Este invento es el símbolo de la Revolución industrial, pero tal vez , no sepas quién inventó la máquina de vapor. En CurioSfera-Historia.com, te explicamos la historia de la máquina de vapor, cuál es su origen y sus predecesores. También su inventor y cómo ha sido su evolución.
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Quién inventó la máquina de vapor
El inventor de la máquina de vapor es James Watt (1736-1819). Este ingeniero escocés presentó la primera máquina de vapor en el año 1769. Watt introdujo algunas mejoras en algunas máquinas ya existentes, que empleaban pobremente la fuerza del vapor que fueron clave. Una consistía en una vara metálica que unía el émbolo con una rueda.
Así, un movimiento de ida y vuelta se transformaba en un movimiento circular. Pero lo mejor fue añadir un cuarto donde el vapor se condensara. Hasta entonces el cilindro donde pasaba todo calentaba y se enfriaba, por lo que se perdía tiempo y eficacia.
Al separarlo, James Watt consiguió que la máquina de vapor funcionara siempre a la misma temperatura. Esto provocó que la eficiencia se multiplicara y la hiciera plenamente eficaz. Aquellas ruedas que giraban empujadas por la fuerza del vapor empezaron a mover cosas: locomotoras, telares, bombas, ruedas de barcos, y en general, toda la industria naciente europea y posteriormente mundial.
Durante mucho tiempo los humanos habían usado primero animales y después la fuerza del agua y el viento. Pero esta era la primera vez que manipulaban la materia y convertían agua en vapor para obtener energía.
Finalmente, la energía iniciaba en el fuego que calentaba el agua, por lo que, en realidad, estábamos aprendiendo a obtener y transformar diferentes tipos de energía a una escala que no se había intentado nunca. Y el resultado fue la civilización moderna.
Invento del condensador separado
Para evitar el desperdicio del vapor, Watt inventó en 1765 un condensador separado cuya función era permitir que la temperatura se mantuviera elevada en el cilindro.
Otra gran innovación de Watt fue la de hacer funcionar su máquina en circuito cerrado y no abierto. Para ello, sustituyó la energía de la atmósfera por la del vapor, haciendo que ésta actuara sobre las dos caras del pistón. Este avance revolucionario, se debió a la búsqueda de la rentabilidad.
Watt trataba de impedir que la pared interior del cilindro se enfriara cuando el pistón se hundía por efecto de la presión atmosférica. La economía general de la máquina, aumentaba aún más debido a la invención del trinquete, en 1769, lo que permitía regular la duración de los períodos de expansión y de compresión del vapor.
Además de la ganancia en energía que se obtenía, el uso exclusivo del vapor para accionar el pistón permitió que la máquina de Watt, tuviera una ventaja decisiva sobre sus competidores. La presión del vapor era más elevada que la del aire, por lo que el rendimiento de su máquina era necesariamente superior al de las máquinas atmosféricas. La posibilidad de aumentar esta presión por encima de una atmósfera, permitió obtener rendimientos aun superiores.
¿Quién era James Watt?
James Watt nació en 1736, en Greenock, Escocia. En Glasgow, entró a trabajar en una óptica, en donde aprendió a fabricar instrumentos de precisión. Más tarde, fue contratado para ejercer este oficio en la Universidad de Glasgow.
Allí, en 1764, le solicitaron que efectuara una reparación en una máquina de vapor del tipo Newcomen, logrando en 1765, perfeccionarla de tal modo que alcanzó gran prestigio. En 1769, obtuvo una patente para su innovación y formó en 1780, una sociedad con el industrial Matthew Boulton, Boulton y Watt, para comercializar sus máquinas. En 1785, fue nombrado miembro de la Royal Society. Murió en 1819.
Origen de la máquina de vapor
Los orígenes de la máquina de vapor se remontan a muchos siglos atrás en el tiempo. Que el vapor de agua podía utilizarse para mover cosas lo puso de manifiesto Herón de Alejandría, un inventor griego del siglo I.
En un tratado describió una máquina, llamada eolípila. Consistía básicamente en una esfera dentro de la cual había puesto agua y un par de inyectores situados en direcciones opuestas. El agua del interior se calentaba y, cuando el vapor salía por los agujeros, la esfera giraba. De todos modos, se consideró una de las rarezas sin utilidad que hacen los científicos, y se utilizó más que nada como juguete para impresionar el personal.
Pero se puede decir que es el precursor de la antigüedad que más se aproximó a lo que actualmente conocemos como máquina de vapor. La potencia del vapor es conocida mucho antes de la aparición de las primeras máquinas eficaces de la época moderna.
