R., Histoire de la thermodynamique classique. De Sadi Carnot à Gibbs, Paris, Belin, 2009, p. 127. [↩]
- Cité dans : Locqueneux R., Histoire de la thermodynamique classique. De Sadi Carnot à Gibbs, Paris, Belin, 2009, pp. 174. [↩]
- Locqueneux R., Histoire de la thermodynamique classique. De Sadi Carnot à Gibbs, Paris, Belin, 2009, pp. 191-193. [↩]
- Clausius R., Théorie mécanique de la chaleur, traduction française par F. Folie, Éditions Eugène Delacroix, Paris, 1868, p. 420. [↩]
- Locqueneux R., Histoire de la thermodynamique classique. De Sadi Carnot à Gibbs, Paris, Belin, 2009, pp. 281-290 [↩]
OpenEdition vous propose de citer ce billet de la manière suivante :
Marc Kefer (17 juin 2025). La machine de Huygens – partie 3 : de la vapeur pour remplacer la poudre à canon. Vie des sciences. Consulté le 9 mai 2026 à l’adresse https://doi.org/10.58079/1458n

