Máquina a vapor de Watt: modelo 3D interativo

O que o modelo mostra

Antes de James Watt, uma máquina a vapor gastava a maior parte do seu carvão aquecendo e resfriando o mesmo cilindro de ferro, doze vezes ou mais por minuto. Este modelo mostra a máquina que resolveu isso e que depois passou a girar os eixos das fábricas, em vez de apenas acionar bombas.

É uma máquina rotativa de balancim do tipo que Boulton e Watt construíam na década de 1780, mostrada em um décimo do tamanho real e cortada ao meio. As faces vermelhas são superfícies de corte. O vapor vivo da caldeira é laranja, o vapor usado a caminho do condensador é azul-claro e a água é azul-escuro. As proporções seguem a máquina Boulton e Watt de 1785 do Powerhouse Museum, em Sydney: diâmetro interno de 635 mm (25 polegadas), curso de 1,83 m (6 pés) e volante de 4,27 m (14 pés).

O painel no canto mostra a velocidade do volante, quanto a borboleta está aberta, a potência que o vapor está entregando ao pistão, o carvão que a máquina está queimando e a pressão acima do pistão. Uma pequena curva abaixo do gráfico guarda os últimos 30 segundos de velocidade (vermelho) e de borboleta (azul), para você ver o regulador responder quando muda a carga. O gráfico de baixo é o ciclo pressão-volume do topo do cilindro, desenhado ao vivo enquanto a máquina funciona. O contorno cinza atrás dele é o ciclo na carga de projeto, para você ver como ele muda quando mexe no controle de carga.

Por que a máquina de Newcomen queimava tanto carvão

A máquina atmosférica de Thomas Newcomen, de 1712, enchia o cilindro de vapor e depois borrifava água fria lá dentro. O vapor condensava, a pressão no cilindro caía e o ar de fora empurrava o pistão para baixo. Funcionava, mas cada curso esfriava as paredes do cilindro, e a carga seguinte de vapor tinha de aquecê-las de novo antes de conseguir encher o espaço. Boa parte do vapor, e do carvão que o produzia, ia embora esquentando ferro.

Watt se deparou com o problema em 1763, quando o College de Glasgow lhe pediu para consertar um modelo de máquina de Newcomen que vivia parando por falta de vapor. Sua resposta, que ele já tinha funcionando num modelo em 1765, foi condensar o vapor em outro lugar. A patente foi concedida em 5 de janeiro de 1769, e sua primeira reivindicação dizia que o cilindro "deve, durante todo o tempo em que a máquina estiver trabalhando, ser mantido tão quente quanto o vapor que entra nele".

O condensador separado

No modelo, o condensador é o recipiente de ferro dentro da cisterna de madeira com água fria, sob o piso da casa de máquinas. Quando uma ponta do cilindro se abre para o escape, o vapor desce rápido pelo tubo até o condensador, onde um jato de água fria vindo da torneira de injeção o transforma de novo em água. A água ocupa muito menos espaço que o vapor, por isso a pressão no condensador fica baixa, cerca de 0,2 bar no modelo. O cilindro nunca toca água fria, então continua quente.

A condensação produz água, e um pouco de ar entra com o vapor ou vaza pelas juntas. A bomba de ar ao lado do condensador retira os dois. Seu balde é acionado por uma haste presa ao balancim, e a água morna que ela levanta vai para o poço quente, de onde um tubo de alimentação a devolve à caldeira. O Science Museum resume o resultado de forma simples: as máquinas com o condensador de Watt queimavam dois terços menos carvão.

Os números do modelo mostram por quê. Com a borboleta na abertura de referência de 45%, o vapor chega ao cilindro a 1,14 bar absoluto, só um pouco acima do ar de fora. Com o outro lado do pistão aberto para o condensador a 0,2 bar, cada curso duplo faz cerca de 80 kJ de trabalho. Se a mesma máquina soltasse o escape no ar livre, a 1,01 bar, a contrapressão anularia o empurrão para a frente e a máquina pararia.

