La máquina de vapor

Desde muy antiguo, existía un interés importante por elevar agua desde distintos niveles y a la vez descubrir la posibilidad de achicar este mismo agua de las minas para mejorar el trabajo. En este contexto, surgirá el mejor invento del siglo XVIII: la máquina de vapor.

Antecedentes

En 1644 Torricelli enunció que la presión de la atmósfera era igual a la ejercida por una columna de mercurio de unos 760 milímetros de altura aproximadamente.

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 más inmediatamente relacionado con la historia de la máquina de vapor 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. En ello se basan las máquinas de vapor llamadas atmosféricas.

Máquinas atmosféricas 

Las primeras máquinas de vapor fueron llamadas con bastante frecuencia máquinas atmosféricas, puesto que era la presión de la atmósfera la que proporcionaba la fuente motriz. Después de varios intentos con distintos sistemas para conseguir el vacío necesario, el primero en utilizar el vapor de agua para este fin fue Denis Papín (1647-1714). En 1687 publica la Descripción y empleo de la nueva máquina para elevar el agua, obra en la que describe el funcionamiento básico de su máquina neumática, consistente en un cilindro vertical en el que se mueve un pistón como consecuencia del  vapor del agua calentada en el fondo del cilindro. El vapor hace ascender el pistón, el cual era sostenido en el punto más alto de su recorrido. A continuación se enfriaba el cilindro con lo que el vapor condensaba, soltándose a continuación el pistón que es empujado hacía el fondo por la presión atmosférica.

La máquina de Papin no tenía demasiada importancia práctica, pero estableció el principio vitalmente importante de que se podía utilizar el vapor para mover un émbolo hacia arriba y hacia abajo en el interior de un cilindro.

En 1698, el mecánico inglés Thomas Savery (1650-1715) construye una máquina para bombear el agua de las minas de Cornualles, siendo esta la primera vez que se emplea la presión del vapor como fuerza motriz para un uso industrial. La máquina de Savery fue perfeccionada por Thomas Newcomen (1663-1729) con su máquina atmosférica, que en 1712 estaba ya en funcionamiento, y que durante casi un siglo se empleó para achicar agua de las minas.

La máquina de Watt

El rendimiento de la máquina de Newcomen era poco satisfactorio, más que nada porque el vapor se enfriaba en el propio cilindro. De ello se dio cuenta un mecánico escocés llamado James Watt (1736-1819), quien al reparar una máquina de Newcomen introduce en ella importantes modificaciones. Hace que el vapor se condense en un recipiente especial, el condensador, que conecta con un tubo al cilindro al que, además, cierra por sus dos extremos. De esta forma se podía mantener siempre caliente el cilindro, ahorrándose una importante cantidad de combustible. Además introduciría otros adelantos en su máquina , como un mecanismo para regular la distribución del vapor,máquina de doble efecto, y una varilla que une el émbolo con un balancín articulado, la biela, por lo cual el movimiento rectilíneo se hace circular.

Las mejoras que realizó en la máquina de Newcomen dieron lugar a la conocida como máquina de vapor de agua, que resultaría fundamental en el desarrollo de la primera Revolución Industrial, tanto en Inglaterra como en el resto del mundo.

Biografía de Watt

Fue un ingeniero escocés. Nacido en Greenock junto a la ciudad de Glasgow. Su padre fue inventor naval, y contratista, mientras que su madre, Agnes Muirhead, provenía de una familia distinguida y poseía una buena educación, ambos practicaban el presbiterianismo y eran miembros activos del movimiento Covenanter. Su abuelo, Thomas Watt, fue profesor de matemáticas y magistrado de la baronía de Cartsburn.

Su delicado estado de salud durante su infancia provocó que no asistiera al colegio con regularidad, siendo educado fundamentalmente por su madre, asistiendo posteriormente a la escuela de Gramática de Greenock. Demostró gran habilidad manual y aptitudes para las matemáticas, mientras que no le interesaron el latín y el griego.

James Watt vivió y trabajó en Glasgow y Birmingham. Fue un miembro clave de la Sociedad Lunar. Muchos de sus escritos se conservan en la biblioteca Birmingham. Falleció el 25 de agosto de 1819 en Heathfield, en su casa situada en Handsworth,              Inglaterra, a la edad de 83 años.

