萨弗里的提水机依靠真空的吸力汲水，汲水深度不能超过6米。为了从几十米深的矿井汲水，须将提水机装在矿井深处，用较高的蒸汽压力才能将水压到地面上，这在当时无疑是困难而又危险的。纽科门及其助手卡利在1705年发明了大气式蒸汽机，用以驱动独立的提水泵，被称为纽科门大气式蒸汽机。扇形平衡杠杆左侧的配重将活塞提起，同时蒸汽进入活塞下部的汽缸中。当活塞上升到汽缸顶部时，关闭进汽阀，向汽缸中喷入冷水使蒸汽冷凝，形成真空，活塞上面的大气压力将活塞下压，提起杠杆左侧的提水泵拉杆，使装在矿井深处的提水泵将水汲出。因汽缸直径大于提水泵的缸径，虽然汽缸活塞上的压力只等于大气压，也可以汲出数十米深处的水。这种蒸汽机先在英国，后来在欧洲大陆得到迅速推广。它的改型产品直到19世纪初还在制造。纽科门大气式蒸汽机的热效率很低，这主要是由于蒸汽进入汽缸时，在刚被水冷却过的汽缸壁上冷凝而损失掉大量热量，只在煤价低廉的产煤区才得到推广。1764年，英国的仪器修理工瓦特为格拉斯哥大学修理纽科门蒸汽机模型时注意到这一缺点，于1765年发明了设有与汽缸壁分开的凝汽器的蒸汽机，并于1769年取得了英国的专利。初期的瓦特蒸汽机仍用平衡杠杆和拉杆机构来驱动提水泵。活塞由杠杆另一端的配重拉升到顶部后，平衡阀关闭而进汽阀打开，将蒸汽引入汽缸上端，同时排汽阀开启使活塞下汽缸部分和凝汽器接通而形成真空，活塞受压下降，从而拉起提水泵的拉杆。活塞被压到下端后关闭进汽阀和排汽阀，同时打开平衡阀连通汽缸的上下端，配重遂再次拉起活塞，如此循环作功提水。为了从凝汽器中抽除凝结水和空气，瓦特装设了抽气泵。他还在汽缸外壁加装夹层，用蒸汽加热汽缸壁，以减少冷凝损失。
1782年前后，瓦特将机器进一步改进，完成了两项重要发明：①在活寒工作行程的中途关闭进汽阀，使蒸汽膨胀作功以提高热效率；②使蒸汽在活塞两面都作功（双作用式）以提高输出功率。这时的活塞既要向下拉动杠杆又要向上推动杠杆，扇形平衡杠杆和拉链已不再适用，瓦特便发明了平行四边形机构。早在1770年左右，瓦特就开始研究如何利用蒸汽驱动旋转机械。为了避开别人已取得的将曲柄滑块机构应用到蒸汽机上的专利，瓦特于1781年发明了行星齿轮机构，使活塞的往复运动转换为主轴的旋转运动。汽缸内活塞的往复运动通过平行四边形机构传到杠杆，由杠杆带动连杆再通过齿轮传到主轴。
瓦特还于18世纪末将曲柄连杆机构用在蒸汽机上。瓦特的创造性工作使蒸汽机迅速地发展，他使原来只能提水的机械，成为可以普遍应用的蒸汽机，并使蒸汽机的热效率成倍提高，煤耗大大下降。因此瓦特当是蒸汽机最主要的发明人。
自18世纪晚期起，蒸汽机不仅在采矿业中得到广泛应用，在冶炼、纺织、机器制造等行业中都获得迅速推广。它使英国的纺织品产量在20多年内（从1766年到1789年）增长了5倍，为市场提供了大量消费商品，加速了资金的积累，并对运输业提出了迫切要求。在船舶上采用蒸汽机作为推进动力的实验始于1776年，经过不断改进，至1807年，美国的富尔顿制成了第一艘实用的明轮推进的蒸汽机船“克莱蒙脱”号。此后，蒸汽机在船舶上作为推进动力历百余年之久。1801年，英国的特里维西克提出了可移动的蒸汽机的概念。1803年，这种利用轨道的可移动的蒸汽机首先在煤矿区出现，这就是机车的雏型。英国的斯蒂芬森将机车不断改进，于1829年创造了“火箭”号蒸汽机车，该机车拖带一节载有30位乘客的车厢，时速达46千米／时，引起了各国的重视，开创了铁路时代。19世纪末，随着电力应用的兴起，蒸汽机曾一度作为电站中的主要动力机械。1900年，美国纽约曾有单机功率达5兆瓦的蒸汽机电站。
蒸汽机的发展在20世纪初达到了顶峰。它具有恒扭矩、可变速、可逆转、运行可靠、制造和维修方便等优点，因此曾被广泛用于电站、工厂、机车和船舶等各个领域中，特别在军舰上成了当时惟一的原动机。
