thumb|327x327px|Máquina de vapor en funcionamiento. Por la flecha roja a la izquierda entra el vapor calentado, la válvula inmediata se puede cerrar para detener la máquina —dependiendo de la presión—. Por la flecha azul derecha sale el vapor ya pasado el circuito.
La máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía térmica del vapor de agua en energía mecánica Se genera vapor de agua por el calentamiento en una caldera cerrada herméticamente, lo cual produce la expansión del volumen de un cilindro empujando un pistón. Mediante un mecanismo de biela-manivela, el movimiento lineal alternativo del pistón del cilindro se transforma en un movimiento de rotación que acciona, por ejemplo, las ruedas de una locomotora o el rotor de un generador eléctrico. Una vez alcanzado el final de carrera el émbolo retorna a su posición inicial y expulsa el vapor de agua utilizando la energía cinética de un volante de inercia. El vapor a presión se controla mediante una serie de válvulas de entrada y salida que regulan la renovación de la carga; es decir, los flujos del vapor hacia y desde el cilindro. El motor o máquina de vapor se utilizó extensamente durante la Revolución Industrial, en cuyo desarrollo tuvo un papel relevante para mover máquinas y aparatos tan diversos como bombas, locomotoras y motores marinos, entre otros. Las modernas máquinas de vapor utilizadas en la generación de energía eléctrica no son de desplazamiento positivo como las descritas, sino que son turbomáquinas; es decir, son atravesadas por un flujo continuo de vapor y reciben la denominación genérica de turbinas de vapor. En la actualidad la máquina de vapor alternativa es un motor muy poco usado salvo para servicios auxiliares, ya que se ha visto desplazado especialmente por el motor eléctrico en la industria y por el motor de combustión interna.
Evolución
Primeras tentativas miniaturadeimagen|305x305px|Eolípila de Herón de Alejandría No se sabe a ciencia cierta si las primitivas invenciones de los antiguos griegos no pasaron de ser meros juguetes y, aunque se ha supuesto que fueron empleadas para mover objetos en los templos durante los rituales, no deja de sorprender el hecho de que desde los tiempos de Herón no se hayan encontrado evidencias de que el vapor se haya utilizado con un propósito práctico, aunque el conocimiento del poder del vapor no llegara a perderse como demuestra la descripción de Malmesbury del órgano de Reims que en 1120 se hacía sonar por el aire que escapaba de un depósito en el que era comprimido por "agua calentada".
La primera máquina de vapor registrada fue la Eolípila creada por Herón de Alejandría, un matemático e ingeniero griego en el Egipto romano del . En su obra titulado Spiritalia seu Pneumatica, describe máquinas que funcionan con aire, vapor, o presión de agua. Los aparatos allí descritos no se sabe con certeza si fueron obra del ingenio de Herón, porque él mismo dice en su obra que su intención no es otra que recopilar las máquinas que ya eran conocidas y añadir las inventadas por él. Nada en el texto indica quién pudo ser el artífice de los dispositivos descritos y se sospecha que muchos puedan ser, en realidad, obra de Ctesibio, de quien Herón fue pupilo.
thumb|left|Máquina de vapor de Watt, procedente de la Fábrica Nacional de Moneda y Timbre, expuesta en el vestíbulo de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Madrid|268x268px
La proposición 11 de Pneumatica describe un altar hueco parcialmente, lleno de agua, sobre el que se halla una figura en cuyo interior hay un tubo que termina sumergido en el agua. Al encender un fuego sobre el altar, el aire de su interior se calienta impulsando el agua por el tubo, que termina vertiéndose a través de la figura, simulando una libación que finalmente sofoca el fuego. En la proposición 37 va un poco más allá y describe un mecanismo animado por el fuego para la apertura y el cierre automáticos de las puertas de un templo. En otras proposiciones describe mecanismos similares e incluso dos motores a reacción, uno por aire caliente y otro por vapor de agua, para hacer girar las figuras de un altar.
En 1551, Taqi ad-Din diseñó una máquina de vapor, en su libro Al-Turuq al-samiyya fi al-alat al-ruhaniyya (El sublime método de las máquinas). Describió una turbina de vapor para hacer girar un asador giratorio por medio de un chorro de vapor que impulsaba las paletas rotatorias alrededor de la máquina.thumb|Locomóvil de vapor.|225x225pxEn 1601, Giambattista della Porta describe un aparato para elevar el agua por medio del fuego, similar al descrito por Herón pero empleando vapor de agua para impulsar el líquido, y en 1615 Salomon de Caus describe un aparato similar para hacer funcionar una fuente. en 1606 Jerónimo de Ayanz y Beaumont obtuvo un privilegio de invención por un sistema de desagüe mediante presión de vapor; sin embargo, este dispositivo no constituía un motor térmico de ciclo continuo, sino una bomba de presión directa similar a las descripciones previas de Giambattista della Porta (1601), diferenciándose fundamentalmente de las máquinas de pistón desarrolladas posteriormente en InglaterraGarcía Tapia, N. y Carrillo Castillo, J. Tecnología e Imperio. Ed. Nivola, Madrid 2002, p. 144. una bomba de presión de vapor utilizada de forma experimental para el desagüe de las minas de plata de Guadalcanal Otra tentativa fue la que dejó reflejada Giovanni Branca en su obra Le Machine en 1629."Power plant engineering". P. K. Nag (2002). Tata McGraw-Hill. p.432.
El común denominador de todos estos intentos es un tubo sumergido hasta prácticamente el fondo del recipiente de agua por donde esta asciende al incrementarse la presión en la superficie libre del líquido, trabajos directamente relacionados con los estudios teóricos de Galileo, Torricelli, Pascal y Von Guericke sobre la presión atmosférica que condujeron a mediados del al abandono de la teoría del horror vacui.
