Una máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía térmica de una cantidad de vapor de agua en energía mecánica. En esencia, el ciclo de trabajo se realiza en dos etapas:

Se genera vapor de agua en una caldera cerrada por calentamiento, 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.
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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 que el vapor.

Según sus palabras, mientras daba un paseo un espléndido sábado 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 Watt construyó un modelo que operaba de manera satisfactoria, aun 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