- Sus logros como ingeniero

Watt inventó el movimiento paralelo para convertir el movimiento circular a un movimiento casi rectilíneo, del cual estaba muy orgulloso, y el medidor de presión para medir la presión del vapor en el cilindro a lo largo de todo el ciclo de trabajo de la máquina, mostrando así su eficiencia y ayudándolo a perfeccionarla.

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La máquina de vapor.

Se cree que la primera máquina de vapor como tal, fue desarrollada en 1633. Esta creación pertenece a Eduard Somerset. La idea para desarrollarla, era el llevar agua desde el primer piso, hasta el segundo en un castillo en Londres. Pero su invento pasó al olvido, ya que de manera posterior, no pudo continuar con su desarrollo debido a la falta de fondos. Para 1705, se desarrolló la llamada por su inventor, máquina de vapor atmosférica. Esta fue desarrollada por el ingeniero Thomas Newcomen. La gracia de su máquina, era aprovechar de manera económica, el vapor desarrollado por la combustión de fósiles naturales. Podemos ver su funcionamiento en la imagen animada de abajo.

   Pero quien inventó la máquina de vapor que realmente revolucionó al mundo, fue el mecánico escocés James Watt. Quien mejoró notablemente, la máquina creada por Newcomen; en este diseño anterior, el agua se enfriaba en el mismo cilindro, por lo que su forma, no era del todo lo que se esperaba. El fue el que se considera el inventor de la primera máquina de vapor aunque realmente fue una máquina basada en la de Newcomen.

 La primera máquina de vapor que inventó Watt, vio la luz en 1774. Gracias a la ayuda económica de Matthew Boulton. Ambos crearon una firma, para explotar la patente de la máquina de vapor recién creada. Como hemos podido apreciar, podemos señalar a James Watt como quien inventó la máquina de vapor que todos conocemos, sin desconocer todos los diseños y esfuerzos del pasado.


   James Watt Nacido en Greenock, Escocia el 19 de enero de 1736, su padre era armador de origen escocés y le enseñó en la fabricación y uso de las herramientas y útiles náuticos. Desde joven se interesa por las Matemáticas y los aparatos de medición, conocimientos que incrementa tras viajara a Londres y contactar con Morgan de Cornhill. Tras volver a su lugar de origen, participa en varios trabajos para el Colegio de Glasgow, lo que le vale ser nombrado maestro dedicado a la fabricación de instrumentos matemáticos en su Universidad. Watt estudió los usos y aprovechamientos que pudieran ser derivados del vapor, hasta ese momento poco aprovechados. Así, inventó un prototipo que lograba reducir en gran medida el aporte de combustible, aplicando la presión del vapor para mover el pistón de un cilindro. El especial significado que tiene este desarrollo, es que nunca el hombre había contado con una máquina que le suministrara energía en forma confiable, sin recurrir a su propia fuerza ni a la de los animales. Hacia 1800 la máquina estacionaría a vapor ya era un producto comercial, y la firma Watt & Boulton tenía, por patentes y por su habilidad comercial, casi el monopolio en toda Europa.

  Es así, como la máquina de vapor de Watt, hace que el vapor se condense en un recipiente especial, el condensador. Este condensador era conectado a un tubo externo con forma cilíndrica, al cual se le tapaba ambos extremos. Usando este mecanismo, la máquina de Watt, lograba que el cilindro siempre se mantuviera caliente, con lo cual, el ahorro de la energía proporcionada por la leña o el carbón, era muy superior a lo logrado por la máquina de Newcomen. Con ello, se evitaba la pérdida de calor, lo cual hacía que la performance de la máquina de Newcomen, no fuera la deseada. Más bien, la presentaba como una máquina rudimentaria y artesanal.

 Máquina de vapor de James Watt, video.

James Wattt y la máquina de vapor.

Biografía de James Watt y la máquina de vapor.

Nacido en Greenock junto a la ciudad de Glasgow. Su padre fue inventor naval, y contratista, mientras que su madre, Agnes Muirhead, provenía de una familia distinguida y poseía una buena educación, ambos practicaban el presbiterianismo y eran miembros activos del movimiento Covenanter. Su abuelo, Thomas Watt, fue profesor de matemáticas y magistrado de la baronía de Cartsburn.

