Maquina De Vapor

I. BOSQUEJO HISTÓRICO

HOY en día es común pensar que en el complejo proceso de creación, asimilación y aplicación del conocimiento científico, la tecnología es la última etapa que emana de la investigación científica. Si bien es cierto que existe una complicada interrelación entre la ciencia y la tecnología, al grado que es difícil pensar que ésta última sea ajena al quehacer científico, no siempre fue así. Cierto es que por ejemplo las comunicaciones, alámbricas e inalámbricas, surgen de la comprensión del comportamiento del campo electromagnético a través de los estudios de Faraday, Maxwell y Hertz en la segunda mitad del siglo pasado. Así, una tecnología emanó de los resultados de la investigación científica. Pero en el caso de los dispositivos que transforman energía y en particular energía térmica en trabajo mecánico, la situación fue completamente la opuesta. Estos últimos dispositivos, que ahora llamaremos máquinas térmicas se desarrollaron desde su forma más incipiente, en el siglo XVIII, hasta prácticamente la forma en que las conocemos hoy en día, lo que ocurrió ya hacia mediados del siglo XIX, sin que hubiese existido la menor comprensión sobre las causas teóricas, esto es, la explicación científica de su funcionamiento. Hagamos pues un poco de historia.

La primera máquina térmica de que tenemos evidencia escrita fue descubierta por Hero de Alejandría ( ~ 130 a.C.) y llamada la aeolipila. Es una turbina de vapor primitiva que consiste de un globo hueco soportado por un pivote de manera que pueda girar alrededor de un par de muñones, uno de ellos hueco. Por dicho muñón se puede inyectar vapor de agua, el cual escapa del globo hacia el exterior por dos tubos doblados y orientados tangencialmente en direcciones opuestas y colocados en los extremos del diámetro perpendicular al eje del globo. Al ser expelido el vapor, el globo reacciona a esta fuerza y gira alrededor de su eje.

La Aeolipia de Herón de Alejandría.

En la misma obra de Hero se describe también el primer prototipo de una máquina de presión, que después fue motivo de varios estudios por Matthesuis en Alemania en l57l, de Caus en Francia en 1615 y en Italia por Ramelli en 1588, della Porta en 1601 y Branca en 1629. Posteriormente, en 1663, Edward Somerset, el segundo marqués de Worcester, en su obra Un siglo de invenciones describe un método para elevar un volumen de agua usando vapor. Su descripción es obscura y carece de dibujos; y subsiste la duda de si construyó o no la máquina. No fue sino hasta los años de 1698 a 1725 cuando la idea de Somerset fue puesta en práctica y utilizada para satisfacer diversas necesidades. En 1698 Thomas Savery obtuvo una patente para una máquina utilizada para elevar cantidades considerables de agua. Su funcionamiento consistía esencialmente en inyectar vapor a un recipiente lleno de agua hasta vaciar su contenido por un tubo vertical a través de una válvula de seguridad. Cuando el recipiente se vacía cesa el suministro de vapor y el vapor contenido se condensa por medio de un chorro de agua fría que cae sobre las paredes exteriores de dicho recipiente y que proviene de una cisterna colocada en su parte superior. Esto produce un vacío y permite que otro tubo, controlado por otra válvula de seguridad, aspire agua del pozo distribuidor a cualquiera que sea la fuente. Entre tanto, una operación paralela se lleva a cabo en otro recipiente semejante al primero. El vapor se suministra de un horno que consiste de una caldera principal que tiene una alimentación continua de agua caliente la cual proviene de otro horno que calienta agua fría por el fuego encendido en su hoguera. Los niveles de agua en las calderas se controlan por sendas válvulas de presión.

Esta máquina, que puede considerarse como la primera máquina de vapor, encontró un uso considerable en la extracción de agua de las minas de carbón y en la distribución de agua para casas habitación y pequeñas comunidades. Esta máquina fue subsecuentemente modificada de diversas maneras, todas ellas destinadas a mejorar la cantidad de agua y la altura a que ésta podía elevarse, ya que estas características estaban limitadas por la presión que podían soportar las calderas. Ya en 1690 Denis Papin había sugerido que la condensación de vapor se debería usar para producir un vacío debajo de un pistón que previamente se había elevado por la acción del vapor. Ésta fue la primera versión de una máquina de vapor usando un cilindro y un pistón. En 1705 Thomas Newcomen y John Cawley, su asistente, mejoraron la operación del pistón al forzar su caída por acción de la presión atmosférica. Al hacerlo producía trabajo mecánico sobre una bomba que introducía el agua por bombear. Después de varios ajustes técnicos estas máquinas fueron producidas en gran tamaño y en serie por John Smeaton hasta que en 1770 fueron superadas por las innovaciones debidas a James Watt. (Figs. 1)

Figura 1a. Figura esquemática de una máquina o planta de vapor. El agua es bombeada a un calentador donde hierve y se evapora al aumentar la presión del cilindro para empujar al pistón hasta enfriarse a la temperatura y presión del condensador en el cual condensa y vuelve a ser bombeada para completar el ciclo.