Así, el científico e ingeniero helenístico Herón de Alejandría describe, en los albores de la era cristiana, dispositivos que recurren a la fuerza motriz del vapor para la apertura automática de las puertas de un templo, o también para accionar un pequeño torniquete. Sin embargo, como recuerda Sadi Carnot en 1824, “hay casi tanta distancia entre los primeros aparatos en que se desarrolló la fuerza expansiva del vapor, como entre la primera balsa que los hombres hayan fabricado y un buque de alta mar”.
En el siglo XVII, se empezaron a comprender los conceptos de vacío o presión atmosférica y el comportamiento de los gases. Y pronto se intentó aprovechar la fuerza del vacío para obtener energía.
El primer intento consistió en un sistema para bombear agua fuera de las minas. Se introducía vapor de agua en un depósito y se dejaba enfriar hasta que se condensara. Esto creaba un vacío en el interior que permitía aspirar el agua de la mina a través de una tubería. Había un sistema de tuberías, válvulas y depósitos, y en ocasiones explotaban.
Todo era un sistema que funcionaba, pero que no era demasiado eficiente. Fue más tarde, en 1701, que Thomas Newcomen logró hacer que un sistema con vapor, válvulas, émbolos y cilindros funcionase correctamente.
La idea también era sacar el agua de las minas, pero en este caso la máquina aprovechaba la fuerza del vapor junto con un contrapeso para mover un émbolo arriba y abajo. Esto se conectaba a una bomba que iba subiendo el agua. El problema en estos sistemas era que había que calentar para generar temperatura y luego enfriar para hacer el vacío. Así se perdía la mayor parte de la energía del vapor.
Este detalle lo notó un ingeniero escocés, James Watt. Encontró la manera de evitar este problema y, de paso, poner en marcha la revolución industrial.
Historia de la máquina de vapor
Uno de los lapsos más sorprendentes de la historia de las ciencias y de la técnica, es el que ocupan los dieciocho siglos que transcurren entre la primera máquina a vapor y el descubrimiento, combinado con aplicación, del principio de expansión del vapor de agua, que desencadenó la Revolución Industrial y modificó la historia.
Herón de Alejandría
Suponemos que fue en el siglo I a. de C., cuando Herón de Alejandría, geómetra, inventor, creador de la famosa fórmula de Herón, concibió y construyó por primera vez una máquina de vapor.
Se trata de un aparato muy simple, llamado “eolípila”: una esfera provista de dos respiraderos acodados en sentido opuesto, que giraba sobre un eje hueco que desemboca en una caldera y que la llena de vapor de respiraderos acodados y los hace girar.
Según parece, el aparato no tuvo ninguna aplicación práctica, era una curiosidad de físico. Algunos teóricos postulan que este sistema pudo haberse utilizado en mecanismos secretos y “mágicos” de algunos templos para animar estatuas articuladas (igualmente manejadas por sistemas de contrapesos y mecanismos hidráulicos).
La invención descrita y dibujada en los Pneumatica, obra en dos tomos del célebre inventor, no parece haber sido retomada ni una sola vez antes de 1640 (1636 según algunos).
Hasta mediados del siglo XXr y gracias a estudios de historiadores como Bertrand Gille, no nos dimos cuenta de la amplitud del genio de Herón de Alejandría, aún llamado también Herón el Viejo, uno de los más prodigiosos matemáticos, geómetras, físicos, mecánicos e inventores de todos los tiempos.
Leonardo da Vinci
Sin duda hay que mencionar, por escrúpulo histórico, las investigaciones de Leonardo da Vinci en este terreno, aunque no desembocaron en realizaciones concretas. La primera está simplemente sugerida en un croquis que data de 1504, en el Codex Leicester, y que representa un recipiente de agua bajo el cual hay un fogón. En la superficie del agua hay una piel de ternera que sirve para hermetizar el recipiente, y sobre ésta, una tapadera.
El peso de esta última está equilibrado con una pesa, a la cual está atada una tapadera mediante dos poleas de retroceso. Parecería que estamos ante un esbozo de máquina a vapor. Pero no lo es, como indican las notas anexas, es un dispositivo para medir la expansión del vapor. Poco más convincente es la otra invención, que al parecer data de 1509, cuya paternidad Leonardo atribuye extrañamente a Arquímedes (sin duda para que se aceptara mejor).
Se trata de un cañón que se calienta sobre un fogón, y en el que se vierte agua en una cámara de compresión, en la cual se evapora. El efecto del vapor liberado de golpe expulsaría un proyectil de un talento de peso (26 kilogramos) a seis estadios (de 887 a 1.152 metros).
