La invención de la máquina de vapor es el relato de un largo proceso de descubrimiento que se remonta a la Antigüedad. En 1679 el francés Denis Papin diseñó una especie de olla a presión para estudiar la presión de los gases. En 1712 Thomas Newcomen desarrolló la primera máquina de vapor, utilizada para bombear agua del carbón de la mina de Dudley, en Inglaterra. Más tarde, el ingeniero inglés James Watt introdujo una gran innovación: el uso de vapor a presión, lo que mejoró notablemente el funcionamiento de la máquina. Las patentes de Watt pasaron al dominio público y muchos constructores optimizaron su rendimiento y fabricación. Aunque no fue su origen, la máquina de vapor contribuyó decisivamente a la Revolución Industrial del siglo XIX.
Uso del vapor para producir energía mecánica
El principio de la máquina de vapor consiste en transformar la energía térmica del vapor en energía mecánica mediante la expansión y el enfriamiento del vapor dentro de un cilindro equipado con un pistón móvil. El vapor necesario suele generarse en una caldera, que es simplemente un recipiente con agua calentada hasta obtener vapor saturado.
Los sistemas domésticos de calefacción utilizan calderas de este tipo, mientras que las centrales de vapor industriales disponen de diseños y auxiliares mucho más complejos. La eficiencia de una máquina de vapor es relativamente baja, por lo que a menudo ha sido reemplazada por turbinas de vapor.
Ajuste y evolución de la máquina de vapor
Las primeras investigaciones sobre el vapor datan de la Antigüedad. Hasta entonces la producción mecánica dependía exclusivamente de la fuerza humana o animal y de energías naturales como el viento y el agua, limitadas por factores geográficos y climáticos. Ya en el siglo I d.C., Herón de Alejandría describió en sus Pneumática el “aeolípilo”, una esfera hueca que giraba al expulsar vapor por tubos.
A principios del siglo XVII varios autores (Giovanni Battista Délia Porta, 1601; Salomon de Caus, c. 1615; Edward Somerset, 1663) propusieron utilizar el vapor como fuente de energía industrial. Torricelli y Guericke estudiaron la condensación del vapor.
Denis Papin, en su obra Descripción y uso de la nueva máquina para elevar agua, describió una máquina con un pistón que se movía alternadamente dentro de un cilindro bajo la presión del vapor generado al calentar agua. El primer motor de pistón se construyó en 1690 y se empleó para bombear agua. La máquina de Papin, más que una curiosidad, era una máquina básica que operaba a presión atmosférica, sin comprimir el vapor.
Las primeras aplicaciones prácticas fueron bombas de vapor para evacuar agua de minas de carbón y cobre. En 1698 Thomas Savery inventó la primera bomba de vapor. Más ingeniosa fue la máquina de Thomas Newcomen (1705), que impulsaba un pistón que a su vez movía una bomba situada en el fondo del pozo.
Introducida en las minas inglesas entre 1711 y 1712, esta máquina se utilizó durante más de medio siglo (alrededor de 160 unidades en 1760). Su principio consistía en crear, dentro del cilindro, un vacío que hacía que el pistón fuera empujado por la presión del aire exterior; para ello era necesario calentar y enfriar alternadamente el cilindro, lo que provocaba un gran consumo de combustible.
Mejoras de James Watt
El principal obstáculo de la máquina de vapor era la tecnología metalúrgica necesaria para su construcción fiable y rentable. James Watt, mecánico escocés, descubrió la solución en 1763 mientras reparaba una máquina de Newcomen en la Universidad de Glasgow. Observó que «para evitar condensaciones innecesarias, el cilindro donde el vapor actúa sobre el pistón debe mantenerse más caliente que el propio vapor». Propuso, por tanto, que la condensación se realizara en un recipiente separado, donde la temperatura podía reducirse sin afectar al cilindro.
En 1765 Watt añadió a la máquina un condensador separado. En 1769 patentó sus primeras mejoras y, tras trece años de experimentación, en 1782 perfeccionó el motor de doble acción, que admitía vapor alternativamente a ambos lados del pistón y convertía el movimiento oscilante en movimiento circular, apto para multitud de aplicaciones. Gracias al taller de Matthew Boulton en Soho (cerca de Birmingham), se fabricaron alrededor de quinientas máquinas Watt antes de final de siglo XVIII.
Difusión lenta de la máquina de vapor
Aunque ya en 1722 una máquina de Newcomen estaba instalada en Schemnitz (Eslovaquia) y en 1726 en Passy (Francia), su adopción generalizada en la industria tardó en llegar, incluso en Gran Bretaña. En la primera mitad del siglo XIX el vapor solo se empleó en los sectores más modernos: la industria textil del algodón, la metalurgia, la ingeniería mecánica y la minería.
Las formas tradicionales de energía –molinos de agua o de viento y la tracción animal– seguían predominando. Los locomotores se utilizaban para trillar, pero no eran la norma. Paradójicamente, la máquina de vapor se popularizó durante la “gran depresión” de 1873‑1896, cuando la economía británica se desaceleró y perdió su liderazgo productivo.
En Francia, Alemania, Suiza y Estados Unidos la introducción del vapor fue lenta y tardía. Los molinos de agua siguieron siendo la principal fuente de energía industrial hasta finales del siglo XIX en regiones con ríos de caudal constante. Aunque la compra de una máquina de vapor era más barata, sus costes operativos y de mantenimiento (combustible, mecánico permanente y tiempo de presurización) eran elevados.
En países donde el carbón era caro, el vapor se limitó a grandes empresas. Sin embargo, en lugares como el Faubourg Saint‑Antoine de París, compañías de alquiler de energía distribuían el movimiento rotatorio a talleres artesanales mediante ejes en la calle. En Francia, fue en la década de 1920 cuando la máquina de vapor alcanzó su mayor difusión industrial; su potencia total se estabilizó en los años 30 y luego disminuyó, sustituyéndose por turbinas en centrales eléctricas.
Una fuerza motriz que perdura
Los principios y técnicas de los motores de pistón se trasladaron al siglo XIX a los motores de combustión interna, de gas o de petróleo. Muchos componentes, como el cigüeñal sumergido en aceite, provienen de la máquina de vapor. A finales del siglo XIX, ingenieros como Benoît Fourneyron desarrollaron turbinas hidráulicas; a principios del siglo XX aparecieron las turbinas de vapor, que impulsaron la industria y la marina. Hoy, las centrales nucleares son motores de combustión externa que utilizan vapor para mover turbinas.
Bibliografía
History of the Steam Engine, Robert Henry Thurston. Decoopman, 2014.
The Steam Engine, Louis Figuier. CIPP, 2015.
