Una máquina de vapor es una máquina que utiliza el vapor producido en un fluido (agua) al calentarlo para producir trabajo.
La importancia de la máquina de vapor radica en su participación en la llamada Revolución Industrial, que modificó el curso de la historia de la civilización en los últimos decenios del siglo XVIII. Como consecuencia de la creación y difusión de estos equipos, se verificó una expansión económica sin precedentes en Inglaterra, con expansión posterior hacia el resto de Europa Occidental, los Estados Unidos y otras naciones del mundo.
La mayor producción industrial resultante modificó el patrón de comercio en los cinco continentes e influyó indirectamente en la independencia de las colonias imperiales en distintas regiones de la Tierra.
El funcionamiento es el siguiente:
El vapor de agua generado en una caldera cerrada produce la expansión del volumen de un cilindro, que empuja a un pistón. Mediante un balancín, el movimiento de subida y bajada del pistón del cilindro se transforma en un movimiento de rotación que acciona, por ejemplo, las ruedas de una locomotora o el rotor de un generador eléctrico.
Una vez alcanzado el final de la carrera, el émbolo retorna a su posición inicial y expulsa el vapor de agua.
Inicios
Hay escritos que datan de la época de los egipcios, en los cuales se dice que Herón, habló alguna vez sobre las máquinas de vapor. En estos manuscritos, se describe, existen otros personajes que habrían desarrollado este tipo de máquinas, aparte de los ensayos realizados por el mismo Herón. Nada de esto está muy claro.
Dentro de las estructuras que habrían utilizado una máquina de vapor, se cuentan algunas puertas en templos, las cuales se abrían o cerraban bajo la influencia de esta máquina. Asimismo, una máquina de vapor, sería la causante del movimiento de ciertas figuras en algunos altares de importancia de aquella época.
En el siglo I dC, los científicos griegos se dieron cuenta de que mediante el vapor se podía generar fuerza o energía posible de utilizar. En este entonces, los antiguos griegos no usaron el vapor para mover maquinaria.
Las maquinas atmosféricas
Las primeras maquinas de vapor fueron llamadas maquinas atmosféricas ya que la atmosfera era la que proporcionaba la presión de la maquina.
En 1654, Von Guericke, con su famoso experimento de Magdeburgo, hizo una espectacular demostró de la inmensa fuerza que la atmósfera podía ejercer. Mostró que cuando dos hemisferios de 50 centímetros de diámetro perfectamente ajustados eran unidos de manera que formasen una esfera y se hacía el vacío en su interior, dos tiros de ocho caballos cada uno no podían separarlos.
En otro experimento mostró que cuando se creaba un vacío parcial bajo un émbolo de grandes dimensiones introducido en un cilindro, la fuerza sumada de cincuenta hombres no podía evitar que la presión atmosférica llevase el émbolo al fondo del cilindro.
Tales experimentos dieron vida a la idea de que si se pudiese encontrar algún medio sencillo para crear el vacío repetidas veces se podría utilizar la presión atmosférica como una ventajosa fuente de energía.
La maquina de Savery
Inventada en 1698 por el capitan Thomas Savery. El único uso de esta maquina fue de bombear agua fuera de las minas, en lo cual reemplazo a los caballos. Era una maquina atmosferica, como consecuencia podia elevar agua solo alrededor de 32 pies altura a la cual la presión de una columna de agua iguala a la de la atmosfera.
El agua puede ser forzada mas alto hacia una reserva por la presion del vapor, pero entonces toda la presion del vapor aparece en el calentador, y al crecer la elevacion crece la presion resultante en el calentador haciendose muy peligrosa. La maxima presion adicional era probablemente de alrededor de 2 atmosferas, o otros 60 pies. Incluso esto podia producir que el calentador explotara.
Debido a las altas presiones que esta maquina requeria es que fue reemplazada, ya que los metales de la epoca no podian soportar la presion necesaria.