Este cañón de vapor, que Leonardo llamó arquitonitro o “arquitrueno”, sólo provoca escepticismo. Un tercer “caramelo” de la misma fuente, el Codex Leicester o códice Hammer, parece representar una máquina de levantar pesos por medio de vapor.
En este ingenio, la marmita del recipiente calentado es la que, al levantarse, arrastraría el peso, pero el dibujo es demasiado rudimentario para que sea objetivamente posible atribuir con certeza a Leonardo la reinvención de la máquina de vapor.
Edward Somerset
Como quiera que sea, hacia el año 1640 el marqués de Worcester (Edward Somerset) recurrió a la expansión del vapor para poner en marcha una rueda con aletas sobre ejes fijos. Sin embargo, mientras que Herón utilizaba vapor continuo, Worcester lo utiliza en impulsos.
Sea como fuere, el 25 de julio de 1688, este mecánico inglés patenta la primera máquina de vapor de la Historia con el número GB356 A.D.). La define como “máquina para elevar el agua y proporcionar movimiento a molinos”. A diferencia de Herón, Worcester sólo tiene tres predecesores conocidos, los cuales se mantuvieron en el estado puramente teórico de la invención: Giambattista della Porta, Salomón de Caus y Giovanni Branca.
Denis Papin
También debemos destacar la teoría Denis Papin, quien durante mucho tiempo fue considerado el descubridor de la máquina a vapor. En 1687, publicó un tratado, Description et usage de la nouvelle machine á élever l’eau (Descripción y uso de la máquina de elevar agua), en el que describía una máquina que funcionaba gracias a un pistón afectado por el vapor.
El sistema es también muy simple: un pistón, el cual se desliza en un cilindro vertical, en cuyo fondo se ha puesto agua a calentar, sube por efecto del vapor; cuando el vapor se condensa, el pistón baja y levanta el peso con la ayuda de una polea; es un embrión de la máquina atmosférica. Se atribuye a Papin la aplicación del vapor al transporte fluvial. Se trata en este caso de un barco con ruedas de aspas accionadas por vapor, construido en 1707 y equipado con este sistema.
Pero no se realizó nada. El barco, que efectivamente existió, era movido por el brazo de hombre. Fue, por otra parte, destruido por bateleros de Hannover que estaban alarmados por la posible competencia de esta máquina. De hecho, Papin no construyó ninguna máquina de vapor propiamente dicha.
Thomas Savery
La primera aplicación real del sistema que él había enunciado en su tratado fue la realizada por el inglés, Thomas Savery y data de 1698, (Savery fue el primero en presentar una patente de la máquina a vapor). Se trataba de una bomba monocilíndrica de succión, que sacaba agua de los pozos y drenaba las minas inundadas; al igual que la descrita por Papin, combinaba la utilización del vapor de agua y la presión atmosférica.
Mejorada en 1705, por Thomas Newcomen, siguió siendo lenta, ardiente, costosa y poco práctica, y hasta 1769, no sufrió una notable mejora, gracias a la idea que tuvo el inglés James Watt de instalar a un lado y otro del cilindro una cámara de condensación y un compartimiento en el que se realizaba el vacío inherente a la subida del pistón. Más tarde el propio Watt iba a mejorar su propia máquina utilizando alternativamente las fuerzas antagónicas del vapor y del vacío.
Todas estas máquinas, estaban aún lejos de inaugurar la era de la energía mecánica en el mundo occidental. Incluso cuando el americano Charles Avery construyó, en 1831, las primeras turbinas de vapor con interés comercial, la energía mecánica continuaba dejando escéptica a la mayoría de la población.
Hay que señalar, curiosamente, que la máquina Avery era de alguna manera una extrapolación directa de la eolípila de Herón de Alejandría: estaba compuesta por un eje hueco que desembocaba en dos tubos fijados en ángulo recto.
Pero el vapor que se escapaba por tubos hacía girar el eje, al que se podían fijar sierras circulares. Una cincuentena de turbinas de este tipo se instalaron de hecho en serrerías (y una, de forma experimental, en una locomotora). Estos ingenios mecánicos quemaban, se desajustaban en seguida, tenían una velocidad difícil de controlar, y fueron abandonadas.
Precursores de la máquina de vapor
El desarrollo de la máquina de vapor, en el último cuarto del siglo XVII, está estrechamente ligado a los descubrimientos realizados a mediados del mismo siglo sobre el vacío y la presión atmosférica. Así, todos los intentos que apuntan a la utilización de la potencia motriz del fuego antes de 1643, fecha de la invención del barómetro, se topan con el desconocimiento total de los fenómenos físicos básicos.
