Máquina o Motor de Vapor

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Máquina de Vapor

La invención de la máquina de vapor jugó un papel importante en la Revolución Industrial. Gran Bretaña contenía el nivel de desarrollo industrial más avanzado del siglo XVIII. A medida que se expandió, surgieron necesidades críticas de fuentes de energía más allá de las capacidades de los seres humanos y los animales, especialmente en la minería, la fabricación y el transporte. Aunque se hicieron numerosos intentos de producir una fuente de energía, le correspondió a Thomas Newcomen (1663-1729), un herrero con poca educación formal, construir la primera máquina exitosa en 1712. El motor de Newcomen creó un vacío inducido por vapor en la cara inferior de un pistón de potencia. La presión atmosférica en la cara superior hizo que el pistón se moviera hacia abajo, permitiendo que el vástago del pistón levantara un peso.

Puntualización

Sin embargo, debido al bajo valor de la diferencia de presión, el diámetro del pistón era extremadamente grande. A pesar de esta deficiencia, el motor tuvo éxito como bomba de agua para las minas de carbón y las zonas inundadas detrás de los diques. Antes de la muerte de Newcomen en 1729, había cientos de estos motores atmosféricos en funcionamiento en Inglaterra y en toda Europa.

JAMES WATT
James Watt (1736-1819), un escocés formado en Glasgow y Londres como fabricante de instrumentos matemáticos, dio pasos gigantescos en el desarrollo.Entre las Líneas En 1763 Watt comenzó a estudiar formas de mejorar el diseño del Newcomen para obtener mayor potencia y un funcionamiento más rápido. Con sus antecedentes científicos, evitó los enfoques puramente empíricos utilizados en diseños anteriores.Entre las Líneas En su lugar, comenzó una serie de experimentos para determinar la información técnica fundamental, como las propiedades termodinámicas del vapor, así como la cantidad de energía necesaria para evaporar el agua.

Desafortunadamente Watt, como muchos otros, pronto se vio obstaculizado por su incapacidad para construir una instalación de pruebas que acelerara su progreso científico. Afortunadamente, conoció a un exitoso fabricante inglés llamado Matthew Boulton (1728-1809). Después de que la pareja discutiera las ideas de Watt, se formó una sociedad en 1775. Casi inmediatamente, Watt pudo mudarse a un nuevo edificio cerca de Birmingham, dándole acceso a instalaciones modernas y a artesanos experimentados.Entre las Líneas En este entorno, Watt patentó y produjo una amplia gama de componentes como medidores de presión, válvulas de mariposa y reguladores de velocidad. Uno de los avances más importantes fue el motor de doble efecto que permitía que el vapor a alta presión actuara alternativamente a cada lado del pistón, produciendo así golpes de potencia en ambas direcciones y duplicando la potencia de salida. También desarrolló un mecanismo para convertir el movimiento recíproco del vástago del pistón en el movimiento rotatorio de un eje.

Durante más de veintisiete años, Watt fue socio de Boulton and Watt, que se convirtió en uno de los mayores constructores de motores de Inglaterra, produciendo más de quinientas máquinas para 1800. La empresa duró más de 120 años, y todavía estaba produciendo motores en 1895. Después de su muerte en 1819 a la edad de ochenta y cuatro años, el título de Watt como “el padre de la máquina de vapor” fue conmemorado con una estatua y una placa en la Abadía de Westminster en Londres.

Versiones posteriores de sus máquinas de vapor propulsarían grandes barcos a todas las partes del mundo durante la primera parte del siglo XX, y proporcionarían servicio a los ferrocarriles del mundo hasta mediados del siglo XX. No es exagerado afirmar que la máquina de vapor de pistón-cilindro marcó el comienzo de una transformación global de una civilización de base agraria a otra basada principalmente en la capacidad industrial y científica, producida por la creatividad de sus habitantes.