Figura 1b. Diagrama simplificado de una locomotora de vapor mostrando el principio básico utilizado.

Figura 1c. Turbina de vapor.

En 1763 este notable fabricante de instrumentos escocés, al reparar una de las máquinas de Newcomen se sorprendió de ver el enorme desperdicio de vapor que ocurría durante el proceso de calentamiento y enfriamiento del cilindro, dentro del cual operaba el pistón. El remedio, en sus propias palabras, consistiría en mantener al cilindro tan caliente como el vapor de entrada. Después de seis años sus experimentos lo llevaron a patentar, en 1769, una máquina que superaba a las de su antecesor por su mayor rapidez en la carrera del pistón y por ser mucho más económica en cuanto al consumo de combustible, sin embargo estaba reducida al bombeo y adolecía de otras limitaciones técnicas. La forma en que estas limitaciones fueron superadas queda fuera de contexto, pero vale la pena subrayar que el propio Watt en 1781 ideó la forma de usar la máquina para hacer girar un eje y por lo tanto, abrir sus aplicaciones a muchos otros usos además del bombeo. En manos de inventores notables como Trevitchik y Woolf en Inglaterra, Evans en los EUA , Cugnot en Francia y otros, esta máquina llegó a un estado de perfección tal que en 1829 George Stephenson fue el primero en adaptarla a una locomotora esencialmente en la misma forma usada por las más pesadas locomotoras actuales. También, en 1802 fue usada por vez primera por W. Symington para navegar el remolque Charlotte Dundas. Posteriormente, en 1807, el norteamericano Robert Fulton hizo navegar un barco en el río Hudson con máquinas de vapor diseñadas por Boulton y Watt.

Entre esos años y las postrimerías del siglo pasado, con mejoras en el diseño y la construcción, la máquina de vapor se transformó en la máquina habitual para la navegación marina lográndose alcanzar presiones de vapor muy altas y velocidades de pistón considerables. Con la invención de la turbina de vapor la navegación marina adquirió su máximo grado de desarrollo, sólo superado posteriormente por el advenimiento de los combustibles nucleares. En la turbina de vapor, desarrollada por Parsons en 1884 y perfeccionada por Laval en 1889, la presión del vapor se utiliza para poner directamente al fluido en movimiento y no al pistón.

En todo este proceso de invenciones e innovaciones los inventores difícilmente tuvieron una teoría, como la electromagnética en el caso de la radio, que les guiara en su camino. Los termómetros producto de la obra de Gabriel Fahrenheit en 1717, eran reproducibles con un alto grado de precisión y surgieron de la necesidad de subsistir con un instrumento más preciso las sensaciones de frío y caliente que al tacto son difíciles de cuantificar. De hecho, mucho antes de su construcción, científicos como Leonardo da Vinci, Galileo y otros sabían que al contacto con un tercer cuerpo, usualmente el aire, dos o más cuerpos en contacto con él "se mezclaban de una manera apropiada" hasta alcanzar una misma "condición". De ahí la palabra temperatura que proviene del latín temperare que significa "mezclar apropiadamente" o templar. Pero para nadie era claro qué mecanismo estaba implícito en ese mezclado.

En 1620, sir Francis Bacon en su célebre obra Novum Organum propuso un método para estudiar e interpretar la naturaleza y eligió la naturaleza del calor para ilustrarlo. El método consiste de tres pasos: el primero, listar todas las "instancias asociadas a la ‘naturaleza’" que se desea investigar; el segundo es una revisión crítica de la lista y el tercero un proceso de inducción para formular la interpretación fundamental del fenómeno. Aplicada al calor es ilustrativo, pues pone de relieve las ideas que al respecto prevalecían en ese entonces: la forma o verdadera definición de calor es como sigue: calor es un movimiento, expansivo, restringido y actuando en su contienda sobre las partículas más pequeñas de los cuerpos.

Aunque se realizaron muchos esfuerzos para explicar los procesos que se pensaban ocurrían al experimentar con la ayuda de termómetros, fue Joseph Black un médico y químico escocés, quien a mediados del siglo XVIII aclaró la

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