Vapor dos dois lados do pistão

As primeiras máquinas de Watt eram de ação simples, como as de Newcomen: o vapor empurrava o pistão para baixo e o peso das hastes da bomba o puxava de volta. Para mover máquinas com suavidade, Watt patenteou a dupla ação em março de 1782. O vapor age em cima do pistão na descida e embaixo na subida, e o lado que não está sendo empurrado fica aberto para o condensador.

O modelo usa uma válvula corrediça para fazer a troca. É um bloco de latão oco por baixo, que sobe e desce sobre três janelas na face da válvula. A janela de cima leva ao topo do cilindro, a de baixo à parte de baixo, e a do meio ao escape. Quando a válvula descobre uma janela externa para a caixa de vapor, o vão dela liga a outra janela externa ao escape.

As bordas externas da válvula são mais largas que as janelas por uma margem chamada recobrimento de admissão. Por causa do recobrimento, a válvula fecha o vapor novo bem antes do fim do curso: a 46% do curso de descida e a 55% do curso de subida no modelo. Os dois números são diferentes porque a ponta do balancim descreve um arco e as hastes não são infinitamente longas. Depois do corte, o vapor preso continua empurrando enquanto se expande, o que economiza vapor. Watt descreveu esse trabalho por expansão na mesma patente de 1782.

Transformar o balanço do balancim em rotação

O topo da haste do pistão precisa se mover em linha reta, senão rasgaria o engaxetamento. Mas a ponta do balancim se move num arco. A resposta de Watt, em 1784, foi o movimento paralelo: um conjunto de barras e uma barra de raio arranjadas de modo que uma articulação trace uma linha quase reta durante todo o curso. Watt dizia que era a invenção de que mais se orgulhava. O mecanismo real de Watt só se aproxima de uma reta; o modelo mantém a cruzeta exatamente no eixo do cilindro e calcula dali a posição das barras.

Na outra ponta do balancim, uma biela desce até o eixo. Em vez de uma manivela, ela leva uma engrenagem fixa à biela, que não pode girar sobre ela. Essa engrenagem planeta engrena com uma engrenagem sol do mesmo tamanho no eixo do volante, e uma cinta mantém as duas juntas. Enquanto o planeta é levado em volta, o sol gira duas vezes a cada subida e descida do pistão. Watt a usou porque, como conta o histórico da ASME, a manivela, a solução óbvia, já tinha sido patenteada por outra pessoa.

O volante de 4,27 m leva o eixo através dos dois pontos mortos de cada volta, quando o pistão está no fim do curso e não consegue girar o eixo.

Como o regulador segura a velocidade

Uma máquina de fábrica precisa girar quase na mesma velocidade, estejam as máquinas que ela move trabalhando ou paradas. O regulador centrífugo faz isso sem ninguém vigiar. Duas bolas de latão pendem de braços num fuso movido pelo eixo do volante. Quando o fuso gira mais rápido, as bolas se afastam para fora e para cima. Isso levanta uma luva, que aciona uma alavanca angular e uma haste comprida até a borboleta do tubo de vapor e a fecha um pouco. Chega menos vapor ao cilindro, e a máquina desacelera. Se ela desacelera demais, as bolas descem e a borboleta abre.

Experimente em Controles. Na carga de projeto de 30 hp, a máquina se estabiliza em 40,3 rpm. Baixe a carga para 10 hp e o volante acelera por um instante até 42,8 rpm, depois a borboleta fecha até cerca de 8% e a velocidade fica em 42,6 rpm. Desligue o regulador e faça o mesmo: a borboleta fica onde estava e a máquina passa de 110 rpm em menos de um minuto. Suba a carga para 40 hp e a borboleta abre toda, mas mesmo assim a máquina cai para cerca de 29 rpm. Acima de uns 37 hp a 40 rpm, o cilindro simplesmente não consegue fornecer trabalho suficiente.

Um regulador como este nunca volta exatamente à velocidade original. Ele precisa de um pequeno erro de velocidade para manter a borboleta numa nova posição, então a máquina gira um pouco mais rápido com carga leve do que com carga pesada. Os engenheiros chamam isso de estatismo.

