La máquina térmica

Experientia docet

A finales del siglo XVII ya se sabía que la presión atmosférica o la del vapor podían usarse como fuente de potencia. Los primeros intentos de explotar la idea , entre los que destacan los de Denis Papin en Francia y Thomas Savery en Inglaterra, tuvieron un éxito limitado. Pero a principios del siglo XVIII un ingeniero inglés, Thomas Newcomen, comenzó a fabricar máquinas eficaces y, lo que era casi más importante, fiables. Estas máquinas se extendieron pronto por el Reino Unido, Europa continental y América. Su uso no solo revolucionó la industria y la minería, también contribuyó de forma sobresaliente al desarrollo de la física.

Esquema del funcionamiento de la máquina de Newcomen
Esquema del funcionamiento de la máquina de Newcomen

La máquina de Newcomen consistía en un gran cilindro vertical, abierto en la parte superior, en el que un pistón suspendido de una cadena que lo unía a un travesaño horizontal con un pivote central. El travesaño tenía unos extremos curvados para mantener la verticalidad de la cadena cuando oscilaba. El movimiento se originaba cuando el vapor pasaba desde una caldera al cilindro por debajo del pistón, y después se enfriaba aportando agua fría. La presión atmosférica, habida cuenta del vacío parcial que creaba la condensación, empujaba el pistón hacia abajo. Entonces se iniciaba de nuevo el ciclo: una nueva inyección de vapor subía de nuevo el pistón creando de esta forma un movimiento continuo de subida y bajada que podía usar se conectando el otro extremo del travesaño a una máquina que pudiese aprovecharlo. En sus primeras aplicaciones esta máquina era una bomba para extraer el agua de las minas.

Modelo de laboratorio de la máquina de Newcomen con el que experimentó James Watt
Modelo de laboratorio de la máquina de Newcomen con el que experimentó James Watt

James Watt, fabricante de instrumentos y filósofo natural, contribuyó de forma significativa a mejorar el diseño de Newcomen, incluyendo un condensador separado para evitar inyectar agua fría en el cilindro. Watt usó el vapor, más que la presión atmosférica, para empujar el cilindro hacia abajo, e incorporó una fase en la que el vapor levantaba el cilindro, de forma que recibía impulso tanto hacia arriba como hacia abajo. Esta innovación permitía sustituir la cadena de Newcomen por una palanca fija, incrementando sobremanera la capacidad del vapor como fuente de potencia.

Plano de la máquina de Watt
Plano de la máquina de Watt

James Watt y sus socio Matthew Bolton habían patentado su invento, por lo que hasta principios del XIX tuvieron un monopolio de facto sobre las máquinas de vapor eficientes. Una vez que vence la patente la disminución de su precio por la entrada de otros fabricantes abre la puerta para experimentar con presiones de vapor sensiblemente más altas que la atmosférica lo que terminará desembocando en la posibilidad de construir locomotora a vapor. Richard Trevithick y después George Stephenson y su hijo Robert fueron los principales innovadores.

Sadi Carnot
Sadi Carnot

Estas innovaciones llevan a mejoras importantes en la economía de las máquinas (medida convencionalmente como la cantidad de trabajo producida por un peso dado de carbón consumido) lo que llevó a su estudio científico. En 1824 se publicaba Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia, obra de Sadi Carnot, en el que se recogía el análisis más penetrante hasta la fecha de la forma en la que el calor de la caldera producía trabajo mecánico.

Carnot concebía las máquinas térmicas como un dispositivo capaz de producir trabajo por la “caída” del calor dese una temperatura alta en la caldera a una temperatura baja en el condensador. Su analogía era una cascada: cuanto más alta fuese la caída, mayor el trabajo producido.

Aparato de Joule para medir el equivalente mecánico del calor.
Aparato de Joule para medir el equivalente mecánico del calor.

A mediados de siglo James Joule, William Thomson (lord Kelvin), y Rudolf Clausius demostrarían que parte del “calor que caía” se convertía en trabajo, e incluso Joule llegaría a establecer como constante la cantidad de trabajo necesario para conseguir una unidad de calor, el equivalente mecánico del calor. Estos trabajos se traducirían en el primer principio de la termodinámica. El espíritu del trabajo de Carnot, sobreviviría en lo que después se conocería como segundo principio.

Los desarrollos se centraron en la segunda mitad de siglo, por una parte en usar sustancias diferentes al vapor para aumentar la eficiencia de las máquinas, si bien el vapor continuaría siendo lo más empleado con mucha diferencia; y, por otra, en mejorar la economía, la potencia y en reducir el tamaño de las máquinas térmicas.

Nave experimental "Turbinia" de la Royal Navy (1894). Empleaba una turbina de vapor para su propulsión.
Nave experimental “Turbinia” (1894). Empleaba una turbina de vapor Parsons para su propulsión.

En 1900 las máquinas horizontales habían desplazado casi completamente a las verticales y los sistemas de combustión interna eran la alternativa para determinados usos. El trabajo de Charles Parsons y August-Camille-Edmond Rateau consiguió que las turbinas de vapor fueran el diseño preferido cuando había que manejar mucha potencia.

Las máquinas de vapor fueron la fuente principal de generación de electricidad hasta mediados del siglo XX.

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En la serie Apparatus buscamos el origen y la evolución de instrumentos y técnicas que han marcado hitos en la historia de la ciencia.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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