Watt és Boultonnak a szabadalma $1800$-ban járt le. Ezután bárki állíthatott gyárat gőzgép készítésére. Alakult is sok gyár, de jó időbe került, míg ezek a tökéletesség olyan fokára emelkedtek, amilyenen a Boulton gyára volt. Mindegyik a maga kárán tanult s eleinte sokkal gyatrább gépeket szerkesztettek, mint a Boultonéi voltak. De ez a közös, mondhatni általánossá vált munka később mégis nagy eredményekhez vezetett. Egyfelől arra irányult a törekvés, hogy a Watt-féle gépet kevesebb anyagból, finomabban, pontosabban működő részekkel állítsák elő; másfelől meg arra, hogy a már részben Watt által kimondott, részben a haladó hőtani tanulmányok felvetette eszméket, elveket, amennyiben eddig kellőképpen kifejezésre nem jutottak a gépkonstrukciókban, alkalmazzák.
Ezt a kettős irányú haladást már nem követjük nyomról-nyomra, szigorú történeti menetben, mert hiszen egy-egy sikeres újítás sok-sok részlet-ismeret összegeződése folytán állhatott elő. Megelégszünk csak az eredmények felsorolásával.
A feladat általában ez volt: olyan gépeket szerkeszteni, amelyek lehető kevés szénfogyasztással lehető sok munkát végeznek. Kevés szénfogyasztás akkor van, ha a felhasznált szén jól ég el és ha az égés melege lehető teljes mértékben a víz melegítésére, forralására fordítódik. Sok munkát meg akkor nyerünk, ha a gép maga, a dugattyúhenger, a vele kapcsolatos részek és a mozgás-áttételek lehető tökéletesen vannak szerkesztve. A tanulmány, a javítgatás körébe tehát minden géprészt be kellett vonni. Lássuk ezeket rendre.
A szén akkor ég el jól, ha jó tűzhely van készítve, a kémény vagy kürtő kellőképpen van dimmenzionálva és ha a tüzelést hozzáértő ember végzi. Pl. egy $\text{kg}$ jó kőszén átlag $80\%\text{C}$-t és $4\%\text{H}$-t tartalmaz, a. többi $16\%$ hamu és nedvesség. Az égéskor a $\text{C CO}$-vá, vagy ${\text{CO}}_2$-vé alakulhat. Jobb, ha ${\text{CO}}_2$-vé alakul, mert a $\text{CO}$ még ${\text{CO}}_2$-vé éghet, tehát a $\text{CO}$-vá való égés nem szabadítja fel az összes meleg-energiát. A ${\text{H H}}_2\text{O}$-vá ég. A ${\text{CO}}_2$ és ${\text{H}}_2\text{O}$ égéstermékek akkor állhatnak elő lehető teljesen, ha a szén az égéskor kellő mennyiségű levegőt kap. Tegyük fel pl., hogy egy kazánban óránkint $10\text{kg}$. szénnek kell elégni. Ebben a $10\text{kg}$. szénben van $8\text{kg}$. $\text{C}$ és $\mathrm{0,8}\text{kg}\text{H}$. Tudjuk, hogy $12\text{kg}\mathrm{.}\text{C}2\cdot 16\text{kg}\mathrm{.}=32\text{kg.}\text{O}$-val ég ${\text{CO}}_2$-vé és $2\text{kg}\mathrm{.}\text{H}16\text{kg}\mathrm{.}\text{O}$-val ${\text{H}}_2\text{O}$-vá. Azért a jelen esetben $8\text{kg}\mathrm{.}\text{C}$ hez $21\frac{1}{3}\text{kg}\mathrm{.}\text{O}$, a $\mathrm{0,4}\text{kg}\mathrm{.}\text{H}$-hoz $\mathrm{3,2}\text{kg}\mathrm{.}\text{O}$ kell, vagyis összesen $\mathrm{24,53}\text{kg}\mathrm{.}\text{O}$. Mivel $100$ súlyrész levegőben körülbelül $21$ súlyrész $\text{O}$ van, a $\mathrm{24,53}\text{kg}\mathrm{.}\text{O}117\text{kg}$. vagy körülbelül $90-95{\text{m}}^3$ levegőből nyerhető. A valóságban nem lehet arra számítani, hogy a levegő minden $\text{O}$-je vegyületbe lép, úgy, hogy a számított értéknek körülbelül $\mathrm{1,5}$-szeresére van szükség, azaz a mi esetünkben $135-140{\text{m}}^3$-re. Hogy ennyi, vagy ehhez közelálló levegőfogyasztással mehessen végbe az égés, előre kiszámított méretekkel rendelkező kürtőt vagy kéményt kell készíteni és gyakorlott, hozzáértő fűtőt kell alkalmazni. Ha a fűtő hibájából az égés sokkal több vagy kevesebb levegőfogyasztással megy végbe, az égés nem lesz tökéletes és azért sok hőenergia kárba vész.