蒸汽机的出现和改进促进了社会经济的发展，但同时经济的发展反过来又向蒸汽机提出了更高的要求，如要求蒸汽机功率大、效率高、重量轻、尺寸小等。尽管人们对蒸汽机作过许多改进，不断扩大它的使用范围和改善它的性能，但是随着汽轮机和内燃机的发展，蒸汽机因存在不可克服的弱点而逐渐衰落。蒸汽机的弱点是：离不开锅炉，整个装置既笨重又庞大；新蒸汽的压力和温度不能过高，排气压力不能过低，热效率难以提高；它是一种往复式机器，惯性力限制了转速的提高；工作过程是不连续的，蒸汽的流量受到限制，也就限制了功率的提高。
因此，抛弃了笨重锅炉的内燃机，最终以其重量轻、体积小、热效率高和操作灵活等优点，在船舶和机车上逐渐取代了蒸汽机。汽轮机则以其热效率高、单机功率大、转速高、单位功率重量轻和运行平稳等优点，将蒸汽机排挤出了电站。接着电动机又以其使用方便代替了蒸汽机在工业设备中的应用。然而小功率蒸汽机热效率比汽轮机高，所以在产煤区或只有劣质燃料的地区或某些特殊场合，蒸汽机仍有发挥作用的余地。
蒸汽机有很大的历史作用，它曾推动了机械工业甚至社会的发展。随着它的发展而建立的热力学和机构学为汽轮机和内燃机的发展奠定了基础。汽轮机继承了蒸汽机以蒸汽为工质的特点和采用凝汽器以降低排汽压力的优点，摒弃了往复运动和间断进汽的缺点。内燃机继承了蒸汽机的基本结构和传动形式，采用了将燃油直接输入汽缸内燃烧的方式，形成了热效率高得多的热力循环。同时，蒸汽机所采用的汽缸、活塞、飞轮、飞锤调速器，阀门和密封件等，均是构成多种现代机械的基本元件。
四、风力机
将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。许多世纪以来，它同水力机械一样，作为动力源替代人力、畜力，对生产力的发展发挥过重要作用。近代机电动力的广泛应用以及20世纪50年代中东油田的发现，使风力机的发展缓慢下来。20世纪70年代初期，由于“石油危机”，出现了能源紧张的问题，人们认识到常规矿物能源供应的不稳定性和有限性，于是寻求清洁的可再生能源遂成为现代世界的一个重要课题。风能作为可再生的、无污染的自然能源又重新引起了人们重视。
风车最早出现在波斯，起初是立轴翼板式风车，后又发明了水平轴风车。风车传入欧洲后，15世纪在欧洲已得到广泛应用。荷兰、比利时等国为排水建造了功率达66千瓦以上的风车。18世纪末期以来，随着工业技术的发展，风车的结构和性能都有了很大提高，已能采用手控和机械式自控机构改变叶片桨距来调节风轮转速。风力机用于发电的设想始于1890年丹麦的一项风力发电计划。到1918年，丹麦已拥有风力发电机120台，额定功率为5～25千瓦不等。第一次世界大战后，制造飞机螺旋桨的先进技术和近代气体动力学理论为风轮叶片的设计创造了条件，于是出现了现代高速风力机。1931年，前苏联采用螺旋桨式叶片建造了一台大型风力发电机，风速为13.5米/秒时，输出功率达100千瓦，风能利用系数提高到0.32。在第二次世界大战前后，由于能源需求量大，欧洲一些国家和美国相继建造了一批大型风力发电机。1941年，美国建造了一台双叶片、风轮直径达53.3米的风力发电机，当风速为13.4米/秒时输出功率达1250千瓦。英国在20世纪50年代建造了三台功率为100千瓦的风力发电机。其中一台结构颇为独特，它由一个26米高的空心塔和一个直径24.4米的翼尖开孔的风轮组成。风轮转动时造成的压力差迫使空气从塔底部的通气孔进入塔内，穿过塔中的空气涡轮再从翼尖通气孔溢出。法国在20世纪50年代末到60年代中期相继建造了三台功率分别为1000千瓦和800千瓦的大型风力发电机。
新一代风力机的特点是：①增强抗风暴能力；②风轮叶片广泛采用轻质材料，如玻璃纤维复合材料等；③运用近代航空气体动力学成就使风能利用系数提高到0.45左右；④用微处理机控制，使风力机保持在最佳运行状态；⑤发展风力机阵列系统；⑥风轮结构形式多样化。法国人在20世纪20年代发明的垂直轴风轮在淹没了半个多世纪之后，已成为最有希望的风力机型之一。这种结构有φ型、Δ型、Y型和◇型等多种形式。它具有运转速度高、效率高和传动机构简单等优点，但需用辅助装置起动。人们还提出了许多新的设想，如旋涡集能式风力机，据估计，这种系统的单机功率将100～1000倍于常规风力机。