Os números, calculados

A fórmula da altura do regulador vem do pêndulo cônico: uma bola que gira em torno de um eixo vertical se acomoda onde a puxada do braço para dentro equilibra a gravidade, a uma altura h = g/ω² abaixo do pivô, qualquer que seja a sua massa. Gire mais rápido e h diminui, então as bolas sobem. A American Society of Mechanical Engineers (ASME) estima a máquina de Whitbread em cerca de 35 cavalos indicados depois de ter virado dupla ação, supondo uma pressão média efetiva de 10 psi e de 20 a 21 cursos por minuto. O modelo chega aos mesmos números.

Newcomen contra Watt, na mesma máquina

A aba Controles tem uma chave chamada Condensador separado. Desligue-a e o modelo funciona como a máquina de Newcomen: o jato frio é borrifado direto no cilindro no fim de cada curso, e o condensador fica parado. Duas coisas mudam. O vácuo piora, porque o jato luta contra uma parede de cilindro quente, então a contrapressão do modelo sobe de 0,2 bar para 0,55 bar. E as paredes esfriam a cada curso, então a carga seguinte de vapor precisa reaquecê-las antes de conseguir empurrar.

O segundo efeito é o que Watt queria eliminar, e é ele que custa carvão. O modelo o conta somando ao vapor que trabalha o vapor que condensa nas paredes. Com o condensador separado, ele soma 0,6 kg para cada quilograma que trabalha, o que representa um cilindro com camisa que ainda perde algum calor. Com o jato no cilindro, soma 2 kg, então dois terços de todo o vapor vão para reaquecer ferro. Os dois números são valores do modelo, escolhidos para o resultado ficar perto dos "dois terços menos carvão" do Science Museum.

As barras do laboratório mostram o resultado para a mesma máquina a 40 rpm com a borboleta toda aberta:

São 3,1 vezes mais carvão para o mesmo trabalho. No modelo em funcionamento, a diferença aparece de outro jeito também. Na carga de projeto de 30 hp, o ajuste Newcomen não aguenta: a borboleta abre toda, a velocidade cai e a máquina para. Baixe a carga para 15 hp e ela mantém 40,6 rpm, mas queima 239 kg de carvão por hora, contra 87 kg do ajuste Watt com a mesma carga.

Carvão por cavalo-hora, calculado

Os engenheiros da época de Watt comparavam máquinas pelo trabalho que faziam com uma certa quantidade de carvão. O modelo faz a mesma conta, passo a passo, na carga de projeto e com o regulador funcionando:

Dois desses números são suposições, não resultados: a caldeira do modelo produz 6 kg de vapor por quilograma de carvão, e o carvão tem 29 MJ por quilograma. Os dois são valores do modelo. Mude qualquer um deles e todos os números abaixo dele na tabela mudam junto.

Vale ler a última linha devagar. De cada cem unidades de calor do carvão, menos de três chegam ao pistão como trabalho. O resto sobe pela chaminé, vai para a água fria da cisterna e para a água morna que a bomba de ar joga no poço quente. No modelo, um quilograma de carvão dá 0,78 MJ de trabalho no pistão. É o bastante para levantar uma tonelada de água a 80 metros, exatamente o tipo de serviço para o qual essas máquinas eram compradas. No ajuste Newcomen, o mesmo quilograma dá 0,27 MJ.

O que é um cavalo de potência

O painel de potência mostra primeiro os cavalos de potência porque essa era a unidade com que Watt classificava suas máquinas. Um cavalo de potência (hp) são 33.000 pés-libra de trabalho por minuto: uma força de 33.000 libras deslocada um pé, ou de 330 libras deslocada 100 pés, a cada minuto. O National Institute of Standards and Technology (NIST), dos EUA, dá a conversão como 550 pés-libra por segundo, que são 745,7 watts. O modelo divide por esse número para passar de watts a cavalos, então 26,1 kW aparecem como 35,0 hp.

