Introducción:

• El principio básico de la máquina de vapor es la transformación de la energía calorífica del vapor de agua en energía mecánica, haciendo que el vapor se expanda y se enfríe en un cilindro equipado con un pistón móvil.

• . El vapor utilizado en la generación de energía o para calefacción suele producirse dentro de una caldera. La caldera más simple es un depósito cerrado que contiene agua y que se calienta con una llama hasta que el agua se convierte en vapor saturado.

¿Qué es una maquina?Una máquina es un conjunto de elementos móviles y fijos cuyo funcionamiento posibilita aprovechar, dirigir, regular o transformar energía o realizar un trabajo con un fin determinado. Se denomina maquinaria (del latín machinarĭus) al conjunto de máquinas que se aplican para un mismo fin y al mecanismo que da movimiento a un dispositivo.

¿Cómo funcionan las máquinas de vapor?

Una máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía térmica de una cantidad de agua en energía mecánica. En esencia, el ciclo de trabajo se realiza en dos etapas:

1. Se genera vapor de agua en una caldera cerrada por calentamiento, lo cual produce la expansión del volumen de un cilindro empujando un pistón. Mediante un mecanismo de biela - manivela, el movimiento lineal alternativo 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 carrera el émbolo

retorna a su posición inicial y expulsa el vapor de agua utilizando la energía cinética de un volante de inercia.

2. El vapor a presión se controla mediante una serie de válvulas de entrada y salida que regulan la renovación de la carga; es decir, los flujos del vapor hacia y desde el cilindro.

El motor o máquina de vapor se utilizó extensamente durante la Revolución Industrial, en cuyo desarrollo tuvo un papel relevante para mover máquinas y aparatos tan diversos como bombas, locomotores, motores marinos, etc. Las modernas máquinas de vapor utilizadas en la generación de energía eléctrica no son ya de émbolo o desplazamiento positivo como las descritas, sino que son turbo máquinas; es decir, son atravesadas por un flujo continuo de vapor y reciben la denominación genérica de turbinas de vapor. En la actualidad la máquina de vapor alternativa es un motor muy poco usado salvo para servicios auxiliares, ya que se ha visto desplazado especialmente por el motor eléctrico en la maquinaria industrial y por el motor de combustión interna en el transporte.

Máquina de vapor:

La máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía térmica contenida en el vapor de agua en energía mecánica.

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.

Motor de combustión interna

Es una máquina que obtiene energía mecánica de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión. 

Veamos a continuación el funcionamiento de un motor de cuatro tiempos.

1. Tiempo de admisión: el aire y el combustible mezclados entran por la válvula de admisión. 

2. Tiempo de compresión: la mezcla aire/combustible es comprimida y encendida mediante la bujía. 

3. Tiempo de combustión y expansión: el combustible se inflama y el pistón es empujado hacia abajo.

4. Tiempo de escape: los gases de escape se conducen hacia fuera a través de la válvula de escape.

Tren de vapor.

En la máquina de vapor se basa la Primera Revolución Industrial que, desde fines del siglo XVIII en Inglaterra y hasta casi mediados del siglo XIX, aceleró portentosamente el desarrollo económico de muchos de los principales países de la Europa Occidental y de los Estados. Solo en la

interface que medió entre 1890 y 1930 la máquina a vapor impulsada por hulla dejó lugar a otros motores de combustión interna: aquellos impulsados por hidrocarburos derivados del petróleo.

Muchos han sido los autores que han intentado determinar la fecha de la invención de la máquina de vapor atribuyéndola a tal o cual inventor; intento que había sido en vano, ya que la historia de su desarrollo estaba plagada de nombres propios. Desde la recopilación de Herón hasta la sofisticada máquina de James Watt, son multitud las mejoras que en Inglaterra y especialmente en el contexto de una incipiente Revolución Industrial en los siglos XVII y XVIII condujeron sin solución de continuidad desde los rudimentarios primeros aparatos sin aplicación práctica a la invención del motor universal que llegó a implantarse en todas las industrias y a utilizarse en el transporte, desplazando los tradicionales motores, como el animal

de tiro, el molino o la propia fuerza del hombre. Jerónimo de Ayanz y Beaumont, militar, pintor, cosmógrafo y músico, pero, sobre todo, inventor español registró en 1606 la primera patente de una máquina de vapor moderna, por lo que se le puede atribuir la invención de la máquina de vapor. El hecho de que el conocimiento de esta patente sea bastante reciente hace que este dato lo desconozca la gran mayoría de la gente.