中国利用风车的历史至少不晚于13世纪中叶，曾建造了各种形式的简易风车碾米磨面、提水灌溉和制盐。直到20世纪50年代仍可见到“走马灯”式风车。中国已研制出30余种现代风力机，主要用作简易提水工具。20世纪60年代研制出功率3千瓦、叶轮直径6米的FWG－6型低速风力机。
五、水轮机
把水流的能量（动能、位能和压力能）转换为旋转机械能的动力机械。它属于流体机械中的透平机械。早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形——水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。它与发电机连接在一起，组成水轮发电机组。在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。作完功的水则通过尾水管道排向下游。
20世纪以来，水电机组一直向高参数、大容量方向发展。从20世纪60年代开始，前苏联和中国相继制成了225兆瓦的水轮发电机组，分别装于布拉茨克和刘家峡电站。接着，前苏联又制成了500兆瓦的混流式机组，装于布拉斯诺雅尔斯克电站。20世纪70年代，美国的大古力第三电站安装了700兆瓦的机组。20世纪80年代，又将有一批700兆瓦左右的混流式机组投入运行。
为了提高水电建设的经济效益，世界各国还在研制容量更大的机组。预计，1000兆瓦左右或更大的机组将会在不久出现。
随着电力系统中火电容量的增加和核电的发展，为解决合理调峰问题，世界各国除在主要水系大力开发或扩建大型电站外，正在积极兴建抽水蓄能电站，水泵水轮机因而得到迅速发展。
为了充分利用各种水力资源，潮汐、落差很低的平原河流甚至波浪等也引起普遍重视，从而使贯流式水轮机和其他小型机组迅速发展。
中国已经建成单机功率为12兆瓦以下的小型水电站8万余座，到1981年，总装机达7500兆瓦。另外，中国还生产了大量直接用来驱动各种机械的小型水轮机，如水轮泵等。
六、核动力装置
利用原子核反应堆内核燃料的裂变反应产生热能并转变为动力的装置。核动力装置包括核反应堆、产生动力的系统和设备（如核蒸汽供应系统和核电站汽轮机），以及为保证设备正常运行、人员健康和安全所需要的系统和设备。
自从1942年美国的费密等人建成第一座可控的链式核裂变反应堆以后，核能就逐步被用作动力。在20世纪50年代，出现了一批核动力装置，应用于核电站和核潜艇。到1983年底，世界上已建成核电站反应堆302座，总装机容量达19.9万兆瓦，其中最大的核电站反应堆容量达1200兆瓦。另外，还有数百艘核潜艇和水面船舰（包括航空母舰、巡洋舰、破冰船、运输船和商船等）也使用核动力装置。
核动力装置主要用于发电、舰艇和空间技术方面。
（1）发电：与火力发电相比，核电站基建投资较高，但燃料费用较低，发电成本也较低。到20世纪80年代，核电站技术已处于成熟阶段。在正式运行的核电站中，广泛采用的是热中子轻水堆（包括压水堆和沸水堆），其次是气冷堆和重水堆。这些核电站中都有核蒸汽供应系统和核电站汽轮机这两个重要组成部分。在上述堆型的核电站中，由于所提供的蒸汽常是饱和参数的，汽轮机一般都采用饱和蒸汽轮机。除沸水堆核电站外，其他堆型中核电站汽轮机的蒸汽均不直接与核反应堆接触，故汽轮机基本上无放射性污染。
（2）推进潜艇和水面舰船：在这类核动力装置中几乎都采用压水堆。核动力装置能以较少的燃料提供较大动力，故核潜艇的航速高、续航能力大。核潜艇的航行时间主要取决于工作人员的生理状态和给养保证。核反应不是化学燃料反应，不需要氧气，这对潜艇来说是个极可贵的优点。