El desarrollo de la ciencia moderna del calor estuvo estrechamente ligado al desarrollo de la tecnología moderna de máquinas diseñadas para realizar trabajo. Durante milenios y hasta hace dos siglos la mayor parte del trabajo se realizaba por animales (humanos y de otras especies). El viento y el agua también proporcionaban trabajo mecánico, pero en general no son fuentes de energía fiables, ya que no siempre está disponibles cuando y donde se necesitan.

En el siglo XVIII, los mineros comenzaron a cavar cada vez a más profundidad en su búsqueda de mayores cantidades de carbón. El agua tendía a filtrarse e inundaba estas minas más profundas. Se planteó la necesidad de un método económico para bombear el agua y sacarla de las minas. La máquina de vapor se desarrolló inicialmente para satisfacer esta necesidad concreta.

La máquina de vapor es un dispositivo para convertir la energía térmica del calor que produce un combustible en trabajo mecánico. Por ejemplo, la energía química de la madera, el carbón o el petróleo, o la energía nuclear del uranio, pueden convertirse en calor. La energía térmica a su vez se utiliza para hervir el agua para formar vapor, y la energía en el vapor se convierte en energía mecánica. Esta energía mecánica puede ser utilizada directamente para realizar trabajo, como en una locomotora de vapor, o utilizada para bombear agua, o para transportar cargas, o se transforma en energía eléctrica. En las sociedades post-industriales típicas de hoy, la mayor parte de la energía utilizada en las fábricas y en los hogares proviene de la energía eléctrica. Parte viene de saltos de agua y del viento pero la fuente que garantiza el suministro continuo y a demanda sigue siendo la proveniente de generadores.

Existen otros dispositivos que convierten el combustible en energía térmica para la producción de energía mecánica, como los motores de combustión interna utilizados en automóviles, camiones y aviones, por ejemplo. Pero la máquina de vapor sigue siendo un buen modelo para el funcionamiento básico de toda la familia de los llamados motores térmicos y la cadena de procesos desde la entrada de calor hasta la salida de trabajo y el escape de calor residual es un buen modelo del ciclo básico involucrado en todos los motores térmicos.

Desde la antigüedad se sabe que el calor se puede utilizar para producir vapor que, a su vez, puede realizar trabajo mecánico. Un ejemplo fue la eolípila, inventada por Herón de Alejandría alrededor del año 100. Se basaba en el mismo principio que hace que giren los aspersores de jardín, excepto en que la fuerza motriz era el vapor en vez de la presión del agua. La eolípila de Herón era un juguete, hecho para entretener más que para hacer un trabajo útil. Quizás la aplicación más «útil» del vapor en el mundo antiguo fue otro de los inventos de Herón. Este dispositivo asombraba a los fieles congregados en un templo al hacer que una puerta se abriera cuando se encendía un fuego en el altar.

No fue hasta finales del siglo XVIII que los inventores empezaron a producir máquinas de vapor con éxito comercial. Thomas Savery (1650-1715), un ingeniero militar inglés, inventó la primera máquina de este tipo, a la que dio en llamarse “la amiga del minero”. Podía bombear el agua de una mina llenando alternativamente un tanque con vapor de alta presión, lo que llevaba vaciaba el agua del tanque empujándola hacia arriba, condensando después el vapor, lo que permitía que entrase más agua en el tanque.

Desafortunadamente, el uso de vapor de alta presión por parte de la máquina Savery implicaba unimportante riesgo de explosiones de calderas o cilindros. Thomas Newcomen (1663-1729), otro ingeniero inglés, solucionó este defecto. Newcomen inventó una máquina que utilizaba vapor a menor presión. Su máquina era mejor también en otros aspectos. Por ejemplo, podía elevar cargas distintas al agua. En lugar de usar el vapor para forzar el agua dentro y fuera de un cilindro, Newcomen utilizó vapor para forzar un pistón hacia adelante y presión de aire para forzarlo hacia atrás. El movimiento del pistón podía utilizarse para mover una bomba u otro tipo de máquina.

El movimiento del pistón en una máquina de vapor, hacia adelante y hacia atrás, es uno de los orígenes de la definición de trabajo mecánico, W, como fuerza (F) x distancia (d), W = F·d.

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