O número em quilowatts está ao lado porque hoje quase tudo é medido em watts. Na unidade do próprio Watt, os 10 a 15 cavalos da máquina de Sydney depois da reforma eram o trabalho de 10 a 15 cavalos, sem descanso.

Cortar o vapor mais cedo

Watt percebeu que o vapor que já estava no cilindro podia continuar trabalhando depois que a válvula fechava, e o controle de corte de admissão deixa você experimentar isso. Ele define até que ponto do curso o vapor novo continua entrando. A válvula corrediça do modelo é uma válvula de verdade, então mudar o corte muda o recobrimento e o ângulo de avanço, e o escape também abre em outro ponto. Sem avanço linear, uma válvula cujo recobrimento é uma fração L do seu percurso corta numa posição do pistão de aproximadamente cos²δ, onde sin δ = L. Os 45° do modelo dão um corte perto da metade do curso.

A expansão compensa porque o vapor preso continua empurrando de graça. Se vapor a temperatura constante se expande até o dobro do volume, faz 1 + ln 2 = 1,69 vez o trabalho que fez enquanto entrava. Expandido quatro vezes, faz 2,39 vezes mais. Por isso um corte curto tira mais trabalho de cada quilograma de vapor.

O problema é que um corte curto também significa menos vapor por curso, e portanto menos potência. Ponha o corte em 25% com os 1,45 bar de Watt e a máquina não aguenta 30 hp: desacelera e para. Suba a pressão da caldeira para 2,5 bar e ela volta a manter 41,4 rpm com a borboleta só 24% aberta, gastando 2,4 kg de carvão por hp·h em vez de 3,4. Foi o caminho dos engenheiros que vieram depois. As máquinas de bombeamento da Cornualha dos anos 1800 usavam vapor de alta pressão e o cortavam cedo; ajuste o modelo para corte de 20% a 3,5 bar, em ação simples, e as barras mostram 1,8 kg por hp·h.

Ação simples e dupla ação

A chave Dupla ação deixa ou não o vapor entrar embaixo do cilindro. Desligada, a parte de baixo do pistão fica sempre aberta para o condensador, como nas primeiras máquinas de bombeamento de Watt. O trabalho por curso duplo cai pela metade, e com a borboleta toda aberta o modelo dá 20 hp em vez de 42. Na carga de projeto de 30 hp, a máquina de ação simples vai desacelerando até parar. Com 15 hp ela mantém cerca de 38 rpm com a borboleta 84% aberta.

Também dá para ver a diferença no palco. No ajuste de ação simples, a parte de baixo do cilindro fica azul-clara o tempo todo, e o ponto p-V do gráfico passa metade de cada ciclo na linha do condensador.

Máquinas da história

A lista “Máquinas da história” reúne 76 máquinas, da bomba de Savery de 1698 até uma usina a carvão atual. Você pode buscar por nome, ano ou lugar e filtrar por país e uso: bombas de minas e de água, fábricas e moinhos, locomotivas e veículos rodoviários, navios, eletricidade e modelos ou patentes. Escolher uma máquina faz duas coisas. Mostra no palco o tipo correspondente, um dos seis descritos abaixo, e ajusta os quatro parâmetros do modelo de Watt para representá-lo: destino do escape (injeção no cilindro, condensador separado ou ar livre), ação simples ou dupla, corte de admissão e pressão da caldeira. Esses ajustes descrevem o tipo de máquina, não medições daquele exemplar específico.

As notas abaixo do menu trazem o que os museus e as instituições dizem sobre cada uma. Algumas dão um número de potência, e ele aparece como o da máquina real: 1000 hp para a máquina do SS Great Britain em 1843, 1400 hp para a máquina Corliss que movia o Pavilhão de Máquinas na Exposição do Centenário de 1876 e 700 hp para a máquina de fábrica de Burnley de 1903. A última opção nem é uma máquina de pistão. Em 2024, as usinas a carvão dos EUA usaram em média 10.777 Btu de combustível para cada quilowatt-hora produzido, e como um quilowatt-hora são 3412 Btu, isso dá uma eficiência de 31,7%. Elas ainda fervem água, expandem o vapor e o condensam, mas em turbinas e a pressões e temperaturas muito mais altas.