ORÍGENES DE LA PROPULSIÓN DE LOS BARCOS
Aparte del bombeo, otra de las primeras aplicaciones del motor fue para propulsar embarcaciones, específicamente barcos de río. El primer intento de utilizarlo se hizo en Lyon, Francia, en 1776 por un noble, Claude de Jouffroy (1751-1832), que optó por utilizar un motor Newcomen para mover los remos de una embarcación de 13 m (42 pies) de longitud. Una prueba demostró que este enfoque era poco práctico, lo que le llevó a cambiar a un motor más contemporáneo, de doble efecto, de diseño Watt para su segunda embarcación, llamada Pyroscaphe (barco de bomberos). Equipado con ruedas de remos a ambos lados, el barco tenía 45 m de largo y 5 m de ancho, con una tripulación de tres personas. Su prueba en 1783 en el río Saona en Lyon fue mucho más exitosa, ya que alcanzó una velocidad de 10 km/h (6 mph). Por desgracia, la excesiva vibración del motor acabó creando estragos en el casco de madera, obligando al piloto Jouffroy a tirar hacia la orilla para evitar el hundimiento.

Cuatro años más tarde, el ingeniero mecánico americano James Rumsey (1743-1792) demostró un barco de vapor en el río Potomac. Alcanzó una velocidad de 6 km/h (4 mph) usando un chorro de agua impulsado por vapor para su propulsión. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). A este evento le siguió una serie de exitosos diseños en la década de 1790 por los inventores americanos John Fitch (1743-1798), Nathan Reed (1759-1849) y John Stevens (1749-1838). Estos experimentos culminaron en 1807 con el desarrollo por parte del inventor americano Robert Fulton (1765-1815) del Clermont de 46 m de largo, propulsado por un motor Boulton & Watt, que hizo un viaje de ida y vuelta de 100 km por el río Hudson entre la ciudad de Nueva York y Albany en treinta horas.

AVANCES TEÓRICOS
Algo irónico es que la aclaración formal de los principios científicos subyacentes para los motores de Watt fue llevada a cabo por otro escocés, William J. M. Rankine (1820-1872). Educado como ingeniero civil en la Universidad de Edimburgo, su posterior carrera se caracterizó por importantes contribuciones a una amplia gama de campos científicos, uno de los cuales representó una modernización de la labor del científico francés Sadi Carnot (1796-1832), conocido como “el padre de la termodinámica”. Su trabajo de 1824 fue el primer trabajo que demostró que la energía producida por cualquier motor era el resultado de una secuencia de procesos de conversión de energía, llamada ciclo. Uno de los descubrimientos de Carnot fue que la eficiencia térmica de un motor ideal, es decir, uno que no tuviera pérdida de energía, dependía sólo de la relación entre las temperaturas más bajas y más altas alcanzadas dentro de la máquina. Este modelo ideal era importante para proporcionar un límite teórico a cualquier máquina real que pudiera construirse.

A mediados del siglo XIX, Rankine comenzó a estudiar formas en las que la creciente disciplina de la termodinámica podría mejorar el ciclo idealizado de Carnot.Entre las Líneas En 1860 publicó un artículo sobre el ciclo de Rankine, que describía todos los motores basados en el calor que utilizan un fluido de trabajo como el agua, o cualquier otro líquido que se vaporiza fácilmente. El fluido de trabajo comienza su viaje cíclico como un líquido a temperatura ambiente y presión atmosférica (estado 1). Un proceso de compresión aumenta su densidad (es decir, la energía mecánica) produciendo el estado 2. Utilizando el calor de un proceso de combustión (a partir de la energía química latente del combustible) el fluido se convierte en vapor y alcanza su máxima temperatura en el estado 3.Entre las Líneas En este punto el vapor experimenta un proceso de expansión dentro de un pistón-cilindro que convierte gran parte de su contenido de energía en trabajo mecánico. El proceso de producción de trabajo se completa en el estado 4, con el fluido emergiendo como un líquido caliente a presión atmosférica. El segmento final del ciclo elimina el calor residual del líquido, devolviéndolo a las condiciones del estado 1.

Es importante reconocer que las máquinas de vapor son máquinas de combustión externa porque la vaporización del agua se produce fuera del cilindro de potencia, dentro de una caldera separada.

Indicaciones

En cambio, los motores de encendido por chispa, desarrollados posteriormente para automóviles, incorporan la combustión dentro del cilindro, de ahí el nombre de combustión interna.

