Способность пара производить механическую работу давно известна человеку. Начиная с глубокой древности, появляется целый ряд механизмов, основанных на использовании силы пара. Известно, что еще Леонардо да Винчи оставил описание паровой машины, которая, по его словам, была изобретена Архимедом.

Большое значение имело творчество французского физика Дени Папена, изобретателя парового котла и предохранительного клапана. Он первым в 1690 г. правильно описал пароатмосферный цикл, в котором использовалось атмосферное давление.

Сущность пароатмосферного цикла заключалась в следующем. В цилиндр наливалась вода, до уровня которой опускался поршень. Подогревая воду, получали пар, поднимавший поршень до верхнего положения. Затем упоркой заклинивался шток, огонь убирался, и цилиндр поливался водой. В результате создавались конденсация пара и безвоздушное пространство. Когда убиралась упорка, то поршень под давлением атмосферы опускался, что и позволяло поднимать груз на определенную высоту.

Первый универсальный тепловой двигатель был изобретен в России в 60‑х годах XVIII в. выдающимся русским теплотехником Иваном Ивановичем Ползуновым.

В результате своих исследований И. И. Ползунов в 1763 г. разработал проект создания «огнедействующей машины для заводских нужд». Он предполагал построить двухцилиндровую пароатмосферную машину. По проекту Ползунова пар из котла подавался в один цилиндр, где поднимал поршень до крайнего верхнего положения. Затем из резервуара в цилиндр впрыскивалась струя холодной воды, что приводило к конденсации пара. В результате давления атмосферы на поршень он опускался, в то время как во втором цилиндре в результате давления пара поршень поднимался. Водо– и парораспределение в машине Ползунова осуществлялось специальным автоматическим устройством. Непрерывное рабочее усилие от поршней машины передавалось на шкив, насаженный на вал, с которого движение передавалось водо‑парораспределительному устройству, питательному насосу, а также рабочему валу, от которого приводились в движение воздуходувные меха.

И. И. Ползунов уже в первом проекте паровой машины, созданном в 1763 г., четко сформулировал задачу создания именно универсального теплового двигателя.

Универсальный паровой двигатель, пригодный для практической эксплуатации, был изобретен английским теплотехником Джемсом Уаттом. Работу над паровыми машинами Уатт начал в 1764 г., когда ему поручили исправить модель пароатмосферной машины Ньюкомена. Он обратил внимание на большой непроизводительный расход пара и топлива в машине.

Проведя целый ряд глубоких исследований и опытов, Уатт наконец разрешил эту сложную техническую задачу: он предложил производить конденсацию пара в отдельном резервуаре‑конденсаторе, сообщающемся с цилиндром. Изобретение конденсатора – важнейшее изобретение Уатта на первом этапе работы над паровой машиной.

Патент на него Уатт получил в 1769 г. В заявке на патент он определил свое изобретение как «новый метод уменьшения расхода пара, а следовательно, и топлива в огненных машинах».

Первая машина Уатта значительно удешевила получение механической энергии преимущественно для нужд горной промышленности.

С 1778 г. Уатт начинает разрабатывать машину с непрерывным вращательным движением. В результате была создана машина двойного действия, которая и стала универсальным тепловым двигателем. Патент на эту машину он получил в 1784 году.

Принцип действия машины заключался в том, что пар из котла поступал через золотник в цилиндр. Золотник позволял подавать пар то с одной стороны поршня, то с другой, создавая тем самым необходимое давление на поршень.

В середине 80-х годов XVIII в. конструкция паровой машины была окончательно разработана, и паровая машина двойного действия стала универсальным тепловым двигателем, нашедшим широкое применение почти во всех отраслях хозяйства многих стран.