As opções de locomotiva mostram por que as ferrovias podiam dispensar o condensador. Um ajuste do tipo Rocket solta o escape no ar a 1,01 bar, o que, na pressão de Watt, não deixaria quase nada. A 4,4 bar há pressão suficiente para empurrar contra a atmosfera e ainda fazer trabalho, ao custo de mais carvão por cavalo.

Da máquina de James Watt à Baroneza: a primeira ferrovia do Brasil

As máquinas de James Watt trabalhavam paradas dentro de um prédio. O condensador separado e o balancim pesavam demais para andar sobre trilhos. A locomotiva vem da outra linha deste palco, a máquina de alta pressão sem condensador, que solta o vapor usado pela chaminé. No Brasil essa linha chegou em 30 de abril de 1854, quando a Imperial Companhia de Navegação a Vapor e Estrada de Ferro de Petrópolis, de Irineu Evangelista de Sousa, inaugurou o primeiro trecho ferroviário do país, entre o Porto de Mauá e Fragoso. Segundo a Biblioteca Nacional, esse trecho tinha 14,5 km; em 1856 a linha foi prolongada até a Raiz da Serra e chegou a 16,3 km. No dia da inauguração, o Imperador concedeu a Irineu o título de Barão de Mauá.

A locomotiva da viagem inaugural foi a Baroneza. O catálogo da Biblioteca do IBGE registra que ela foi construída na Inglaterra em 1852 por William Fairbairn, pesa cerca de 17 toneladas, tem roda motriz de 1,5 metro e cilindros com curso de 381 milímetros, e hoje está no Museu do Trem, no Engenho de Dentro, no Rio de Janeiro. Em 1954, no centenário, o trecho de Mauá a Fragoso foi tombado como monumento histórico nacional.

Para comparar, toque em Rocket no palco. É uma locomotiva de 1829 com o mesmo princípio da Baroneza: o vapor de alta pressão, depois de empurrar o pistão, sai pela chaminé e aviva o fogo. A diferença em relação à máquina de Watt está no vapor usado. Watt o condensa para ganhar o vácuo; a locomotiva o joga fora para ficar leve.

Seis máquinas no mesmo palco

Os botões na parte inferior do palco trocam a máquina de Watt por outras cinco. Todas se movem, e os números passam a mostrar a pressão, o rendimento, o consumo de carvão e a rotação daquela máquina. Uma pequena marca depois de cada valor indica sua origem: “fonte” leva à página do museu ou do marco histórico; “modelo” significa que o valor foi calculado pelo modelo desta página para aquele tipo de máquina.

Newcomen, 1712. O cilindro, aberto em cima, fica sobre uma caldeira em forma de meda. Vapor quase à pressão do ar preenche o espaço sob o pistão. Um jato de água fria do reservatório na parede condensa o vapor, e o ar acima empurra o pistão para baixo. Correntes nas pontas arqueadas do balancim mantêm a haste do pistão e a da bomba em movimento vertical retilíneo. John Lienhard, da Universidade de Houston, estima o rendimento das primeiras máquinas de Newcomen em cerca de um terço de um por cento: 1 kg de carvão de 29 MJ fazia aproximadamente 0.1 MJ de trabalho. A Old Sarah do Science Museum, uma máquina atmosférica perto de Wakefield, ainda bombeava de 330 ft de profundidade em 1917, a cerca de 5 cursos por minuto.

Watt, 1785. É a máquina tratada no restante desta página. Com o condensador separado a 1.45 bar, o modelo apresenta rendimento de 2.8% e consumo de 3.3 kg de carvão por cavalo-hora.

Trevithick, 1805. A máquina da Hazledine and Co. do Science Museum trabalhava a cerca de 50 psi acima da atmosfera (4.46 bar absolutos) e fornecia 3 hp. O cilindro fica embutido na caldeira para receber vapor quente, e o escape sai pela chaminé: não há condensador nem balancim. O modelo dá 2.3% de rendimento. A alta pressão compensa boa parte da perda por liberar o vapor à pressão atmosférica, em uma máquina muito menor.