MANIFESTACIONES POSTERIORES
Una de las principales desventajas del mecanismo pistón-cilindro en una máquina de vapor es que produce un movimiento recíproco, por lo que requiere una complejidad adicional para proporcionar el movimiento de rotación necesario en la mayoría de las aplicaciones industriales.Entre las Líneas En particular, los vástagos de pistón en constante movimiento, junto con el mecanismo de reciprocidad, están compuestos de muchos componentes que requieren una amplia lubricación y ajuste entre los períodos de funcionamiento, junto con frecuentes reparaciones que requieren mucha mano de obra.

Tales deficiencias fueron una de las principales razones por las que, en 1884, apareció una encarnación radicalmente nueva de la máquina de vapor, descrita en una patente concedida a Sir Charles Parsons (1854-1931), un angloirlandés graduado en la Universidad de Cambridge. A pesar de su título, Parsons entró en la fuerza de trabajo como aprendiz de ingeniero, pero se trasladó rápidamente a una empresa de construcción naval en Newcastle, donde desarrolló la nueva máquina. Su máquina, basada en ideas del siglo XV, se conocía como una turbina de vapor, y funcionaba con el mismo principio básico que un molino de viento, utilizando palas inclinadas unidas a un eje giratorio. Como en el molino de viento, el fluido de trabajo en una turbina fluye paralelo al eje central, que puede ser conectado directamente a otra máquina rotativa como un generador eléctrico. La turbina de vapor se clasifica como un motor de flujo axial y giratorio, pero opera dentro de la envoltura termodinámica descrita por el ciclo de Rankine. Este concepto permite demostrar que su eficiencia térmica es considerablemente mayor que la de cualquier motor alternativo. También posee una densidad de potencia mucho mayor, es decir, la potencia producida por unidad de volumen ocupada por el motor.

En 1889 el inventor de la turbina fundó la Parsons Marine Steam Turbine Co. en Newcastle. Con la industria de la energía eléctrica en rápida expansión en América, la patente de Parsons fue licenciada primero al inventor americano George Westinghouse (1846-1914) de Pittsburgh, y más tarde a otros constructores industriales de todo el mundo. Durante el siglo XX, fue el tipo de energía de vapor más utilizado, incluyendo alrededor del noventa por ciento de los generadores eléctricos y prácticamente todos los grandes barcos. Durante el siglo XX, las turbinas de vapor aumentaron su longitud a más de 30 m (100 pies), y fueron capaces de generar energía a niveles de megavatios. Cabe señalar que la turbina de vapor también era un componente de las centrales nucleares, ya que el reactor nuclear sólo servía para reemplazar la caldera convencional como fuente de calor para producir vapor.

Datos verificados por: Marck

Inicio de la revolución industrial: máquinas de vapor y medios de transporte

La Revolución Industrial comenzó en el 1700 con el desarrollo de máquinas que sustituyeron la fuerza muscular humana o animal. Las máquinas recién inventadas, impulsadas por la quema de madera o carbón, o por el flujo de agua de un arroyo o río, podían realizar la misma cantidad de trabajo que antes requería que varias personas o varios animales flexionaran sus músculos. Las máquinas no sólo podían hacer el trabajo de varios seres vivos, sino que podían hacerlo a una velocidad mucho mayor. Imaginen la sustitución del motor de un coche por un caballo; uno o dos caballos podrían fácilmente tirar del peso de un coche con sus pasajeros, pero ningún caballo podría correr por la autopista a sesenta millas por hora, hora tras hora, como puede hacerlo un coche.

Hubo dos aspectos separados, pero relacionados, en el desarrollo de nuevas máquinas en la Revolución Industrial. Uno era el uso de fuentes de energía además de los músculos.Entre las Líneas En particular, los inventores encontraron formas de capturar y utilizar la característica natural del agua para expandirse cuando se calienta y se convierte en vapor. El otro aspecto fue la invención de maquinaria que podía emular el trabajo realizado durante siglos por trabajadores cualificados, especialmente en la fabricación de tejidos. Con el tiempo, estos dos aspectos se unieron, en forma de máquinas impulsadas por vapor para hilar o tejer telas. Las nuevas fuentes de energía también permitieron el desarrollo de un transporte fiable y de alta velocidad, en forma de trenes y barcos de vapor.

En menos de un siglo, estos desarrollos tecnológicos tuvieron un enorme impacto en la naturaleza del trabajo, en la forma en que se organizó la sociedad y en las formas en que se generaba y compartía la riqueza.

