Buhar makinesi, buharın sahip olduğu enerjiyi kullanarak mekanik enerji elde etmeye yarayan makinedir. Esas olarak ısı enerjisini mekanik enerjiye dönüştürür. Buharı meydana getiren moleküller, taşıdıkları ısı enerjisi dolayısıyla, sürekli hareket halinde olduğundan, bulundukları kabın çeperlerine basınç yaparak kuvvet uygularlar. Bu da mekanik olarak bir itme kuvveti kaynağıdır.
Pistonun gidip-gelmesi, piston koluna bağlanan bir su tulumbasının koluyla su pompalamada veya piston koluna bağlanan bir krank-biyel mekanizmasıyla dönme hareketi elde etmek amacıyla pekçok endüstriyel sahada kullanılır. Buhar enerjisinden faydalanarak mekanik enerji elde edilen diğer bir şekil, en gelişmiş buhar makinası olan buhar türbinlerinde buharın kullanılmasıdır.
Endüstrinin gelişmesinde buhar makinesinin büyük rolü vardır. Çünkü buhar makinasının çalışmasını sağlayan güç, o zamana kadar kullanılan makinalardaki gibi belli bir yere bağlı değildir. İki asra yakın bir zamana kadar endüstriye ve ulaşım araçlarına hakim olmuştur.
Mekanik olarak buharın enerjisinden faydalanmayı ilk olarak bir Fransız mühendisi olan Salomon de Caus düşünmüştür. 1663’lerde Worcester Markisi’nin yaptığı buhar çeşmesi denen makina, Salomon de Caus’un düşüncesinden hareketle yapılmıştır. Bu sayede buhar basıncından faydalanarak suyun yükseklere çıkarılabilmesi sağlanmıştır. 1698 yılında bir İngiliz olan Thomas Savery buhar pompası denen ve su pompalamada kullanılan makinayı yaptı. Bu makina tamamen buharın ısıtılıp soğutulmasından ileri gelen basınç yükselme ve düşmeleri netîcesindeki basınç farkına göre çalışmaktaydı.
Bir pistonun bir silindir içinde hareketini sağlayacak şekilde buhar basıncından faydalanma, 1679’larda buharlı tencerenin bulucusu olan Fransız fizikçi Denis Papin tarafından gerçekleştirildi. Bu prensipten hareketle bir emme tulumbasının kolunu, silindir içinde hareket eden pistonla irtibatlayarak, su pompalamaya yarayan ve Savery’in buhar pompasından daha değişik, gelişmiş bir buhar makinası Thomas Newcomen tarafından yapıldı. Newcomen makinası ile aynı gâyeler için kullanılabilen Savery buhar pompasında hareketli herhangi bir piston yoktur. Buhar elde etmeye yarayan kazan, suyu emmeye ve basmaya yarayan oval bir kap ve bu kabın emme ve basma tarafına bağlı borulardan ibâretti. Ayrıca borularda suyun aşağı doğru kaçmaması için tek yönlü kapaklar bulunurdu. Oval kaba buhar gönderilince, daha önce emilen ve kapta bulunan su, basma borusundan yukarı basılırdı. Sonra buhar vanası kapatılıp, oval kaptaki buhar, başka bir kaptan gönderilen su ile yoğunlaştırılır; dolayısıyla kaptaki basınç atmosfer basıncının altına düşerdi. Netîcede emme su borusundan kabın içine dolup, bu su tekrar buhar gönderilerek yukarı basılırdı.
Newcomen makinası, Savery pompasından farklı olarak piston-silindir sistemine sâhiptir. Kazandan silindire gönderilen buhar, su püskürtmek sûretiyle soğutulup, oluşan düşük basınç pistonun aşağı inmesini sağlar. Meydana gelen artık su bir boruyla dışarı atılıp, tekrar silindire buhar gönderilmek sûretiyle de pistonun yukarı çıkması sağlanır. Pistona bağlı bir piston kolu, bir emme-basma tulumbasının yatay koluna bağlanarak pistonun aşağı yukarı hareketi pompalama için kullanılır. Her iki makina keşif zamanlarına göre gelişmiş makinalar olsa da verimleri çok düşüktür.