Rocket, 1829. Segundo o Science Museum Group, a locomotiva de Stephenson reuniu a caldeira multitubular e o tubo de escape que cria a tiragem. O vapor dos dois cilindros inclinados é lançado pela chaminé e puxa os gases da fornalha através dos tubos: quanto mais a máquina trabalha, mais forte o fogo queima. Com a mesma alta pressão e sem condensador, o modelo dá 2.2%.

Tripla expansão, 1894. O vapor passa por três cilindros cada vez maiores; cada um usa o vapor já expandido pelo anterior. A máquina de bombeamento Leavitt, em Chestnut Hill, Boston, é um marco histórico da ASME. Nos testes, funcionou a 175.7 psi (13.1 bar absolutos) e 50.6 rpm, queimando 1.146 lb de carvão por cavalo-hora. Isso equivale a 0.52 kg e, com 29 MJ por kg, a um rendimento de 17.8%, seis vezes o do modelo de Watt. A brochura da ASME dá 20.8% para a máquina sozinha, medidos a partir do vapor. Navios Liberty da Segunda Guerra Mundial, como o SS Jeremiah O’Brien, ainda usavam uma máquina de tripla expansão de 2,500 hp.

Turbina Parsons, 1884. Não há pistão. No modelo, o vapor entra no meio da carcaça e se expande por fileiras de pás móveis no rotor e pás fixas na carcaça, girando diretamente o eixo. O Science Museum Group informa 18,000 rpm para a primeira turbina de Parsons, uma rotação adequada a um dínamo, mas não informa o rendimento; o mostrador avisa disso. Em 1892, três turbinas Parsons de 100 kW com condensadores, em Cambridge, igualaram nos testes o rendimento das melhores máquinas de pistão do mesmo porte. O mostrador também apresenta uma usina a carvão atual para comparação: 31.7%.

Um quilograma de carvão, máquina por máquina

Na corrida de rendimento abaixo dos controles, cada máquina queima 1 kg de carvão e ergue água a 10 m. Erguer um quilograma por 10 m exige 9.81 × 10 = 98.1 J. Como 1 kg de carvão contém 29 MJ, a massa de água erguida é 29,000,000 × rendimento ÷ 98.1 kg.

Duas linhas foram calculadas a partir do consumo de carvão. A máquina de balancim da Peel, Williams and Peel de 1846 queimava cerca de 6 lb por cavalo-hora, o que equivale a 2.72 kg e 3.4% de rendimento. As 1.146 lb da máquina Leavitt equivalem a 0.52 kg e 17.8%. Os 11% da máquina da Cornualha são o rendimento global informado pela ASME para uma máquina de 80 inch da Cornualha em 1835. A mesma brochura diz que as máquinas da Cornualha dos anos 1830 moviam quatro a cinco vezes mais água por tonelada de carvão que as melhores máquinas de Watt. O artigo da ASEE calcula cerca de 1.4% de rendimento para a máquina de Smeaton em Long Benton a partir de seu trabalho de 9.45 milhões de pés-libra por bushel de carvão. Da primeira máquina de Newcomen a uma usina atual, o mesmo carvão ergue 96 vezes mais água.

As barras usam escala logarítmica: cada passo no eixo multiplica por dez o anterior. Em uma escala linear, a barra de Newcomen ficaria curta demais para ser vista. O gráfico abaixo da corrida coloca as mesmas nove máquinas em uma linha do tempo.

Desafios e válvula de segurança

Os sete desafios abaixo dos controles permitem observar uma propriedade das máquinas por vez. Três precisam do modelo de Watt: fazer três vezes o trabalho de Newcomen com o mesmo carvão, manter 40 rpm sob carga de 60 hp e passar de 4% de rendimento com corte de admissão mais cedo e maior pressão de caldeira. A 1.45 bar, o modelo cai abaixo de 38 rpm perto de 37 hp e já está parado ao chegar a 50 hp; por isso, no desafio de carga, é preciso antes subir a caldeira para 2.5 bar ou mais. O quarto usa a válvula de segurança, uma alavanca com peso sobre a caldeira. A caldeira em forma de carroça do modelo tem limite de 3.5 bar, um valor escolhido por nós para uma caldeira de baixa pressão desse formato. Se você elevar o ajuste acima do limite com a válvula ligada, a alavanca sobe e libera vapor, mantendo a máquina em operação a 3.5 bar. Se desligar a válvula, o mostrador avisa do perigo para a caldeira.