Su delicado estado de salud durante su infancia provocó que no asistiera al colegio con regularidad, siendo educado fundamentalmente por su madre, asistiendo posteriormente a la escuela de Gramática de Greenock. Demostró gran habilidad manual y aptitudes para las matemáticas, mientras que no le interesaron el latín y el griego.
James Watt vivió y trabajó en Glasgow y Birmingham. Fue un miembro clave de la Sociedad Lunar. Muchos de sus escritos se conservan en la biblioteca Birmingham. Falleció el 25 de agosto de 1819 en Heathfield, en su casa situada en Handsworth, Inglaterra, a la edad de 83 años.
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, locomotoras, 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 turbomáquinas; 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.

James Watt y la "máquina de vapor".

James Watt.
Biografía.

Nacido en Greenock, Escocia, fue discípulo de Joseph Black en la Universidad de Glasgow; construyó y patentó en 1769, a partir de una máquina atmosférica deThomas Newcomen (1633-1729) y Savery de 1712, el primer motor a vapor con cámara de condensación externa de uso practico, iniciando su fabricación en 1772 en una sociedad con John Roebuck y luego en 1774 con Matthew Boulton, y siempre con cilindros verticales y movimiento alternativo para bombear agua. El primer uso fue desagotar minas inundadas, con lo que aumentó y se abarató la producción de carbón, mejorando la calidad de vida de toda la población, y luego para riego.

En 1781 desarrolló su segunda versión, de doble efecto; agregándose la corredera de apertura y cierre de válvulas en 1782, y la mejora del mecanismo biela-manivela para convertir movimiento rectilíneo alternativo en rotatorio en 1783, con lo que la máquina adquirió niveles de practicidad y confiabilidad que la hicieron servir de base motriz para máquinas textiles (Richard Arkwright) y otros dispositivos mas avanzados. La de Newcomen no había tenido difusión por tener muy bajo rendimiento.

El especial significado que tiene este desarrollo, es que nunca el hombre había contado con una máquina que le suministrara energía en forma confiable, sin recurrir a su propia fuerza ni a la de los animales. Hacia 1800 la máquina estacionaría a vapor ya era un producto comercial, y la firma Watt & Boulton tenía, por patentes y por su habilidad comercial, casi el monopolio en toda Europa.

El precio era fijado según la cantidad de caballos que podía reemplazar, de donde salió luego el término horsepower. El constante perfeccionamiento de estos motores, dio lugar a que en 1807 Robert Fulton y en 1814 George Stephenson presentaran los primeros barcos y locomotoras, iniciando la era de las máquinas a vapor móviles en barcos y ferrocarriles, dando lugar a los mayores emprendimientos comerciales del siglo XIX.

En 1882 se designa con el nombre de Watt a la unidad de potencia, equivalente a un Joule/seg o a una corriente de un Ampere pasando por una resistencia de un Ohm.  El kwatt = 1000 watt, también equivale a 102 kgm/seg = 1,36 CV = 1,34 HP

Finalmente, George Stephenson hizo practicable la locomoción a vapor por su Roeket, que alcanzó la excepcional velocidad de 31 millas por hora en la línea de Manchester a Liverpool (1830).

La máquina de vapor.

A menudo se desconoce que la tecnología del vapor tiene uno de sus inicios en España, en una fecha muy anterior al desarrollo de las máquinas inglesas. Ayanz En 1606 Jerónimo de Ayanz patenta y posiblemente ensaya sus máquinas en Valladolid, máquinas que además tienen ya una finalidad industrial.

El inventor español se adelanta así a Savery y a Newcomen, con su máquina para el desagüe de las minas. La máquina funciona de tal manera que el agua que se quiere elevar desde el interior de la mina es conducida a un depósito, que a su vez está conectado mediante una tubería a una caldera que produce vapor. Cuando se enciende la caldera y empieza a generar vapor, éste obliga al agua del depósito a elevarse, a través de otra tubería que comunica con el exterior, y que puede ser tan alta como lo permita la presión de la caldera. Con la instalación de un segundo depósito se consigue que la máquina bombee agua continuamente, ya que cuando el vapor está acabando de desalojar el agua de un de empezarse de nuevo el proceso. Nuestro autor había previsto utilizar sus ingenios para elevar el agua de los pozos en las casas y para obtener chorros decorativos en las fuentes de los jardines. Sus máquinas posiblemente se utilizaron en las minas de Guadalcanal, pero tras su muerte ninguno de sus herederos se interesó en explotar sus invenciones y los tempranos descubrimientos de Ayanz se perdieron en la apática sociedad del XVII español.

