Поява теплових двигунів пов'язане з виникненням і розвитком промислового виробництва на початку XVII ст. або з першої промислової революцією. І перші великі винаходи в цій області були зроблені головним чином в Англії, самої промислово розвиненою у той час країні. Провідну роль у цьому зіграло гірнича справа.
Копальні, в яких добували руду, а згодом і кам'яне вугілля, потребували пристроях для відкачування води. Але до кінця XVII ст. верхні горизонти англійських родовищ вже виснажилися і глибина шахт стала досягати 200 м. При такій глибині кінний привід откачивающих насосів вже не задовольняв власників шахт, оскільки доводилося тримати до п'ятисот коней на одному руднику.
Для створення нових високопродуктивних установок для відкачування було потрібно замінити кінь в упряжці що-небудь більш продуктивним. Йшлося буквально про життя і смерті гірничорудної промисловості.
Один з творців термодинаміки С. Карно, внесок якого в розвиток теорії теплових двигунів буде висвітлено нижче, писав згодом, що діяльність вугільних, а також залізорудних і мідних копалень загрожувала «зовсім стихнути внаслідок все зростаючих труднощів відкачувати воду і добувати вугілля». Ця чисто практичне завдання і стала причиною того, що першим тепловим двигуном стала машина для відкачування води.
Але раніше потрібно було зрозуміти умови перетворення Тепла в роботу. У 1683 р. англієць Семюель Морленд видав твір, в якому вперше чітко виклав думку, що для підйому води шляхом використання теплоти горіння потрібно спочатку воду перетворити в пару. У творі наводилися навіть розміри циліндра, хід поршня і значення висоти, на яку можна підняти воду.
Отримана за розрахунками Морленд висота 1,2 м непорівнянна з глибиною шахт, і роботи Морленд не могли знайти застосування. Але визнання необхідності перетворення води в пару - це велика заслуга Морленд. Водяний пар став першим робочим тілом теплових двигунів. На тому етапі це було самим природним, оскільки в машинах для відкачування води таке робоче тіло було, так би мовити, «під рукою».
Однак водяна пара в якості робочого тіла широко поширений і зараз. Причини цього - в доступності води, нетоксичність, а також досить високих теплофізичних властивостях пари.
Але для використання водяної пари, крім встановленого Морленд факту, потрібно було виконати ще одну важливу умову. До розуміння цього умови підійшли практично одночасно француз Дені Папен і англієць Томас Севери.
Томас Севери в юності був рудокопів, потім моряком і навіть капітаном торгового флоту, але згодом став шахтовласників і гостро відчув потребу в машині для відкачування води з копалень. У 1698 р. Севери отримав патент № 356 з формулюванням, що він виданий на пристрій «для підйому води і для отримання руху всіх видів виробництва за допомогою рушійної сили вогню ...».
Детальний опис і формула винаходу в патенті не наводилися. Згодом розпливчасте формулювання істоти винаходи принесла Севери чималі вигоди.
Севери перший відокремив робоче тіло (водяна пара) від води, що перекачується. Для цього він зробив окремий котел, а пара, який поламали в казані, через кран випускав у посудину з водою, і пар витісняв воду в напірну (верхню) трубу.
У цій частині пропозицію Севери дуже нагадувало пропозицію де Ко, але на відміну від де Ко і від Вустера Севери зумів реалізувати повторення циклів. Це досягалося тим, що, коли вода повністю витіснялася, а посудину залишався заповненим пором, напірну трубу перекривали і посудину обливали холодною водою, внаслідок чого пара в посудині конденсувався, виникало розрідження і через вхідну трубу всмоктувалася наступна порція води. У 1702 р. Севери опублікував опис машини під назвою «Друг рудокопа».
Назва розкривало її основне призначення. Але машини Севери годилися для різних цілей: для водопостачання міст і великих будинків, для осушення боліт і лугів. Правда, висота підйому води у них була обмежена, і для глибоких копалень вони не годилися.
Згодом машина Севери була вдосконалена Дезагюлье, що запропонував охолоджувати пар в посудині шляхом уприскування в нього води. Це істотно скоротило тривалість конденсації і збільшило частоту робочих циклів, тобто продуктивність. Одна з таких машин була виписана Петром I і встановлена в Літньому саду.
Машини Севери мало відповідали сформованим пізніше уявленням про паровій машині, так як у них не було рухомих частин. Тепер їх називають термомеханічним насосами. Тим не менше це була перша машина, здатна працювати безперервно. Вона мала великий промисловий попит, незважаючи на те, що була вкрай неекономічна (її коефіцієнт корисної дії, як з'ясувалося пізніше, не досягав і 1%).
Через відсутність рухомих частин машини Севери виявилися дуже надійними і довговічними. Ці якості, властиві термомеханічним насосів, є причиною того, що інтерес до них зберігся й донині. Так, в кінці XIX ст. американський інженер Галль отримав 29 патентів на вдосконалений насос типу Севери, який під назвою пульзометра, або парового насоса, широко використовувався в заводському і залізничному водопостачанні.