La primera máquina fue inventada por Edward Somerset, segundo marqués de Worcester, en 1663, y por su descripción es muy similar, conceptualmente, a la fuente de Caus, si bien de la máquina de Somerset se construyó un modelo en Vauxhall (cerca de Londres) en el castillo Rawlan en torno a 1665, con el propósito de elevar el agua a los pisos superiores de la construcción. Con las especificaciones técnicas escritas y las huellas dejadas en los muros del castillo, Dircks —biógrafo de Somerset— pudo reconstruir la máquina construida en Vauxhall.
Sin embargo, Somerset no pudo atraer los capitales necesarios para producir y vender sus máquinas y murió en la pobreza. Este es, posiblemente, el hecho que hace que se haya atribuido a Thomas Savery la invención de la máquina de Somerset, sobre la que obtuvo una patente en 1698. Conociendo, según afirman varios autores, los trabajos de su predecesor y en el que influyó, sin duda, el proselitismo realizado por Savery, quien no dejó pasar ocasión para mostrar su máquina. Entre ambos hay que mencionar a Samuel Morland, maestro mecánico en la corte de Carlos II de Inglaterra, y residente en Vauxhall, que construyó y patentó máquinas diversas, entre ellas versiones mejoradas de la máquina de Somerset, sugiriendo Hutton que, en realidad, Savery pudo tener un mayor conocimiento de los trabajos de Morland que los del propio Somerset.thumb|Tren de vapor.|232x232pxA pesar de todo, la máquina de Savery se introdujo en las minas inglesas de forma muy limitada por el riesgo de explosión debido a un incremento incontrolado de la presión en la máquina. Desaguliers relata que un trabajador ignorante de la naturaleza de la máquina, a la que él había añadido una válvula de seguridad inventada años antes por Denis Papin, «...colgó el peso en el extremo de la romana para obtener más vapor y trabajar más deprisa y añadió además un hierro muy pesado con consecuencias fatales, el vapor no fue capaz de levantar semejante contrapeso y acumulándose en el interior de la caldera provocó una gran explosión que acabó con la vida del pobre hombre». Probablemente sea este el primer accidente laboral con una máquina de vapor del que se tiene constancia.
A diferencia de los dispositivos anteriores, en los que el vapor actúa sobre la propia superficie libre del agua para impulsarla, Christiaan Huygens diseña en 1680 un aparato de pistón en el que el fluido es el aire caliente producido en una explosión que al enfriarse y contraerse arrastra el émbolo, elevando un peso. Años más tarde Papin (1690) sustituye el aire por vapor de agua e, incluso, en una modificación posterior (1695) diseña un horno y generador de vapor de gran eficiencia, con el que logra importantes ahorros de combustible y hasta cuatro golpes del pistón por minuto. Sin saberlo, Papin se encontraba muy cerca de desarrollar la máquina de vapor. Sin embargo, en 1705 Leibniz le hace llegar un dibujo de la máquina de Savery y, dos años más tarde, diseña un nuevo tipo de máquina para elevar el agua, modificación de la de Savery, en la que abandona el modelo de Huygens.
Máquina de expansión thumb|304x304px|Animación del funcionamiento de la máquina de Newcomen.
Auspiciado por Joseph Black, ocupado en las investigaciones que le conducirían al descubrimiento del calor latente, James Watt se propuso mejorar la máquina de Newcomen, descubriendo en el curso de sus experimentos que el motor era un reservorio de calor mucho más vasta que el agua y comprendiendo que era necesario limitar todas las pérdidas de calor que se producían en la artesanal máquina de Newcomen para disminuir el consumo de combustible, principal inconveniente de estas máquinas. Analizando el problema identificó las pérdidas debidas al propio cilindro, a la práctica de enfriar el vapor para lograr el vacío necesario para mover la máquina y a la presión residual del vapor. En sus experimentos posteriores, verdaderos trabajos científicos, llegó a la conclusión de que el cilindro debía mantenerse a la misma temperatura.
Según sus palabras, mientras daba un paseo un espléndido viernes por la tarde y meditaba sobre la máquina, una idea le vino a la cabeza: «como el vapor es un cuerpo elástico se precipitará en el vacío, y, si se comunicara el cilindro con un depósito exhausto, se precipitaría en su interior donde podría condensarse sin enfriar el cilindro». Sin embargo, el desarrollo y perfeccionamiento del condensador separado dejó a Watt en la ruina y en 1765 se vio obligado a buscar empleo y abandonar su trabajo hasta que, en 1767, John Roebuck accedió a financiar sus experimentos y la explotación comercial de la máquina a cambio de las dos terceras partes de los beneficios de la patente que se obtuviera. En 1768 James Watt construyó un modelo que operaba de manera satisfactoria, aún imperfecta, y se presentó el año siguiente la solicitud de la patente. Tras diferentes avatares económicos, Roebuck se desprendió de su parte del negocio en favor de Matthew Boulton y juntos Boulton & Watt finalmente llevarían a la práctica la invención de Watt y otros perfeccionamientos.
La primera máquina se construyó en Kinneil, cerca de Boroughstoness en 1774. A partir de entonces la historia de la máquina de vapor será la de la firma Boulton & Watt, y casi todas las mejoras que se introduzcan en ella serán obra del propio Watt; entre otras, el paralelogramo de Watt, la expansión del vapor, la máquina de doble efecto (en la que el vapor actúa alternativamente sobre ambas caras del pistón), etc.
Aplicaciones miniatura|Motor de vapor y generador, construido en 1910 por Crimmitschauer Maschinenfabrik, que dio potencia hasta 1986 en una fábrica de muebles.