纽科门蒸汽机的改进是由天才发明家瓦特完成的。1763—1764年冬天，瓦特在修理一台小型纽科门蒸汽机时发现，汽缸的冷却过程和重新加热耗费了大量的热素，冷凝也由于冷却不足而非常不完备。由此，独立于汽缸的冷凝器产生了。冷凝器的原理就包含在瓦特的几句话中：“为了避免任何无益的冷凝，蒸汽对活塞发生作用的那个汽缸，必须经常同蒸汽本身一样热。……为了获得必要的空隙，冷凝必须发生在一个单独的容器里，这里的温度能够按照所需要的程度得到降低，而汽缸的温度却不改变（芒图，1983）255。”从此之后，冷凝器与汽缸就分开了。瓦特在1769年获得了专利，专利的名称十分正确地指出他原来的意图——为了“减少火力机中的蒸汽和燃料的消耗量”。这项改进对于蒸汽机是一个革命性的突破。不仅仅是由于它单位产出的燃料消耗量大约只有纽科门蒸汽机的四分之一，更多的是因为这种改进开辟了一条继续提高效率的最佳途径，最终导致蒸汽机进入了国民经济的所有部门之中，并且使其成为主要的动力源（辛格　等，2004）313。

根据瓦特同时代人的主张，分离式冷凝器是布莱克的潜热发现的结果。但是瓦特否认布莱克的发现和自己的发明之间的一对一关系，只承认：“他的正确的推理方式和实验方法给我树立了榜样，当然有利于促进我的发明的进展（Muirhead，1854）355。”

单纯的实验不应当被认为是科学，除非这些实验由一系列推理、假设或理论方法指导。那么，瓦特的实验是不是经验主义的，这些实验是否对分离式冷凝器的发明是必要的，是需要考察的问题。根据当前的解释，在重复加热和冷却一个单独汽缸的过程中产生热损失，这一认识直接导致使用两个汽缸，一个汽缸在高温状态下，另一个汽缸在低温状态下，这不需要科学或实验研究（Fleming，1952）。但是，可能存在一个问题：在没有发明分离式冷凝器的情况下，热损失已经在纽科门蒸汽机之中存在了很长时间。在瓦特的研究工作之前，斯米顿（John Smeaton）开始研究改进蒸汽机的设计，他系统地更改了纽科门蒸汽机中每个部件的尺寸、形状、材质和操作模式。通过这一经验主义的方法，他将蒸汽机的效率提高了60%，但是他没有发现分离式冷凝器的原理。事实上，当他初次见到自己改进的蒸汽机，他还曾怀疑机器是否能够运转（沃尔夫，1997）732—740。瓦特像斯米顿一样开始进行实验，他继续进行蒸汽的力学属性的研究。他测量了不同温度下的蒸汽弹性，在压力高于和低于大气压力的情况下蒸发作用的热量，水与蒸汽体积比率，压缩一定数量蒸汽所需要的冷水数量等。这些实验的结果是，瓦特再次发现了布莱克利用潜热理论向他描述的一些现象。那么，瓦特的实验明显受到了布莱克的推理和实验方法的影响，因此，这些实验是科学性的。

比热和潜热被视为18世纪热学的成果。瓦特了解这两个理论，但是第一个理论对于他的研究工作价值不高，而且他否认应用了第二个理论。在布莱克于1766—1767年在爱丁堡发表的一些化学演讲的备注中，其中一页内容很有趣：瓦特先生尽量使用少量燃料进行蒸馏，通过降低空气压力，这样水可以在90或98摄氏度的情况下沸腾。但是，他惊讶地发现这需要较长时间和大量燃料（Schofield，1963）65。10年后布莱克演讲的另一些备注更加坦率地表达了这一点：瓦特先生认为他能够通过在真空中进行蒸发作用节省燃料，但是在真空中蒸发仍然需要时间（Schofield，1963）65。

这些实验的操作日期没有标明，但是值得注意的是，在瓦特了解到潜热理论的时候，他开始致力于有效地应用蒸汽。他没有再进一步试图通过“使用更少的燃料，降低空气压力”取得蒸汽。布莱克的发现没有暗示分离式冷凝器，但是它可能已经成为分离式冷凝器发展过程中的一个重要因素。(www.daowen.com)

