bagaimana cara kerja mesin uap?

Berbicara tentang mesin uap sekarang ini nampaknya sudah tidak relevan lagi karena hal itu sudah tinggal kenangan saja. Sejarah mesin uap yang mulai berkembang sejak awal abad 17 dan mencapai jaman kemasannya pada pada medio pertama abad 19, dimana pada saat itu prime mover untuk industri maupun transportasi (kapal laut dan kereta api) menggandalkan mesin uap. Era mesin uap telah berlalu, tapi turbin uap masih banyak dipakai karena hampir 80% pembangkit tenaga listrik didunia ini menggunakan turbin uap. Jadi masih ada sedikit kaitannya untuk mengetahui mesin uap. (Referensi : http://en.wikipedia.org/)

Mesin uap (steam engines) masuk dalam kategori pesawat kalor, yaitu peralatan yang digunakan untuk merubah tenaga termis dari bahan bakar menjadi tenaga mekanis melalui proses pembakaran. Ada dua jenis pesawat kalor yaitu Internal Combustion Engines/ICE (motor pembakaran dalam) dan External Combustion Engines/ECE (motor pembakaran luar). Pada pesawat kalor jenis ICE,  proses pembakaran bahan bakar untuk mengasilkan tenaga mekanis dilakukan didalam peralatan itu sendiri; sedangkan pada ECE, peralatan ini hanya merubah tenaga termis menjadi tenaga mekanis  adapun proses pembakaran dilakukan diluar peralatan tersebut.

Contoh dari pesawat kalor jenis ICE adalah motor bensin dan motor disel yang sangat populer sebagai prime mover baik untuk otomotif maupun untuk industri. Pada motor bensin dan motor disel proses pembakaran bahan bakar (bensin/solar) dilakukan didalam silinder motor itu sendiri dan perubahan tenaga termis hasil pembakaran menjadi tenaga mekanis juga dilakukan didalam pesawat itu sendiri melalui gerakan kian kemari dari piston menjadi gerakan putaran dari crank shaft.

Contoh dari pesawat kalor jenis ECE adalah mesin uap dan turbin uap. Pada peralatan ini, mesin uap hanya merubah tenaga potensial dari uap menjadi tenaga mekanis berupa gerakan kian kemari dari piston dan selanjutnya diubah menjadi gerakan putaran dari crank shaft; sedangkan turbine uap merubah tenaga potensial dari uap menjadi tenaga mekanis yang langsung merupakan gerakan putaran dari as turbin. Adapun proses pembakaran bahan bakar dilakukan diluar mesin uap dan turbin uap, yaitu didalam ketel uap (boiler). Didalam ketel uap (boiler) tenaga termis hasil pembakaran bahan bakar digunakan untuk memanaskan air sehingga berubah menjadi uap dengan temperatur dan tekanan tinggi, untuk selanjutnya uap dengan temperatur dan tekanan tinggi tersebut dialirkan ke-mesin uap atau turbin uap untuk diubah menjadi tenaga mekanis.

Adapun cara kerja mesin uap adalah sebagai berikut :
Lihat gambar dibawah ini,

Didalam cylinder mesin uap terdapat piston yang mempunyai piston rod yang dihubungkan dengan cross head yang berada diluar cylinder. Cross head dihubungkan oleh connecting rod dengan crank shaft (tidak tampak pada gambar), sehingga apabila piston bergerak kian kemari maka crank shaft dapat berputar.
Slide valve yang mempunyai valve rod digerakkan oleh crank shaft melalui eksentrik, sehingga slide valve dapat bergerak kian kemari sambil membuka dan menutup dua buah lubang uap yang berhubungan dengan cylinder. Valve box dimana slide valve berada mempunyai dua saluran, saluran pemasukan yang dihubungkan dengan boiler untuk menyalurkan uap dengan tekanan tinggi (warna merah), dan saluran pembuangan yang dihubungkan dengan cerobong untuk membuang uap bekas (warna biru).

Pada waktu piston mencapai posisi paling kiri, maka slide valve akan membuka lubang uap cylinder bagian kiri sehingga uap dari boiler dapat masuk kedalam cylinder pada bagian kiri dari piston dan mendorong piston kekanan, sementara itu lubang uap sebelah kanan dihubungkan dengan saluran pembuangan sehingga uap bekas dapat terbuang keluar melalui cerobong. Sebelum akhir langkah piston, lubang uap tersebut sudah ditutup oleh slide valve sehingga pasokan uap terhenti namun piston tetap bergerak kekanan karena ekpansi dari uap.

Pada waktu piston mencapai posisi paling kanan, maka slide valve akan membuka lubang uap cylinder bagian kanan sehingga uap dari boiler dapat masuk kedalam cylinder pada bagian kanan piston dan mendorong piston kekiri, sementara itu lubang uap sebelah kiri dihubungkan dengan saluran pembuangan sehingga uap bekas dapat terbuang melalui cerobong. Sebelum akhir langkah piston, lubang uap tersebut sudah ditutup oleh slide valve sehingga pasokan uap terhenti namun piston tetap bergerak kekanan karena ekpansi dari uap.
Karena cross head dengan crank shaft dihubungkan oleh connecting rod, maka gerakan kian kemari dari piston tersebut akan diubah menjadi gerakan putaran dari crank shaft. Demikian selama ada pasokan uap dari boiler maka mesin uap akan merubah menjadi tenaga mekanis dengan gerakan putaran dari crank shaft.

Lokomotif uap biasanya mempunyai 2 buah mesin uap yang dipasang dikanan dan kiri lokomotif, gerakan putaran yang dihasilkan oleh kedua buah mesin uap tersebut langsung digunakan untuk memutarkan roda lokomatif sehingga mampu menarik seluruh rangkaian kereta api (lihat gambar dibawa ini).