Tegyük fel, hogy a fűtéssel a dolog rendben van. Már most arra van szükség, hogy az égés melege lehető teljes mértékben fordítódjék a kazán vize melegítésére. Ez akkor történhetik meg, ha a kazánfűtő felülete nagy, vagyis ha az izzó parázs sugárzó heve nagy felületen éri a kazánt és ha a magas hőmérsékletű égéstermékek a kürtőbejutás előtt hosszú úton érintkeznek a kazánnal, hogy melegüket a kazánnak adhassák le és ne vigyék el a kürtőn. Ez a kívánalom a Watt kazánja alakját (9. ábra), amelynek keresztmetszete olyanszerű volt, mint az utazó-ládáé, lassan átalakította. Előbb hengeralakú kazánt készítettek; ez rosszabb volt a Watténál; azután a henger belsejében végig vezettek egy csövet s az égéstermékek csak e csövön való áthaladás után juthattak kürtőbe. Majd két csövet alkalmaztak s végre a csövek egész rendszerét. Tapasztalták továbbá, hogy a kazán falát a vízben oldva levő ásványi alkotórészek ú. n. kazánkővel vonják be, amely rossz melegvezető. Már $1$ milliméter vastagság kazánkő is $5\%$-kal emeli a szénfogyasztást. Módokat gondoltak ki tehát arra is, hogy a vizet ezen ásványi alkotórészektől megszabadítsák. Tapasztalati tény, hogy ha a tűzhely a kazán összeállítása az elmondottakra tekintettel történik és a legügyesebb fűtő alkalmaztatik, akkor is elvész az égésmelegnek $25-50\%$-a.
Hogy már most a gőz képződését létesítő melegnek lehető legnagyobb részét visszanyerhessük munka alakjában, kell, hogy a gőz melegveszteség nélkül jusson a hengerbe, a dugattyúnak lehető sok munkát adjon le s azt e dugattyúval kapcsolatos részek kevés veszteséggel továbbítsák.
Minthogy a gőz munkája annál nagyobb, mennél nagyobb feszítő erővel mozgatja a dugattyút, első gondolat az volt, hogy a feszítő erőt kell fokozni. Egy $1\text{kg.}{0}^{\circ }$-ú víznek pl. ${100}^{\circ }$-ra melegítésére $100\text{kg.}$ calória meleg kell. E víznek ${100}^{\circ }$-ú gőzzé alakítására $536$ caloria. Egy $\text{kg.}{0}^{\circ }$-ú víznek tehát $1$ athmoszféra nyomású ${100}^{\circ }$-ú telített gőzzé alakítására $636$ caloria meleg kell. Ezentúl kevés meleg hozzávezetés is nagy változást csinál. Pl. $25$ caloria melegtöbblet a gőz hőmérsékét ${179}^{\circ }$-ra, nyomását $10$ athmoszférára emeli. Vagyis a melegbevezetést körülbelül $4\%$-nyival folytatva, a hőmérséklet emelkedése mellett a gőz nyomása megtízszereződik. Ennek a könnyen előállítható, nagy feszítő erejű gőznek az alkalmazása nagy eredményekkel kecsegtetett. Evans, amerikai, 1800-ban $10$ athmoszférás gépeket készített, mások $\mathrm{20,}40$ atmoszférásakat, sőt Alban német, $70$ athmoszférásakat is.
De e gépek készítőire nagy csalódás várt. A géprészek készítésénél előforduló kisebb pontatlanságok is, olyanok, amelyek a Watt gépében elő se tűntek, itt a nagy nyomások folytán bénító hatásúak lettek. Ha pedig nagy elővigyázattal, drága költséggel jól készültek is, hamar elromlottak, mert a kenőolajok a magas hőmérsékleten rögtön elpárologtak. Mindezek mellett folyton fenyegetett az explózió veszélye is. ‐ És csudák-csudája, ha minden rendben volt is, a kőszénmegtakarítás oly kevés volt, hogy szóba se jöhetett.