严格地讲，瓦特对于蒸汽属性和状态的研究不能称为热力学的研究，它们是对于蒸汽机的经验主义实验。他对于自己进行发明的直接起源的描述表明，关于作为一种弹性流体的蒸汽的知识是通过对蒸汽实验和阅读弹性流体方面的资料获得的（Muirhead，1854）355。在瓦特想法的实现过程中具有大量的经验主义，但是，分离式冷凝器的核心要素是对于蒸汽的弹性流体性质原理的“科学”理解（Fleming，1952）3—5。

1781年，瓦特发明了一种称为“太阳与行星”的曲柄齿轮传动系统，并成功申请了专利。这项专利将蒸汽机的直线往复运动转化为圆周运动，以便使得蒸汽机能为绝大多数机器提供动力，极大地扩展了蒸汽机的应用。瓦特和他的助手萨瑟恩（John Southern）发明了用于展示压力的指示器压容图。借助于压容图，蒸汽机的一个冲程内发生的压力变化的平均值就可以容易地显示出来。1796年，萨瑟恩用一支铅笔来取代指针，并使用了一块载有指示卡片的活动板，这样就可以获得汽缸内压力变化的连续数值。瓦特还对蒸汽机作了一系列改进并取得了一系列专利：发明了双向汽缸，使得蒸汽能够从两端进出从而可以推动活塞双向运动，而不是像以前那样只能单向推动；使用节气阀门与离心节速器来控制气压与蒸汽机的运转；发明了三连杆组保证气缸推杆与气泵的直线运动。

尽管瓦特对蒸汽机做出了巨大改进，但是他留下的蒸汽机实质上仍然是一台低压真空蒸汽机。1802年，特里维西克（Richard Trevithick）制造了一台高压蒸汽机，他将汽压提升到前所未有的145磅/平方英寸（即1兆帕）的压强，从而开拓了使用增加压力提高蒸汽机热效率和功率的方法（辛格　等，2004）128。高压蒸汽机比低压蒸汽机更轻、更便宜，而且使用的水也更少。这种空间和材料上的节约在生产移动式蒸汽机中具有首要的重要意义。如果只能使用低压蒸汽机的话，火车机车和汽船的商业性应用就会受到严重限制（哈巴库克，2002）314。1781年，霍恩布洛尔（Josiah Hornblower）取得了第一台复合式蒸汽机的专利，利用双缸使蒸汽二级膨胀，以产生较高的热效率和功率，是提高蒸汽压力的重要途径。这种蒸汽机经过伍尔夫（Arthur Woolf）的改进，在1803年取得专利，节约燃料50%，经过多次改进，至1816年热效率分别达12%和17%，功率分别增加到104和149马力（1马力约等于747瓦）。在很长时期内，复合式蒸汽机在航运业得到了最为广泛的应用，在这个行业中燃料节约所产生的收益因为腾出的地方可以装载货物和安置旅客而成倍提高（辛格　等，2004）133。

在瓦特1800年专利到期并撤走了康沃尔郡负责监管蒸汽机运转的全部工程技术人员之后，当地的蒸汽机用户在1811年组织了一个协会。该协会经研究决定每月定期编印内部交流资料，详细刊载协会成员各自名下的蒸汽机的运转情况，以及耗煤量等信息，具体的信息收集工作由独立的第三方审计员负责进行。后来当地大多数矿业经营者加入了这一协会。该协会定期编印《李恩蒸汽机月度报告册》（Lean’s Engine Reporter），详尽地记录了当地大多数蒸汽机的运转情况，该报告册的编印工作一直延续到1904年才宣告停止。这份报告册使得工程师们可以借鉴其他公司拥有的性能优越的蒸汽机在结构设计上的长处，并吸收其他公司的同行们在改良过程中的有益经验。这种技术创新组织模式被称为一种“集体性发明活动”的过程（艾伦，2012）257。蒸汽机这样的大型成套生产设备，往往需要耗费巨资才能批量安装到位，随后才可以借助这些设备来现场检测不同类创新设计方案的实际性能孰优孰劣。在这种情况下，集体性发明活动往往能够取得突破性进展。试验开销由各个矿业企业平摊，能够有效地降低研发费用。