Máquina de expansión

Animación del funcionamiento de la máquina de Newcomen.

Auspiciado por Joseph Black, ocupado en las investigaciones que le conducirían al descubrimiento del calor latente, James Watt se propuso mejorar la máquina de Newcomen, descubriendo en el curso de sus experimentos que el vapor era una reserva de calor mucho más vasta que el agua y comprendiendo que era necesario limitar todas las pérdidas de calor que se producían en la artesanal máquina de Newcomen para disminuir el consumo de combustible, principal inconveniente de estas máquinas. Analizando el problema identificó las pérdidas debidas al propio cilindro, a la práctica de enfriar el vapor para lograr el vacío necesario para mover la máquina y a la presión residual del vapor. En sus experimentos posteriores, verdaderos trabajos científicos, llegó a la conclusión de que el cilindro debía mantenerse a la misma temperatura.

Según sus palabras, mientras daba un paseo un espléndido sábado por la tarde y meditaba sobre la máquina, una idea le vino a la cabeza: «como el vapor es un cuerpo elástico se precipitará en el vacío, y, si se comunicara el cilindro con un depósito exhausto, se precipitaría en su interior donde podría condensarse sin enfriar el cilindro». Sin embargo, el desarrollo y perfeccionamiento del condensador separado dejó a Watt en la ruina y en 1765 se vio obligado a buscar empleo y abandonar su trabajo hasta que, en 1767, John Roebuck accedió a financiar sus experimentos y la explotación comercial de la máquina a cambio de

las dos terceras partes de los beneficios de la patente que se obtuviera. En 1768 Watt construyó un modelo que operaba de manera satisfactoria, aún imperfecta, y se presentó el año siguiente la solicitud de la patente. Tras diferentes avatares económicos, Roebuck se desprendió de su parte del negocio en favor de Matthew Boulton y juntos Boulton & Watt finalmente llevarían a la práctica la invención de Watt y otros perfeccionamientos.

La primera máquina se construyó en Kinneil, cerca de Boroughstoness en 1774. A partir de entonces la historia de la máquina de vapor será la de la firma Boulton & Watt, y casi todas las mejoras que se introduzcan en ella serán obra del propio Watt; entre otras, el paralelogramo de Watt, la expansión del vapor, lamáquina de doble efecto (en la que el vapor actúa alternativamente sobre ambas caras del pistón), etc.

Máquina de vapor de Watt, procedente de la Fábrica Nacional de Moneda y Timbre, expuesta en el vestíbulo de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Madrid.

Primeras tentativas

Locomóvil de vapor.

No se sabe a ciencia cierta si aquellas invenciones no pasaron de ser meros juguetes y, aunque se ha supuesto que fueron empleadas para mover objetos en los templos durante los rituales, no deja de sorprender el hecho de que desde los tiempos de Herón no se hayan encontrado evidencias de que el vapor se haya utilizado con un propósito práctico, aunque el conocimiento del poder del vapor no llegara a perderse como demuestra la descripción de Malmesbury del órgano

de Reims que en 1120 se hacía sonar por el aire que escapaba de un depósito en el que era comprimido por "agua calentada".

Entre las reliquias de la civilización egipcia encontramos el primer registro conocido de una máquina de vapor en el manuscrito de Herón de Alejandría titulado Spiritalia seu Pneumatica. Los aparatos allí descritos no se sabe con certeza si fueron obra del ingenio de Herón, porque él mismo dice en su obra que su intención no es otra que recopilar las máquinas que ya eran conocidas y añadir las inventadas por él. Nada en el texto indica quién pudo ser el artífice de los dispositivos descritos y se sospecha que muchos puedan ser, en realidad, obra de Ctesibio, de quien Herón fue pupilo.