La maquina de Newcomen
La maquina de Newcomen tuvo una vida util mas larga que la maquina de Savery, y fue mucho mas exitosa. Fue desarrollada por Thomas Newcomen en 1712 , y comenzo a ser reemplazada, por la maquina de watt, en 1770. Alrededor de 1800 ya era completamente obsoleta. Al igual que la anterior, era una maquina atmosferica, y su uso casi exclusivo era bombear agua fuera de las minas. Sin embargo, al contrario de la maquina de Savery, la maxima distancia a la que se podia elevar agua no estaba limitada por la maquina sino por las bombas asociadas.
Newcomen fue contratado para la mantencion de una maquina de Savery en Cornwall. Modificandola obtuvo una maquina que funcionaba a 12 revoluciones por minuto, subia 540 litros de agua por minuto sobre 46 metros. Aproximadamente daba 5 hp, y tenia una eficiencia termal de 0.5% .
La maquina de Newcomen no usaba vapor a alta presion, y por lo tanto era segura, confiable y basicamente simple. Era así mismo una maquina poderosa, economica al menos y generalmente superior a cualquier otro metodo de bombear agua.
De esta forma consiguió un instrumento práctico, con una potencia capaz de mover maquinaria pesada, lo que trajo consigo el surgimiento de fábricas y una producción en masa. Fue el inicio de la Revolución Industrial.
Las aplicaciones prácticas de las máquinas de vapor fueron muy importantes en la minería, donde se utilizaron sobre todo como dispositivos de accionamiento de las bombas destinadas a evacuar el agua de las galerías profundas, aunque desde muy pronto también se emplearon como máquinas de elevación, transporte y extracción.
Sin embargo, la máquina de Newcomen enfriaba el vapor de agua en el propio cilindro echando agua, esto hacia que la máquina tuviera grandes pérdidas por el enfriamiento del cilindro.
La maquina de Watt
James Watt en 1763 vio que existia un problema en la máquina de vapor de Newcomen. Existía una condensación prematura del vapor en el cilindro principal, lo que producía una perdida continua de la capacidad por estar cada vez a una temperatura menor. Halló la solución en 1765: un condensador separado que evitaría la constante pérdida de energía ahorrando calor.
Con un préstamo de su amigo el científico Joseph Black y en sociedad con John Roebuck, Watt construyó en 1768 el primer modelo de prueba de lo que un año más tarde patentaría como “Método para disminuir el consumo de vapor y de combustible en máquinas de calor”.
Al arruinarse Roebuck, se asoció con el dueño de las Manufacturas Soho de Birmingham, Matthew Boulton, quien le proporcionó ayuda económica para establecerse en Birmingham y continuó perfeccionando su motor. A fines del siglo XVIII, Watt y Boulton habían construido e instalado más de quinientas máquinas; lo que proporcionó a Watt beneficios económicos y el respeto de sus contemporáneos. Las máquinas de vapor, con los perfeccionamientos de Watt, adquirieron fama por todo el continente.
Las nuevas máquinas se convirtieron rápidamente en la mayor fuente de energía de las fábricas y minas. Las mejoras efectuadas luego incluyeron un motor más compacto y de alta presión usado en locomotoras y barcos.
La gran importancia de las máquinas de vapor queda de manifiesto en su continuidad histórica, con distintas variaciones, casi hasta la primera mitad del siglo XX. En ese lapso, el impulso térmico generado por el carbón mineral movilizaba aún a las máquinas de vapor, hasta lograrse la mayor difusión de los modernos motores de combustión interna en los cuales se aplican combustibles fósiles.
El diseño original fue progresivamente sustituido por las modernas máquinas de vapor capaces de convertir la energía térmica en energía eléctrica. A tal fin, se genera un flujo continuo de vapor de agua, por lo cual se las considera en la actualidad como turbinas.
En virtud de la aparición de otros recursos técnicos, en los tiempos modernos las máquinas de vapor se utilizan sólo en forma ocasional y, en general, como elementos complementarios y auxiliares.