POTENCIA DE VAPOR
Para comprender el desarrollo de las máquinas de vapor, es útil examinar la naturaleza del agua.

El agua está compuesta por moléculas (una molécula es la partícula más pequeña de un compuesto químico, y está compuesta por dos o más átomos unidos entre sí) hechas de dos tipos de átomos: hidrógeno y oxígeno. Cada molécula de agua pura contiene dos átomos de hidrógeno y uno de agua; los científicos escriben esto como H2O.

Cuando estas moléculas están entre 32 grados Fahrenheit (0 grados Celsius) y 212 grados Fahrenheit (100 grados Celsius), están en un estado líquido llamado agua, la sustancia más común en la Tierra. Cuando las moléculas se calientan por encima de los 212 grados Fahrenheit (100 grados Celsius), se separan unas de otras y se convierten en un gas llamado vapor.Entre las Líneas En ese instante, el volumen (espacio) ocupado por las moléculas de H2O se expanden instantáneamente muchas veces (1.325 veces, para ser precisos). El mismo número de moléculas que, en forma líquida, cabrían en una botella de plástico de un galón que mide unos cinco y media pulgadas cuadradas en la parte inferior y un poco más de ocho pulgadas de alto, de repente necesitan un recipiente que mida cinco y media pulgadas cuadradas por más de once mil pulgadas de alto. Normalmente, por supuesto, las moléculas simplemente escapan a la atmósfera, como se puede ver cuando una tetera está hirviendo en una estufa.

MINAS DE CARBÓN Y DESARROLLO DE LA MÁQUINA DE VAPOR EN INGLATERRA
En el siglo XVII, Inglaterra se enfrentó a un problema particular: sus otrora vastos bosques de robles habían sido talados durante muchos siglos para ser utilizados como troncos para calentar casas, así como para la fabricación de barcos de vela. Afortunadamente para Inglaterra, tenía una alternativa para la calefacción de las casas: extensos depósitos de carbón enterrados bajo tierra, particularmente en la parte noroeste del país. Para sacar el carbón de la tierra era necesario excavar pozos verticales (agujeros) y redes de túneles horizontales, y la minería del carbón daba lugar a otro problema: las inundaciones.

El agua que se filtraba a través de la tierra desde la superficie penetraba en los túneles y se acumulaba en el fondo de los pozos de las minas, amenazando con inundar los túneles horizontales que seguían la “veta” de carbón. Para evitar que los mineros se ahogaran, se usaban caballos para llevar los cubos a la cima.Si, Pero: Pero a medida que las minas se excavaban más profundamente y se ampliaba la red de túneles, las inundaciones comenzaron a superar la capacidad de una brigada de cubos impulsados por caballos para mantener las minas relativamente secas. (En una mina, incluso 500 caballos apenas podían seguir el ritmo del agua que se filtraba en el fondo de la mina).

Se necesitaba un medio diferente y más eficiente para eliminar el agua, y una bomba como la de Somerset que usaba carbón para crear el vapor parecía una respuesta ideal.

Thomas Savery (c. 1650-1715) fue un ingeniero militar británico al que se suele atribuir el siguiente avance en el desarrollo de la máquina de vapor. Savery solicitó muchas patentes para inventos entre 1694 y 1710, incluyendo una solicitud de fecha 1698 titulada “un nuevo invento para elevar el agua y el movimiento ocasional para todo tipo de trabajo de molinos por la Fuerza Impulsora del Fuego, que será de gran utilidad y ventaja para drenar minas, servir a las ciudades con agua, y para el trabajo de todo tipo de molinos donde no tienen el beneficio del agua ni de los vientos constantes”.

Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):

La aplicación de Savery fue interesante no sólo por el dispositivo, sino también por el hecho de que incluía lo que esperaba que resultaran ser las razones de su éxito financiero: la gente podía construir máquinas lejos de las fuentes de energía como ríos, arroyos o molinos de viento; podían drenar las minas, especialmente las de carbón, y podían suministrar energía a los molinos y fábricas.

Puntualización

Sin embargo, esto planteó un nuevo requisito: transportar el combustible al nuevo motor, una consideración que desempeñó un papel importante más tarde en la Revolución Industrial.

