为什么蒸汽机车都是活塞杆机构，而不是动力更强、效率更高的汽轮机？
蒸汽机是一种往复式动力机器，它将蒸汽的能量转化为机械功。蒸汽机的出现引起了18世纪的工业革命。直到20世纪初，它仍是世界上最重要的原动机，后来逐渐让位于内燃机和汽轮机。
蒸汽机需要一个锅炉来烧水产生高压蒸汽。这种锅炉可以使用木材、煤、石油或天然气甚至可燃垃圾作为热源。蒸汽的膨胀推动活塞做功。
世界上第一台蒸汽机是1世纪古希腊数学家亚历山大的希罗发明的Aeolipile，这是蒸汽机的雏形。
大约1679年，法国物理学家丹尼斯·帕彭(Dennis Papen)在观察到蒸汽从他的高压锅中逸出后，制作了第一台蒸汽机的工作模型。同时代的塞缪尔·莫兰也提出了蒸汽机。
托马斯·塞维利亚于1698年制造了早期的工业蒸汽机，托马斯·纽科门于1712年制造了早期的工业蒸汽机，他们都为蒸汽机的发展做出了自己的贡献。1807年，罗伯特·富尔顿第一个成功地用蒸汽机驱动轮船。运用科学理论，瓦特逐渐发现了这台蒸汽机的毛病。从1765年到1790年，他做了一系列发明，如分离式冷凝器、汽缸外保温层、用油润滑活塞、行星齿轮、平行连杆机构、离心调速器、节流阀、压力表等。，使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的三倍以上，最终发明了工业蒸汽机。
16年底到17年底，英国采矿业尤其是煤矿已经发展到相当规模，仅靠人力和畜力难以满足抽干地下水的要求，而现场有丰富廉价的煤炭作为燃料。现实的需要，促使英国的帕潘、萨弗里、纽科门等许多人投身于“火力提水”的探索和实验。
最初的真空蒸汽机是用来从矿井中抽水的。纽科门的蒸汽机将蒸汽引入汽缸，然后关闭阀门，再将冷水注入汽缸，蒸汽凝结时造成真空。活塞另一侧的空气压力推动活塞。把一根杆子深深地插进矿井里来驱动水泵。蒸汽机活塞的运动通过这根杆传递给泵的活塞，把水从井里抽出来。
第一个很大的改进是通过阀门把汽缸和冷凝缸分开。瓦特在伯明翰发明了这项改进。这项改进提高了蒸汽机的效率。下一个改进是自动操作阀门。
这些早期的真空蒸汽机效率有限，但相对安全，因为它们的压力相对较低，机器向内收缩而不是向外爆炸，以防材料损坏。它们的效率受到外部空气压力、气缸变形、燃烧和沸腾效率以及冷凝能力的限制。理论上的最大效率受限于水在普通大气压下相对较低的沸腾温度。高温高压蒸汽的使用大大提高了蒸汽机的效率。但这种蒸汽机比真空蒸汽机危险得多。锅炉和机器的爆炸造成了许多严重事故。安全阀在这里带来了很大的提升，压力过高时安全阀放气减压。但是安全的真正保证仅仅依赖于建造、操作和维护的经验和安全规则。
萨弗里制造的世界上第一台实用的蒸汽水泵于1698年获得名为“矿工之友”的英国专利。他先在一个蛋形容器中充入蒸汽，然后关闭蒸汽进气阀，向容器外喷射冷水，使容器内的蒸汽凝结形成真空。打开进水阀，矿井底部的水在大气压力的作用下通过进水管被吸入容器内；关闭进水阀，重新打开进汽阀，利用蒸汽压力将容器内的水通过排水阀压出。当容器内的水排干并充满蒸汽时，关闭蒸汽进口阀和排水阀，再次喷水使蒸汽凝结。如此反复循环，两个蛋形容器交替工作，可以不断排水。
萨弗里的水泵依靠真空吸力抽水，抽水深度不能超过六米。为了从几十米深的矿井中抽水，需要在矿井深处安装水泵，利用高蒸汽压力将水抽到地面，这在当时无疑是困难和危险的。
纽科门和他的助手卡利在1705年发明了大气蒸汽机来驱动独立水泵，被称为纽科门大气蒸汽机。