La invención de la máquina de vapor , es la historia de un largo proceso de descubrimiento que comenzó en la antigüedad. En 1679, el francés Denis Papin diseña una especie de olla a presión de vapor para estudiar la presión del gas. En 1712, Thomas Newcomen desarrolla la primera máquina de vapor , que se utiliza para bombear agua desde el Dudley mina de carbón, en Inglaterra. Inglés James Watt Estará en el origen de otra gran innovación:el uso de vapor a presión, que mejorará considerablemente el funcionamiento de la máquina. Las patentes de Watt pasaron a ser de dominio público y muchos constructores mejoraron el rendimiento y la mano de obra. Aunque no fue su origen, la máquina de vapor contribuyó en gran medida a la revolución industrial del siglo XIX.
Usar vapor para producir energía mecánica
El principio de la máquina de vapor es la transformación de la energía térmica del vapor en energía mecánica, mediante expansión y enfriamiento de el vapor en un cilindro equipado con un pistón móvil. El vapor necesario para la producción de energía o calor generalmente lo proporciona una caldera. Las calderas más sencillas constan de un recipiente que contiene agua, que se calienta para obtener vapor saturado.
Los sistemas de calefacción domésticos habituales suelen contar con una caldera de este tipo, pero las centrales eléctricas de vapor, utilizadas para la producción de energía industrial, tienen un diseño y un equipamiento auxiliar más complejo. La eficiencia de una máquina de vapor suele ser baja y, por esta razón, las máquinas de vapor a menudo han sido reemplazadas por turbinas de vapor.
Afinando la máquina de vapor
Las primeras investigaciones sobre el vapor se remontan a la antigüedad. Hasta entonces, la producción mecánica no había podido realizar avances significativos, porque las únicas fuerzas motrices disponibles eran la energía física, siempre limitada, del hombre o del animal. y fuerzas naturales como el viento y el agua, demasiado dependientes de factores geográficos y climáticos. Desde la antigüedad se sabe que la fuerza elástica del vapor aumenta bajo el efecto de la temperatura. En su Neumática, Garza de Alejandría (alrededor del siglo I d.C.) había descrito el eolipilo, una especie de esfera metálica hueca cuyo movimiento de rotación era provocado por el escape de vapor en unos tubos.
Desde los primeros años del siglo XVII, se pensó en utilizar el vapor de agua como fuente de energía industrial (trabajo). por Giovanni Battista Délia Porta, 1601; por Salomon de Caus, alrededor de 1615 por Edward Somerset, 1663). El trabajo de Torricelli y Guericke en el siglo XVII se centra en la posibilidad de condensar vapor.
El físico francés Denis Papin expone, en Descripción y uso de la nueva máquina para elevar agua , su idea de una máquina que funciona con un pistón que se mueve con movimiento alterno en un cilindro, bajo la presión del vapor obtenido al calentar una masa de agua. El primer motor de pistón se desarrolló en 1690 y se utilizó para bombear agua. La máquina de Papin, más que una curiosidad, es una máquina básica que funciona a presión atmosférica, por lo que el vapor no se comprime.
Las primeras aplicaciones prácticas de esta investigación fueron bombas de vapor para evacuar agua de minas de carbón y cobre. En 1698, Thomas Savery inventó la primera máquina de bombeo que utilizaba vapor. Mucho más ingeniosa, la máquina de Thomas Newcomen (1705) puso en movimiento un pistón que hacía oscilar un péndulo conectado por varillas a una bomba situada en el fondo del pozo.
Introducida en las minas inglesas alrededor de 1711-1712, esta máquina tuvo muchos usos durante más de medio siglo (había alrededor de ciento sesenta ejemplos alrededor de 1760). Pero el principio en el que se basaba consistía en crear, en el interior del cilindro, un vacío en el que el pistón era empujado por la presión del aire exterior; para ello era necesario calentar y enfriar alternativamente el cilindro, lo que suponía una enorme pérdida de combustible.
Las mejoras de James Watt
La principal limitación de la máquina de vapor radica en las técnicas metalúrgicas necesarias para su realización práctica y para lograr un resultado fiable y económicamente viable. El gran avance lo logró el mecánico escocés James Watt. Llamado en 1763 para reparar un modelo de máquina de Newcomen utilizado para experimentos en la Universidad de Glasgow, observó que "para evitar cualquier condensación innecesaria, era necesario que el cilindro donde el vapor actuaba sobre el pistón permaneciera siempre tan caliente como el propio vapor... Para obtener el vacío deseado, la condensación debía realizarse en un recipiente aparte, donde se podía bajar la temperatura todo lo necesario, sin que se modificara la del cilindro» .