Később aztán kiderült a baj oka. A nagy nyomású gőz u.i. magas hőmérsékletű is volt. Pl. a $10$ athmoszférás ${179}^{\circ }$-os. Ha ilyen gőzt bocsátottak a hengerbe, mely aztán expanzióval mozgatta a dugattyút, úgy pl., hogy a nyomása $1$ athmoszférára csökkent, akkor egyúttal a hőmérséklete is leszállott ${100}^{\circ }$-ra, tehát lehűtötte a hengert. A következő dugattyújárat kezdetén beömlő friss gőz már lehűlt hengerrel érintkezett, jó nagy része tehát lecsapódott anélkül, hogy munkát végezett volna. Így be kellett látni, hogy, ha Watt módjára, gőzköpenyeggel vétetik is körül a henger, a belsejében nem lehet megszabadulni az expanzió következtében fellépő nagy hőmérséklet-ingadozástól s így a felesleges, hiábavaló gőzfogyasztástól sem. Felmerült tehát az a gondolat, hogy a gőz terjeszkedését két hengerben kellene megengedni. Az első, kisebb hengerbe közvetetlenül jutna a gőz a kazánból s expanzió nélkül, vagy kevés expanzióval dolgoznék; innen bejutna egy másik nagyobb hengerbe s annak dugattyúját expanzió révén mozgatná. Ezen gondolat szerint kéthengerű gépet legelőször Hornblower készített 1776-ben, majd Woolf tökéletesítette 1804-ben. Később aztán $\mathrm{3,}4$, sőt több hengerű gépek is készültek, hogy a teljes expanzió több egymásutáni hengerben ment végbe, tehát a hőmérséklet-ingadozás minden egyes hengerben kisebb lett.
A többhengerű gépek révén csakugyan jelentékeny kőszén megtakarítás volt elérhető.
A másik gondolat, hogy a mégis kikerülhetetlenül fellépő hőmérséklet-ingadozása a henger belsejének ne vonja mindjárt maga után bizonyos mennyiségű gőz lecsapódását, az volt, hogy a gőzt, mielőtt a kazánból a hengerbe jutna, túl kellene hevíteni s ha a túlhevített gőz jut a hengerbe, elébb ki kell adnia a túlhevítésnél felvett meleget, vagyis telítetté kell válnia, hogy lecsapódhasson. Minthogy a túlhevítéshez kevés melegtöbblet kell és a felvett meleget a gőz nehezen adja ki, mert rosszabb vezető, mint telített állapotban, azt lehetett várni, hogy könnyen meg lehet szabadulni a hengerben eddig fellépett hiábavaló lecsapódásoktól. Készültek is túlhevített gőzhasználatra berendezett gépek, különösen Hirn nyomán, 1856 óta. De a magas mérsékletek megint sok technikai nehézséget támasztottak. Sőt mindig félni lehetett attól is, hogy a vízgőz magas hőmérsékleten átalakul $H$-nak és $O$-nak robbanó keverékévé. A gyakorlat nem is mutatott nagyobb eredményt, csak jóval később, amikor a technikai akadályok legyőzettek. Az organikus kenő-olajok helyébe ásványolajok léptek, melyek még $350-{400}^{\circ }$ hőmérsékletet is kibírnak. így aztán a $90$-es évek táján nagy számmal készültek túlhevített gőzöket alkalmazó gépek is.
Hogy a történeti fejlődés folyamán egymásután keletkező gépek hatásfoka milyen lépésekben közelítette meg mai tökéletesebb gépekéit, a következő kis táblából látni, mely megmutatja, hogy a gép, a benne tüzelés révén elfogyasztott hőenergiának hányadrészét adja vissza hasznos munka alakjában.
Savery gépe az elhasznált hőenergiának $\frac{1}{442}$-ét.
Newcomen gépe az elhasznált hőenergiának $\frac{1}{155}$-ét.
Watt első gépe az elhasznált hőenergiának $\frac{1}{73}$-át.
Watt későbbi gépe az elhasznált hőenergiának $\frac{1}{44}$-ét.
Az 1860 körül készült gépek az elhasznált hőenergiának $\frac{1}{29}$-ét.
Modern, egyhengerű, kondenzáció nélküli gép az elhasznált hőenergiának $\frac{1}{19}$-ét.
Modern, egyhengerű, kondenzációs gép az elhasznált hőenergiának $\frac{1}{12}$-ét.
Modern, kéthengerű, kondenzációs gép az elhasznált hőenergiának $\frac{1}{10}$-ét.
Modern, négyhengerű, kondenzációs gép az elhasznált hőenergiának $\frac{1}{7}$-ét.
Túlhevített gőzt használó, többhengerű, legjobb gép az elhasznált hőenergiának $\frac{1}{6}$-át.
Tehát Savery óta a hatásfok $\mathrm{0,22}\%$-ról $17\%$-ra emelkedett, vagyis körülbelül $73$-szor nagyobb lett.