El dispositivo de Savery utilizaba los mismos principios que hicieron funcionar la bomba de vapor de Somerset. El agua se calentaba en un gran contenedor (la caldera) construido sobre un horno. El vapor del recipiente se dirigía a dos cilindros. Saliendo de las cámaras había tubos que se extendían casi hasta el fondo, y a través de los cuales se podía expulsar el agua, como en el dispositivo de Somerset. Al mismo tiempo, otro conjunto de tubos conducía desde las cámaras hacia abajo, a una mina, donde la potencia de succión estaba diseñada para aspirar el agua. [rtbs name=”crisis-del-agua”] Después de que el vapor de la caldera llena uno de los cilindros, se cierra el suministro de vapor y la cámara se enfría rápidamente, haciendo que el vapor de su interior se contraiga y cree un vacío. El vacío aspira agua
desde el fondo del pozo, llenando la cámara. Esta tubería de entrada se cierra entonces, por una válvula, y el vapor vuelve a entrar en la cámara, forzando el agua hacia arriba a través de la tubería de salida. El proceso se alterna entre los dos recipientes; mientras uno está en modo de succión, el otro se llena de vapor. Luego se invierten los papeles.

Sin embargo, la máquina tenía algunos inconvenientes. Requería que un operario experto abriera y cerrara las diversas válvulas que dejaban entrar el vapor y el agua. [rtbs name=”crisis-del-agua”] Estaba limitada en cuanto a la profundidad desde la que podía bombear el agua. [rtbs name=”crisis-del-agua”] Estas limitaciones condujeron al éxito de la siguiente gran figura en la historia de la máquina de vapor, Thomas Newcomen.

La idea de que una máquina podría costar menos en su funcionamiento mientras hace la misma cantidad de trabajo (en este caso, llevar agua a la superficie) introdujo otro elemento que marcaría la Revolución Industrial: la productividad.Entre las Líneas En el caso de un motor Newcomen, dos hombres que manejaran una máquina de vapor podrían realizar el mismo trabajo (medido en la cantidad de agua bombeada) en cuarenta y ocho horas que antes realizaban veinte hombres y cincuenta caballos trabajando día y noche durante una semana.

El motor de Newcomen también llevó a cambios en la fabricación del hierro, un metal (véase definición, y una descripción de metal) fuerte. El hierro era preferible al latón, un metal (véase definición, y una descripción de metal) más débil que antes se había usado para hacer bombas. Se desarrolló una dependencia mutua entre los fabricantes de carbón, hierro y motores de vapor. Como los motores Newcomen accionados por vapor requerían carbón para obtener energía, la extracción de ese carbón requería motores Newcomen más grandes para evitar que las minas se inundaran. La fabricación de motores Newcomen más grandes requería la fabricación de hierro, proceso que requería carbón.

Para Inglaterra fue una afortunada coincidencia que las minas de hierro y los depósitos de carbón estuvieran ubicados cerca uno del otro (examine más sobre todos estos aspectos en la presente plataforma online de ciencias sociales y humanidades). Fue una de las razones por las que Inglaterra tomó la delantera en la Revolución Industrial.

Después de que Newcomen introdujera su primera máquina de vapor, hubo un gran paso adelante en esta tecnología antes de que la Revolución Industrial se pusiera realmente en marcha. Ese avance fue introducido por James Watt (1736-1819) de Escocia. Véase más arriba.

Recursos

Traducción al Inglés

Traducción al inglés de Motor de vapor: Steam engine

Véase También

Motor eléctrico; Motor de combustión interna; Locomotora; Equivalente mecánico de calor; Termodinámica
La ley de Boyle
Locomotora compuesta
Cilindro
Locomotora de vapor con engranaje
Historia de los vehículos de carretera a vapor
James Rumsey
Reportero del motor de Lean
Lista de ferias de vapor
Lista de museos de vapor
Lista de patentes de tecnología de vapor
Vapor vivo
Fogonero mecánico
Modelo de máquina de vapor
Motor portátil
Salomón de Caus
Avión de vapor
Barco de vapor
Coche de vapor
Grúa de vapor
Locomotora de vapor
La energía del vapor durante la Revolución Industrial
Pala de vapor
Tractor de vapor
Triciclo de vapor
El motor de Still
Línea de tiempo de la energía del vapor
Motor de tracción

Bibliografía

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