Manômetros e fumaça

Dois mostradores no modelo indicam as pressões que o maquinista acompanhava. O manômetro de vapor, no tubo ao lado do cilindro, lê a caixa de vapor depois da borboleta, por isso o ponteiro cai quando o regulador fecha a borboleta. O vacuômetro do condensador marca 0,2 bar com o condensador de Watt e 0,55 bar no ajuste Newcomen. A fumaça da chaminé acompanha o carvão que o modelo queima: fica mais densa quando você sobe a carga ou escolhe um ajuste desperdiçador.

Como ler o ciclo pressão-volume

Siga o ponto vermelho no sentido horário. O topo plano é a admissão, quando o topo do cilindro está aberto para a caixa de vapor. A curva que desce a partir dele é a expansão depois do corte, quando a pressão cai à medida que o volume cresce. A 84% do curso, a válvula abre o topo para o escape e a pressão cai até a linha do condensador. No curso de volta, a válvula fecha o escape antes de o pistão chegar ao topo, então o resto do vapor é comprimido no espaço morto e amortece o pistão. A área dentro do ciclo é o trabalho feito naquele lado do pistão em um ciclo.

Baixe a carga e veja o ciclo encolher. O regulador fecha a borboleta, a pressão na caixa de vapor cai e o topo plano do ciclo desce. Isso se chama regulação por estrangulamento: a máquina corta sempre no mesmo ponto, mas trabalha com um vapor mais rarefeito.

Onde o modelo difere das máquinas reais

A máquina de 1785 admite vapor por válvulas de assento, não por uma válvula corrediça. Usamos uma corrediça porque uma única peça móvel mostra todos os eventos da distribuição. A biela real tem 5,5 m, mais que os 4 m do modelo, e o balancim da máquina de Whitbread foi trocado por um de ferro fundido anos depois da construção, enquanto o nosso é de carvalho. A pressão da caldeira é escolha nossa: 1,45 bar absoluto, para que, depois do tubo e da borboleta, a caixa de vapor fique um pouco acima da pressão atmosférica, perto dos 3 psi acima da atmosfera que a ASME sugere. O volante também é mais leve que um real, para que uma mudança de carga se estabilize em segundos e não em minutos.

Do modelo de condensador à máquina Lap

Watt construiu seu modelo de condensador em 1765 e recebeu a patente em 1769. Depois de se associar a Matthew Boulton, a patente foi posta em prática em 1776, numa máquina de bombeamento de mina e numa máquina sopradora para uma siderurgia. A ASME diz que elas queimavam um terço do combustível normal na época. Depois veio o movimento rotativo: a patente de Watt para o "movimento circular em torno de um eixo", que incluía a engrenagem sol e planeta, é de 25 de outubro de 1781. A dupla ação e o trabalho por expansão vieram em março de 1782, e o movimento paralelo em agosto de 1784.

A máquina da cervejaria Whitbread, em Sydney, foi instalada em 1785, talvez a sexta máquina rotativa da empresa, e trabalhou 102 anos, até 1887. O Powerhouse Museum diz que ela foi reformada para aumentar a potência de 10 para 15 cavalos e que o regulador foi acrescentado na década de 1790. A máquina Lap, de 1788, hoje no Science Museum de Londres, moveu os discos de polimento da Soho Manufactory de Boulton por 70 anos. A ASME a registra como a primeira máquina equipada com regulador centrífugo. Watt a classificou em 10 cavalos, e um teste de 1858 mediu 13,75. No total, Boulton e Watt construíram cerca de 500 máquinas, cerca de 60% delas rotativas.