Se ignora el vacío parcial creado por la condensación del vapor de agua, simplemente porque se niega la existencia misma del vacío. En cuanto a la presión atmosférica, ésta es totalmente desconocida. Poco a poco, gracias al tesón de muchos grandes inventores cada vez más se estaba consiguiendo una máquina de vapor que funcionase eficazmente. Vamos a verlo:
El experimento de Otto von Guericke
La situación cambia radicalmente en la segunda mitad del siglo XVII, con la invención del barómetro y el desarrollo de las bombas de aíre. Se aprende, entonces, que la presión atmosférica existe, pero también que ella puede ejercer una fuerza considerable.
Esto lo demuestra Otto von Guericke, en 1645, con un experimento celebre, que pone en evidencia las relaciones mecánicas fundamentales que relacionan presión atmosférica y vacío, y que introduce la idea, decisiva para el futuro de la máquina de vapor, de producir el vacío debajo de un pistón.
Guericke, hace que dieciséis hombres desplacen un pistón hacia lo alto de un cilindro, por medio de una cuerda que pasa por una polea. Después, cuando el aire residual ubicado en el espacio cilíndrico bajo el pistón es evacuado mediante una bomba de aire, el aire exterior empuja con fuerza el pistón en el cilindro y los hombres son derribados por el brusco movimiento.
Luego, se intenta construir máquinas de pólvora, que producen vacío por medio de una explosión de ésta en el cilindro; sin embargo, ninguna resulta operativa.
Los ensayos de Denis Papin
Finalmente, en 1609, el francés Denis Papin sustituye la pólvora por vapor de agua. En efecto, la brusca condensación del vapor de agua en un cilindro donde se desliza un pistón crea un vacío parcial. Como consecuencia, el pistón es empujado por la presión atmosférica, y un sistema compuesto de una cremallera y ruedas dentadas transporta este movimiento, permitiendo accionar de esta manera cualquier mecanismo.
Luego, se invierte el proceso para volver el pistón a su lugar. Desgraciadamente, no se puede recomenzar sino al cabo de unos minutos (el tiempo necesario para que el cilindro se enfríe), mientras que una máquina debe funcionar continuamente. La “máquina atmosférica de pistón flotante” de Papin, no es más que un esbozo.
Denis Papin nació en Blois, Francia, el 22 de agosto de 1647 y murió en Londres en 1712. Después de estudiar medicina en Anger, trabajó con Christiaan Huygens en Leyde. Y, luego, en 1675, en Londres con Robert Boyle y, nuevamente con Huygens en París, en 1680.
Después de su estancia en Venecia, como director de investigaciones de la Academia de Ambrose Sarotti, estuvo en la Royal Society de Londres. En 1687, fue nombrado profesor de matemáticas en Marburgo. Fue allí donde inventó su primera máquina de vapor, en 1690. En 1696, fue invitado a la corte de Landgrave de Hesse, en Cassel, donde inventó su máquina atmosférica de pistón flotante.
La máquina de Thomas Savery
Los ingleses Thomas Savery realiza las primeras máquinas atmosféricas verdaderamente efectivas. La “bomba de fuego” de Savery, introducida en 1698, es una máquina sin pistón, que funciona gracias a un juego de grifos.
Se lleva el vapor de agua desde una caldera hasta un recipiente que contiene una parte del agua para ser consumida y la irrupción del vapor expulsa el agua hacia arriba. Enseguida, un chorro de agua fría condensa este vapor y crea un vacío parcial. El agua situada más abajo, en la mina, es entonces aspirada hacia el recipiente y el ciclo puede volver a comenzar.
La originalidad de la máquina de Savery, con respecto a la de Papin, reside en la condensación acelerada del vapor debido al enfriamiento por el exterior del recipiente. Lo que permite que se forme una bomba expulsora y aspirante eficaz, aunque sujeta a numerosos accidentes ocasionados por la falta de válvulas de seguridad.
La máquina de Thomas Newcomen
Tomás Newcomen creó, en 1712, la primera máquina de vapor práctica. Una máquina adaptada al trabajo en la minería. Combinaba las cualidades de las máquinas de Papin y de Savery, al tomar de la primera el deslizamiento del pistón en un cilindro y, de la otra, la caldera y el sistema de enfriamiento.