La proposición 11 de Pneumatica describe un altar hueco parcialmente, lleno de agua, sobre el que se halla una figura en cuyo interior hay un tubo que termina sumergido en el agua. Al encender un fuego sobre el altar, el aire de su interior se calienta impulsando el agua por el tubo, que termina vertiéndose a través de la figura, simulando una libación que finalmente sofoca el fuego. En la proposición 37 va un poco más allá y describe un mecanismo animado por el fuego para la apertura y el cierre automáticos de las puertas de un templo. En otras proposiciones describe mecanismos similares e incluso dos motores a reacción, uno por aire caliente y otro por vapor de agua, para hacer girar las figuras de un altar.

En 1825 el superintendente del Archivo de Simancas descubrió una publicación de 1695 que relataba que en 1543 Blasco de Garay, oficial de la marina española en el reinado de Carlos I, intentó impulsar un barco con ruedas de palas movidas por una máquina de vapor. Del supuesto motor no se tienen datos, pero si fuera cierto, el intento hubiera sido la primera vez que una máquina de vapor se utilizara con un propósito práctico.

En 1601, Giovanni Battista della Porta describe un aparato para elevar el agua por medio del fuego, similar al descrito por Herón pero empleando vapor de agua para impulsar el líquido, y en 1615 Salomón de Caus describe un aparato similar para hacer funcionar una fuente. Pero la primera patente de la que se tiene constancia documental es deJerónimo de Ayanz y Beaumont, que en 1606 registra1 una máquina de vapor utilizada con éxito para el desagüe de las minas de plata de Guadalcanal.

El común denominador de todos estos intentos es un tubo sumergido hasta prácticamente el fondo del recipiente de agua por donde ésta asciende al incrementarse la presión en la superficie libre del líquido, trabajos directamente relacionados con los estudios teóricos de Galileo, Torricelli, Pascal y Von Guericke sobre la presión atmosférica que condujeron a mediados del siglo XVII al abandono de la teoría del horror vacui.

La primera máquina fue inventada por Edward Somerset, segundo marqués de Worcester, en 1663, y por su descripción es muy similar, conceptualmente, a la fuente de Caus, si bien de la máquina de Somerset se construyó un modelo en Vauxhall (cerca de Londres) en el castillo Rawlan en torno a 1665, con el propósito de elevar el agua a los pisos superiores de la construcción. Con las

especificaciones técnicas escritas y las huellas dejadas en los muros del castillo, Dircks —biógrafo de Somerset— pudo reconstruir la máquina construida en Vauxhall.

Sin embargo, Somerset no pudo atraer los capitales necesarios para producir y vender sus máquinas y murió en la pobreza. Este es, posiblemente, el hecho que hace que se haya atribuido a Thomas Savery la invención de la máquina de Somerset, sobre la que obtuvo una patente en 1698. Conociendo, según afirman varios autores, los trabajos de su predecesor y en el que influyó, sin duda, el proselitismo realizado por Savery, quien no dejó pasar ocasión para mostrar su máquina. Entre ambos hay que mencionar aSamuel Morland, maestro mecánico en la corte de Carlos II de Inglaterra, y residente en Vauxhall, que construyó y patentó máquinas diversas, entre ellas versiones mejoradas de la máquina de Somerset, sugiriendo Hutton que, en realidad, Savery pudo tener un mayor conocimiento de los trabajos de Morland que los del propio Somerset.

A pesar de todo, la máquina de Savery se introdujo en las minas inglesas de forma muy limitada por el riesgo de explosión debido a un incremento incontrolado de la presión en la máquina. Desaguliers relata que un trabajador ignorante de la naturaleza de la máquina, a la que él había añadido una válvula de seguridad inventada años antes por Denis Papin, «...colgó el peso en el extremo de la romana para obtener más vapor y trabajar más deprisa y añadió además un hierro muy pesado con consecuencias fatales, el vapor no fue capaz de levantar semejante contrapeso y acumulándose en el interior de la caldera provocó una gran explosión que acabó con la vida del pobre hombre». Probablemente sea éste el primer accidente laboral con una máquina de vapor del que se tiene constancia.

