La Máquina de Vapor y la Transformación de la Energía
¿Qué es una máquina?
Una máquina está conformada por un conjunto de elementos, que pueden ser móviles o fijos. Estos elementos permiten dirigir, regular, o transformar la energía para llevar a cabo un trabajo.
La humanidad utiliza muchas máquinas donde la energía resultante es mecánica, con la que le permite llevar a cabo distintos trabajos.
Observa el siguiente diagrama:
Este es el principio que usan los trenes a vapor. Se quema carbón en una caldera para elevar la temperatura de un volumen de agua, hasta que esta se convierte en vapor. El vapor se manda a un pistón, que es una pieza movible. Cuando el vapor se acumula, empuja el pistón y luego es enfriado para que el pistón regrese a su posición inicial. Finalmente, estos movimientos son transmitidos a las ruedas del tren para que avance.
Qué transformaciones de energía se pueden identificar?
En un principio, se utilizó el carbón para calentar el agua, entonces se transformó la energía química del carbón en calor. Luego el calor hizo que el vapor moviera el pistón y las ruedas, entonces se transformó la energía térmica a energía mecánica.
A las máquinas que transforman la energía térmica en trabajo mecánico, se les conoce con el nombre de máquinas térmicas.
Existen tres tipos de máquinas térmicas:
- Las máquinas de vapor
- Los motores de combustión interna
- Los motores de reacción.
Entonces el tren es una máquina de vapor, porque utiliza el vapor de agua para moverse.
El automóvil usa un motor de combustión interna. Y los cohetes espaciales tienen motores de reacción. Estos últimos utilizan el principio de acción y reacción.
La primera en inventarse fue la máquina de vapor. Si bien no fue hasta el siglo XIX que se logró establecer el hecho de que el calor es una forma de energía, gracias a los experimentos de Joule; en la antigüedad se sabía que el calor podía utilizarse para producir vapor, el cual es capaz de efectuar trabajo mecánico.
Se cree que Arquímedes de Siracusa construyó un cañón de vapor, conocido como el Architronito, que empujaba las balas usando la presión del vapor.
El cañón fue utilizado para proteger su ciudad del bloqueo militar de los romanos.
Se han encontrado manuscritos donde se observa que Leonardo da Vinci estudiaba las propiedades de esta máquina de vapor inventada por Arquímedes.
Así es, se pueden encontrar algunos ejemplos muy antiguos de las máquinas de vapor. En el siglo I de nuestra era, el inventor griego Herón de Alejandría construyó un dispositivo llamado Eolípila.
Es una esfera hueca conectada a una caldera. El vapor que se producía salía por unos tubos que estaban en la esfera y hacían que esta girara.
Fue hasta 1687 que Denis Papin, un físico francés, publicó un tratado en el que describía una máquina que funcionaba gracias a un pistón afectado por vapor. Su máquina utilizaba el movimiento del pistón para levantar una pesa.
A partir de aquí los avances se dieron cada vez en menor tiempo.
En 1698 en Inglaterra, Thomas Savery diseñó una máquina de vapor para elevar el agua de unas minas. Su bomba de agua trabajaba con altas presiones y con frecuencia provocaba accidentes.
Por último, alrededor de 1770 James Watt presentó un modelo de máquina de vapor que mejoraba la de Thomas Newcomen.
Es importante comprender que las máquinas de vapor no son necesariamente un invento que se construyó hace algunos siglos, las máquinas de vapor se han utilizado cuando menos por dos mil años.
La Revolución Industrial del siglo XVIII no hubiese sido posible sin el poder de las máquinas de vapor, que, con su motor de combustión externa, se convirtieron en las primeras de uso generalizado.
La máquina de James Watt fue una pieza clave en el desarrollo de la industria, a partir de su invención, su uso se extendió a los transportes en los trenes y los barcos de vapor, además se aplicaron a la industria textil y la siderurgia.
Las locomotoras pequeñas tenían tanques con capacidad para 11 mil litros. Pero los grandes trenes podían necesitar de calderas de 91 mil litros de agua.
Los trenes llevaban un vagón llamado ténder, donde almacenaban carbón y agua para el trayecto. En el ténder se llevaba usualmente una proporción de 14 toneladas de carbón por 38 mil litros de agua. Y en cada parada que realizaba el tren se tenía que volver a llenar de agua la caldera.
En cuanto a los barcos, el combustible que necesitaban, por ejemplo, el Barco Britannia que se puso en funcionamiento en 1840, que tenía un volumen desplazado de aproximadamente mil toneladas, consumía 40 toneladas de carbón por día.
Por otro lado, años más tarde en 1911, el trasatlántico RMS Olympic, con un volumen desplazado de 52 067 toneladas, utilizaba 620 toneladas de carbón por día.
Se necesitaba mucho carbón para mover esas máquinas tan impresionantes.
Todas son grandes proezas de la ingeniería y ayudan a hacer nuestras tareas diarias más simples y fáciles. Las máquinas también han transformado nuestro entorno.