Ya en 1765, Watt conectó a la máquina un condensador separado del cilindro. En 1769 patentó sus primeras mejoras. Pero le llevó otros trece años de experimentación antes de perfeccionar, en 1782, la máquina de doble efecto, en la que el vapor pasaba alternativamente a cada lado del pistón; esta máquina también estaba dotada de un dispositivo que, al transformar el movimiento oscilante del pistón en un movimiento circular, la hacía capaz de todo tipo de aplicaciones. Este invento sólo pudo conseguir una amplia difusión gracias al equipo de mecánicos especializados creado en el Soho, cerca de Birmingham, por el socio de Watt, Matthew Boulton, cuya fábrica produjo unas quinientas máquinas Watt antes de finales del siglo XVIII. siglo.
La lenta expansión de la máquina de vapor
Para ver lo temprano de la aplicación de la máquina de vapor en minas o fábricas de algodón en Inglaterra y otros países europeos:una máquina de Newcomen se instaló en Schemnitz, en Eslovaquia, tan pronto como como 1722; en Passy, Francia, de 1726- no implica su generalización al tejido industrial medio, ni siquiera en Gran Bretaña. En la industria británica, la máquina de vapor se utilizó en la primera mitad del siglo XIX, sólo en los sectores más modernos:la industria algodonera, la metalurgia, la ingeniería mecánica y la minería.
Las formas tradicionales de motores (el molino de agua o de viento y los paseos a caballo) aún prevalecen. Las locomotoras se utilizan para la trilla agrícola, pero no son la norma. Paradójicamente, la máquina de vapor se generalizará durante la "gran depresión" de los años 1873 a 1896, cuando la economía británica se desacelera y pierde su liderazgo en productividad.
En Francia, Alemania, Suiza y Estados Unidos, la introducción de la máquina de vapor es lenta y tardía. El molino de agua siguió siendo el motor industrial dominante hasta finales del siglo XIX en regiones donde el relieve daba suficiente velocidad a los ríos y donde su caudal era regular, sin sufrir sequías ni heladas. Los fabricantes eligieron esta opción porque era más económica. El molino de agua es muy caro de instalar porque requiere cavar un tramo para traer el agua, pero luego su funcionamiento cuesta poco. El precio de compra de una máquina de vapor es menor, pero el de su operación y mantenimiento es alto:además del precio del combustible, es necesario pagar a un mecánico a tiempo completo y operarla continuamente, porque el tiempo de presurización es largo. .
En los países donde el costo del carbón es alto, las máquinas de vapor no están muy extendidas, excepto en las grandes empresas. Sin embargo, como en el Faubourg Saint-Antoine, en París, las empresas de alquiler de energía pueden distribuir la energía a talleres artesanales que conectan sus correas a un eje giratorio en la calle. En Francia, fue especialmente en la década de 1920 cuando las máquinas de vapor se convirtieron en el motor industrial más extendido. En los años 30 su potencia total alcanzó su punto máximo y su número disminuyó, porque sobre todo quedaban máquinas con una gran potencia unitaria, como las de las centrales térmicas para la producción de electricidad.
Una fuerza motriz todavía utilizada
El principio y las técnicas para convertir un motor alternativo en movimiento giratorio se pueden encontrar a finales del siglo XIX en motores donde la combustión externa era reemplazada por una combustión interna, de gas o aceite. Muchos procesos proceden de las máquinas de vapor, como el cárter, donde el cigüeñal gira en aceite, o los sistemas de varios cilindros en estrella de los motores de avión.
Al mismo tiempo, la máquina de vapor se fue asociando progresivamente a las técnicas de movimiento continuo que ingenieros, como Benoît Fourneyron (1802-1867), habían avanzado durante el siglo XIX. siglo en hidráulica. Las turbinas de vapor aparecieron en la industria y la marina a principios del siglo XX, cuando era posible fabricar rotores que giraban a velocidades muy altas. Por último, las centrales nucleares son motores de combustión externa que utilizan el fluido de vapor para mover turbinas.
Bibliografía
- Historia de la máquina de vapor, de Robert Henry Thurston. Decoopman, 2014.
- La máquina de vapor, de Louis Figuier. CIPP, 2015.