Döner hareket elde edilen buhar makinalarındaki en önemli gelişmeyi James Watt adında bir İngiliz yapmıştır. Pistonun her iki yüzüne buhar göndermek sûretiyle hareketi sağlanan bu makinada buharın sırayla pistonun her iki yüzüne girip çıkışını sağlamak gâyesiyle dönme hareketine bağlı olarak çalışan çeşitli kapaklar kullanılır. Bunlar buhar pistonunun bir yüzüne girerken,diğer yüzdeki artık buharın dışarı atılmasını sağlayan delikleri sırayla açıp kapamaya yarar.Pistonun her iki yüzüne ard arda tesir eden buhar, pistonun gidip-gelme hareketi yapmasını sağlar. Bu gidip-gelme hareketi ise, piston kolu vâsıtasıyla krank mili harekete geçirilerek dönme hareketine çevrilir. Piston kolu ile krank kolu arasında biyel denen bir kol daha vardır. Bu kol eski makinalarda doğrudan bir ucu piston koluna, diğer ucu krank koluna mafsallı olarak yerleştirilir.
Daha sonraları 1803’te Richard Trevithick’in bulduğu kayar kafa sistemiyle pistonun biyele birleştiği mafsal düzgün olarak aynen piston gibi gidip-gelme yapacak şekilde tesbit edilmiştir. Piston kolunun doğrudan krank koluna bağlı olduğu, yani biyelin olmadığı sistemler de vardır. Pistonun her iki yöne en fazla gidebileceği noktada piston kolu ile krank kolu aynı doğru üzerine gelir. Bu noktalara ölü noktalar denir. Bu ölü noktalardan krankın geçmesi için tek silindirli makinalarda volan denen ve krankla birlikte dönen kütlelerin atâletlerinden faydalanılır. Çok silindirli makinalarda ise krank kolları arasında belli bir açı olacak şekilde yapılır.
Lokomotif, gemi, otomobil gibi vâsıtaları harekete geçirmekte ve çeşitli sanâyi alanlarında kullanılan döner hareketli buhar makinalarının pekçok çeşitleri vardır. Buhar makinalarında en önemli konu, verimin yüksek olmasıdır. En yüksek verim, yâni sıcak buhardan elde edilecek en büyük mekanik enerji, girişte yüksek basınç ve çıkışta düşük sıcaklığın sağlanmasıyla elde edilir. Meselâ buhar enerjisini tamâmen kullanmak için yüksek basınçlı küçük bir silindirden çıkan buhar, alçak basınçlı büyük bir silindire gönderilmek sûretiyle çalışan kademeli veya bileşik buhar makinalarının alçak-orta-yüksek basınç silindirli olmak üzere üç kademeli olanları da vardır. Hattâ, iki orta basınç silindiri bulunan dört kademeli makinalar bile yapılmış, fakat pek tutulmamıştır.
Üç kademeli makinalar genellikle deniz araçlarında kullanılmıştır. 1930’lara kadar Atlas Okyanusunda yolcu taşımış olan Olympic gemisinin makinası üç kademelidir. Öyle ki alçak basınç silindirinin çapı 2,5 metreye yakındır. Kademeli makinaların silindirleri yan yana düşey olabildiği gibi, yatay veya karşılıklı çalışanları da vardır. Diğer bir ilgi çekici buhar makinası tipi de merkezden buhar çıkışlı veya eşakımlı denen makinalardır. Bunlarda buhar, silindirin ucundan girer, piston silindirin ortasından geçerken tam silindirin orta kısmında bulunan delikleri açmış olur ve böylece buhar hiç yön değiştirmeden dışarı atılır. Bu tip makina ilk kez 1908’lerde Johann Stumpf adındaki Alman tarafından geliştirilmiştir. Daha sonraları ABD, İngiltere, Almanya ve İsviçre’de çok büyük merkezden buhar çıkışlı makinalar yapılmıştır. Bunların silindir sayısı 5’e, güçleri 30.000 beygire kadar olanları vardır. Buhar makinalarında kullanılan buhar, çeşitli tipleri olan buhar kazanlarında üretilir. Pistonlu buhar makinalarının yerine geçen buhar türbinlerinin buharı da yine buhar kazanlarından sağlanır. Pistonlu buhar makinaları artık yerini dizel motorlarına, patlamalı motorlara ve elektrik motorlarına bırakmaktadır. Fakat termik santrallarda elektrik üretiminde kullanılan buhar türbinleri modern bir buhar makinası olarak hâlâ geçerliliğini korumaktadır.