Пізніше винахідник Гауссман запропонував встановити між парою і водою гнучку плівку, щоб зменшити конденсацію пари. І зараз час від часу з'являються нові термомеханічні насоси, використовувані в тих випадках, коли економічність не настільки важлива, як надійність і довговічність.
Великий вплив на подальший розвиток теплових двигунів надав Дені Папен. Папен людина дуже цікавої долі, член багатьох академій, працював спочатку п Парижі з відомим голландським фізиком Християном Гюйгенсом, а в 1675 р. переселився до Лондона, де тривалий час працював з іншим відомим фізиком Робертом Ьойлем. У ході спільних робіт з Гюйгенсом Папен ознайомився з принципом отримання роботи за рахунок використання поршня в циліндрі. Ця ідея спочатку розвивалася паризьким абатом Жаном Готфейлем.
Пропозиції Гюйгенса і Готфейля були дуже схожі. У циліндр поміщали поршень і під ним підпалювали порох. Під дією продуктів згоряння поршень піднімався, його фіксували в цьому положенні, продукти згоряння охолоджували. У результаті їх обсяг зменшувався, під поршнем виникало розрідження. Під дією атмосферного тиску поршень опускався і міг робити корисну роботу.
Використання атмосферного тиску було в той час природним вирішенням проблеми, навіяним впливом відкритого в XVII ст. атмосферного тиску, силу якого так наочно продемонстрував в 1654 р. бургомістр Магдебурга Отто фон Геріке. Широко відомий його досвід з магдебурзькими півкулями, з яких був відкачано повітря (їх не могли роз'єднати 16 коней).
Для того щоб відкачати повітря, Геріке винайшов перший вакуумний насос (тепер таку конструкцію мають велосипедні насоси, що відрізняються від насоса Геріке тільки розташуванням клапанів). Геріке належать і інші винаходи: перший барометр і один з перших термометрів. Обидва ці приладу прикрашали одну зі стін його будинку.
У 1654 р. Геріке продемонстрував у Регенсбурзі ще один цікавий досвід. Поршень зафіксували у верхньому положенні, створивши під ним і над ним вакуум, і прив'язали мотузку, перекинуту через блок. За кінець мотузки вхопилися двадцять чоловіків. Коли Геріке відкрив доступ повітря з атмосфери в простір над поршнем, то під тиском атмосферного повітря поршень опустився, піднявши тих, хто хотів його утримати.
Саме ці досліди наштовхнули свого часу Готф-ля і Гюйгенса на ідею атмосферного двигуна. Розробки Гюйгенса і Готфейля навели Папена на думку замінити продукти згоряння пором, який можна сконденсувати. Оскільки обсяг конденсату набагато менше, можна одержати більш високу розрідження, і корисна робота буде більше.
У його паровій машині, яку він запропонував за 8 років до появи машин Севери, циліндр встановлювали вертикально і під поршень наливали воду. Потім дно циліндра нагрівали, і поршень піднімався під тиском пари. Розрідження під поршнем виникало, коли переставали нагрівати дно циліндра і пар охолоджувався.
Ця машина сильно поступалася машині Севери через те, що котел був об'єднаний з циліндром, і з-за тривалості охолодження циліндра. Природно, успіху вона не мала. Але в 1698 р. одночасно з появою патенту Севери Папен опублікував брошуру, в якій вперше вказав на те, що, крім перетворення води в пару, необхідний процес конденсації, і це одна з неодмінних умов отримання роботи, тобто фактично описав замкнутий цикл роботи пари в паровій машині.
У 1707 р., працюючи в Касселі, Папен під впливом Севери повертається до ідеї створення поршневий машини. Тепер котел вже відокремлений від циліндра. Пар тисне на поршень зверху, і він витісняє з циліндра воду через отвір у дні. Ця машина теж сильно поступалася машині Севери, так як у неї не було всмоктуючого ходу, і тому вона теж не набула поширення.
Але важливо, що процес конденсації Папен виніс за межі циліндра (відпрацював пар випускався в атмосферу). Крім того, він передбачив подачу води на лопатки водяного колеса для отримання безперервного обертання валу відбору потужності і в цьому сильно випередив багатьох винахідників.
До ідеї з водяним колесом поверталися потім неодноразово. У промисловця Ригеля в Манчестері, наприклад, паровий насос Севери використовувався для подачі води на водяне колесо, яке оберталося верстати. Пізніше ця ж ідея в дещо зміненому вигляді лягла в основу мокрогазовой турбіни.
Внесок Папена в науку і техніку не обмежується роботами над створенням парової машини. До цих пір успішно застосовується його винахід - автоклав. Йому ж належить винахід запобіжного клапана. Відомі його роботи з вивчення властивостей водяної пари.
На батьківщині Папена, у маленькому французькому містечку Блуа, йому встановлено красивий пам'ятник. На вершині сходів мармуровий п'єдестал, на якому стоїть бронзова фігура, притискає до боку циліндр парової машини.
У чому ж заслуга винахідників цього періоду? Вони вперше застосували на практиці головні умови перетворення тепла в роботу. Мало мати пружне робоче тіло і підводити до нього теплоту. Частина теплоти це робоче тіло повинне віддати холодного джерела після розширення.