La innovación revolucionaria introducida por el ingeniero inglés consistió en reemplazar el enfriamiento exterior del cilindro por uno interior. El éxito de este método, que aceleraba aún más la condensación, le permitió ser muy bien recibido por los propietarios de minas ingleses. Quienes lo han utilizado desde entonces para accionar sus bombas de agua
Thomas Newcomen nació en 1663, en Dartmouth, Devon, Inglaterra y murió en 1729, en Londres. Probablemente pertenecía a una familia de pequeños comerciantes. Trabajó como aprendiz en Dartmouth, hasta que en 1712, logró terminar su máquina de vapor, pero no pudo explotarla comercialmente. Hasta que logró un acuerdo financiero con Thomas Savery, titular a partir de 1698, de una patente sobre “una bomba a fuego”.
La máquina de James Watt
Pero la contribución decisiva fue la del británico James Watt quien trabajó en ella entre 1765 y 1769. En efecto, dos factores impedían el pleno rendimiento de las máquinas atmosféricas del tipo Newcomen. En primer lugar, su potencia estaba limitada por la de la presión atmosférica. Ya que la máquina dependía de las circunstancias naturales cuando lo que se buscaba en realidad era superarlas. Además, y lo que era más importante desde el punto de vista de Watt, se producía una pérdida de calor sin ningún efecto mecánico.
Evolución de la máquina de vapor
A partir de 1800, aparecen las primeras máquinas de vapor. Desarrollaban altas presiones, gracias al trabajo de Richard Trevithick y Davies Gilbert en Gran Bretaña, y de Oliver Evans en Estados Unidos. Esas máquinas ya no necesitaban condensador, ni bomba de aire y eran suficientemente livianas como para ser utilizadas en los medios de transporte. Los primeros intentos de la locomoción a vapor se iniciaron inmediatamente y Trevithick introdujo la primera locomotora de vapor en 1801.
Volvemos a encontrar nuevas máquinas de vapor más de medio siglo después (año 1881), en una versión sensiblemente mejorada, debida al sueco Cari G. P. de Laval, que alcanzó la velocidad récord de 42.000 revoluciones por minuto.
En 1897, De Laval tenía en su haber la realización de turbinas de escape divergente de potencias que iban de 3 C.V., a varios centenares de caballos de vapor. Desde 1829, la máquina de vapor creó y conquistó, a pesar de todo, las vías férreas.
Teoría de la máquina de vapor
El físico e ingeniero francés Nicolás Léonard Sadi Carnot (1796-1832), en sus reflexiones sobre la energía motriz del fuego (1824), enuncia el segundo principio de la termodinámica sobre la energía producida por el paso del calor de un cuerpo caliente a un cuerpo frío.
El primer principio, cuyo descubrimiento quedó en la etapa de manuscrito, se basa en la equivalencia entre el trabajo y la energía. Se puede observar que Sadi Carnot creía todavía que la existencia del calórico, fluido hipotético que sirve de vehículo al calor, cuya inexistencia será demostrada por James Prescott Joule entre 1837 y 1847.
Según Carnot, en las máquinas de vapor, la producción de la energía motriz se debe no a un consumo real de calórico sino a su transporte de un cuerpo caliente a uno frío. Es decir, a que se restablece un equilibrio supuestamente roto por cualquier causa, por una acción química, tal como la combustión o por cualquiera otra.
Veremos a continuación que este principio es aplicable a cualquier máquina accionada por medio de calor. De acuerdo con este principio, no será suficiente. Para dar origen a la energía motriz, producir calor; será necesario también que haya frío, ya que sin él, el calor sería inútil. En efecto, si encontráramos en torno nuestro solamente cuerpos tan calientes como nuestros hogares, ¿Cómo podríamos lograr condensar el vapor?, ¿en dónde lo pondríamos una vez que se hubiera producido?
No se puede esperar que pudiéramos lanzarlo a la atmósfera, como lo hacemos con algunas máquinas, como las de alta presión, ya que la atmósfera no lo recibiría. Y no lo recibe, en el estado actual de las cosas, sino que cuando puede cumplir el oficio de un vasto condensador, porque se encuentra a una temperatura más fría; de otro modo, se repletaría muy rápidamente o, más bien, estaría aún más saturada.
En todas partes en donde existe una diferencia de temperatura, en donde puede haber un restablecimiento de equilibrio del calórico, puede también producirse la energía motriz.
El vapor de agua es un medio para hacer efectiva esta energía, pero no es el único. Todos los cuerpos de la naturaleza pueden ser utilizados para ello. Son susceptibles de cambios de volumen, de contracciones y dilataciones sucesivas producidas por las alternancias de calor y de frío. También son capaces de vencer, al cambiar de volumen, ciertas resistencias y desarrollar así la energía motriz.
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