A diferencia de los dispositivos anteriores, en los que el vapor actúa sobre la propia superficie libre del agua para impulsarla, Huygens diseña en 1680 un aparato de pistón en el que el fluido es el aire caliente producido en una explosión que al enfriarse y contraerse arrastra el émbolo, elevando un peso. Años más tarde Papin (1690) sustituye el aire por vapor de agua e, incluso, en una modificación posterior (1695) diseña un horno y generador de vapor de gran eficiencia, con el que logra importantes ahorros de combustible y hasta cuatro golpes del pistón por minuto. Sin saberlo, Papin se encontraba muy cerca de desarrollar la máquina de vapor. Sin embargo, en 1705 Leibniz le hace llegar un dibujo de la máquina de Savery y, dos años más tarde, diseña un nuevo tipo de máquina para elevar el agua, modificación de la de Savery, en la que abandona el modelo deHuygens, lo que supuso un evidente retroceso.

¿Qué es la energía térmica?

La energía térmica es uno de los tantos tipos de energía que existen y es muy tenida en cuenta en el terreno de las energías renovables, siendo muy aprovechada como uno de los recursos más ricos entre los renovables. Habitualmente, la energía térmica suele definirse en referencia al calor, por lo cual también se la suele llamar energía calórica. En sí, la energía térmica es la energía que se libera en forma de calor y la que el Hombre puede utilizar, la que se aprovecha para cumplir sus necesidades al convertirla mediante una serie de múltiples procedimientos. La energía térmica se obtiene por una reacción de fisión o fusión nuclear, a través de energía eléctrica, por rozamiento (o fricción), con la combustión de diferentes combustibles o aprovechándose directamente desde la naturaleza o del Sol.Los átomos y moléculas que componen una sustancia, suelen estar en movimiento. Dicho movimiento le da a un material su temperatura y de este modo, cuanto más se mueven las moléculas que lo componen, mayor es la temperatura que ese material registra. La energía térmica es básicamente la energía que posee una sustancia como consecuencia del movimiento de los átomos y moléculas que lo componen.

Si bien está muy relacionado con el calor, es muy importante no confundir esto con el calor. El calor es la energía que se transfiere de un lugar a otro, mientras que la energía térmica o energía calórica es la que se aprovecha por parte de los seres humanos durante la cocción, la calefacción, la producción de energía y distintos sectores de la industria.

En que consiste la transformación de la energía

La transformación de la energía no es más que la conversión de una a otra forma de energía (lo que se puede comprender como la capacidad del sistema para realizar un determinado trabajo, y este último tiene relación con el movimiento de un cuerpo y la energía necesario para ello).

Algunas de las formas de energía son la energía eléctrica, nuclear, magnética, mecánica, luminosa, térmica (es decir el calor) y química, entre otras.

No es complicado en general convertir o transformar de un tipo de energía a otro, siempre considerando que según la primera ley de la termodinámica esta se conserva, es decir no se crea ni tampoco se destruye; esto es una aclaración necesaria, ya que popularmente abundan los planos para sistemas de conversión que prometen de alguna manera crear energía, ya sea mediante imanes o sistemas mecánicos complejos, lo que sería teóricamente imposible, y nunca observado hasta la fecha.

Un ejemplo sencillo lo vemos en la energía hidroeléctrica: la conversión de la energía cinética de los álabes que se mueven aprovechando el curso de un río, entregando la bobina como resultado energía eléctrica.

En otro ámbito, un panel solar es capaz de convertir la energía solar, es decir una forma de radiación, en electricidad.

Otro ejemplo lo vemos en los motores de nuestros vehículos: la energía química del combustible se convierte con la ayuda del oxígeno, mediante la combustión, en energía cinética, mediante el calor liberado en el proceso, lo que permite que un automóvil se mueva.

Asimismo hay muchos usos cotidianos de la transformación de la energía. No es

algo para nada complicado, pero si es un desafío lograr una buena eficiencia en ello, ya que podemos perder buena parte de la energía durante el proceso, lo que es especialmente válido para la energía térmica.

Y el universo mismo requiere del empleo de grandes cantidades de energía liberada durante la creación del mismo, en el Big Bang, y en eventos posteriores, la que de diferentes maneras queda atrapada o almacenada para diversos usos. Una buena forma de graficarlo, es considerando los elementos radiactivos, los que conocemos por sus efectos en bombas y generadores nucleares, pero que además cumplen funciones al interior de la Tierra, como en su núcleo, permitiendo la liberación de calor, e indirectamente han permitido y guiado la formación de accidentes geográficos como en el caso de las montañas.