Savery y Newcomen: Habrá que esperar hasta 1698 para encontrar algo parecido a la patente de Ayanz de 1606. En este año, Thomas Savery, inventor inglés con espíritu industrial, patenta una máquina para sacar agua de las minas. Su invento fue conocida como «el amigo del minero» y se comercializó con bastante rapidez, a pesar de la relativa frecuencia con que reventaban las calderas y las tuberías. Su diseño era muy parecido al prototipo de Ayanz con sus dos depósitos, incorporando además un recipiente con agua fría, que servía para refrigerar el depósito, una vez vaciado por la acción del vapor, facilitando así la condensación del vapor y creando el vacío necesario para que el depósito volviera a llenarse con agua de la mina.

Thomas Newcomen se interesó por la mecanización de las bombas de extracción de las minas y, a pesar de ser contemporáneo de Savery, su trabajo se basó en un principio completamente diferente: no se trataba de utilizar la fuerza expansiva del vapor como elemento de empuje para desalojar el agua de las minas, sino de crear un vacío conseguido mediante la condensación del vapor. El vapor en este caso sólo es un agente intermediario, y la fuente de energía es la presión del aire.

Por este motivo la máquina de Newcomen se denomina «máquina de vapor atmosférica». El dispositivo de Newcomen constaba de un cilindro con un pistón conectado con una caldera en su parte inferior. El vapor obtenido por la caldera entraba en el cilindro haciendo subir el pistón. Una vez lleno el cilindro de vapor, se cerraba el grifo del vapor y se refrigeraba el cilindro con el agua fría de un depósito adyacente, haciendo que el vapor se condensase y creando el vacío en el cilindro, con lo cual el pistón bajaba bruscamente a causa de la presión atmosférica. El pistón con su movimiento ascendente y descendente permitía así el bombeo del agua.

James Watt El siguiente paso lo daría James Watt, estudiando un modelo de ma4uina de Newcomen. Observó que el vapor perdía calor al hacer que el cilindro se enfriara con agua y para evitarlo propuso condensar el vapor en un cilindro separado (un condensador), que colocaría junto al cilindro impulsor. Watt construyó un modelo de su máquina, que funcione perfectamente, y en 1769 obtuvo su patente. Entró en contacto con el industrialMatthew Boulton, que pensó en la aplicación que podría tener la nueva máquina en la industria; en 1775 ambos formaban una compañía, cuya factoría fue la primera en fabricar motores a escala industrial.

James Watt

Nació el 19 de enero de 1736, en Greenock, Escocia. De niño trabajó en el taller de construcción de su padre.
Desde los 19 años trabajó como constructor de instrumentos matemáticos. Muy interesado en las máquinas de vapor, inventadas por Thomas Savery y Thomas Newcomen, determinó las propiedades del vapor, en especial la relación de su densidad con la temperatura y la presión.

Diseñó una cámara de condensación independiente  para la máquina de vapor que evitaba las enormes pérdidas de vapor en el cilindro e intensificaba las condiciones de vacío. Su primera patente en 1769, cubría este dispositivo y otras mejoras de la máquina de Newcomen, como la camisa de vapor, el engrase de aceite y el aislamiento del cilindro con el fin de mantener las altas temperaturas necesarias para una máxima eficacia. 

Fue socio del inventor británico John Roebuck, que financió sus investigaciones. En 1775 comenzaron a fabricar máquinas de vapor y continuó con las investigaciones que le permitieron patentar otros importantes inventos, como el motor rotativo para impulsar varios tipos de maquinaria; el motor de doble efecto, en el que el vapor puede distribuirse a uno y otro lado del cilindro, y el indicador de vapor que registra la presión de vapor del motor. 

Se retiró de la empresa en 1800 para dedicarse por completo al trabajo de investigación. La falsa idea de considerar a Watt como el verdadero inventor de la máquina de vapor se debe al gran número de aportaciones que hizo para su desarrollo. El regulador centrífugo o de bolas que inventó en 1788, La unidad eléctrica vatio (watt) recibió el nombre en su honor.

 En 1767 inventó un accesorio para adaptarlo a los telescopios que se utilizaba en la medición de distancias. En 1785, Watt fue nombrado miembro de la Royal Society de Londres, y en 1814 de la Academia francesa de Ciencias. En 1806, la Universidad de Glasgow le nombró doctor honoris causa. 

James Watt falleció el 19 de agosto de 1819 en Heathfield, Inglaterra.