Para presenciar el increíble poder del vapor no hace falta mirar más allá de la erupción de géiseres o la explosión de gases que se produce cuando la lava llega al océano. El hombre primitivo fue testigo de tales visiones y durante mucho tiempo ha tratado de controlar la potencia bruta del vapor a través de tecnologías que van desde la tetera básica hasta la locomotora de vapor. a la moderna central nuclear.
Independientemente del nivel de tecnología involucrada, la energía del vapor se reduce a un principio básico:cuando el agua se calienta hasta el punto de vaporizarse, el agua vaporizada ocupa más espacio que el agua líquida. Esto se debe a que los sólidos, los líquidos y los gases se mantienen unidos mediante diferentes niveles de fuerzas moleculares. En los sólidos, las moléculas son compactas. En los líquidos, están más separados. Y en gases como el vapor están aún más separados.
Si calientas una lata de sopa en el fuego, el contenido líquido se vaporizará y eventualmente se expandirá hasta el punto en que la lata explotará para liberar la presión del interior. Cuando esta presión se utiliza para realizar una tarea particular, como hacer girar una turbina o hacer que una tetera silbe, la tecnología del vapor está aprovechando la energía del vapor. Los métodos para calentar, contener, canalizar y utilizar vapor han cambiado, pero el principio básico sigue siendo el mismo.
Aprender a aprovechar el poder del vapor ha sido un proceso largo. El matemático griego Hero teorizó sobre el uso de la tecnología del vapor en la segunda mitad del siglo I. Sin embargo, pasarían más de 1.600 años antes de que apareciera la primera máquina de vapor práctica, lo que abrió el camino para la invención de la locomotora de vapor. Impulsadas por máquinas de vapor, estas locomotoras aprovechaban la energía del vapor para impulsar trenes a través de grandes distancias.
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Los primeros registros conocidos de la tecnología del vapor se remontan a Alejandría en el año 75 d.C. El matemático Hero, también conocido como "Heros" o "Heron", escribió tres libros sobre mecánica y las propiedades del aire y presentó planos para una máquina de vapor sencilla. P>
El diseño de Hero requería una esfera hueca con tubos doblados que emergieran de ambos lados. Luego, este mecanismo se llenó con agua y se montó sobre el fuego. A medida que el calor provocaba que el agua dentro de la esfera se vaporizara, el vapor se vio obligado a salir a través de los dos tubos. Esta propulsión impulsada por vapor hizo que la esfera girara, como una rueda girada por cohetes de botella.
El método de Hero para transformar la energía del vapor en movimiento fue la base de la tecnología del vapor posterior. Sin embargo, fueron necesarios un gran número de avances científicos antes de que los conceptos detrás de su turbina de vapor pudieran ponerse en práctica. Aunque personas como Leonardo da Vinci jugaron con la idea de la energía del vapor (el inventor sugirió en 1495 que la energía del vapor podía disparar un proyectil), los avances en ingeniería y mediciones más precisas de la temperatura y el tiempo ayudaron a allanar el camino para la próxima era del vapor.
En 1606, Giovanni Battista della Porta de Nápoles registró sus teorías sobre el papel del vapor en la creación del vacío. Teorizó que si el agua convertida en vapor dentro de un recipiente cerrado generaba un aumento de presión, el vapor condensado en agua dentro de una cámara cerrada daría como resultado una disminución de la presión. Esta nueva comprensión del vapor jugó un papel vital en desarrollos futuros.
En 1679, el científico y profesor de matemáticas francés Denis Papin logró convertir en realidad la teoría de Della Porta mediante un proyecto sorprendentemente doméstico:el "Digestor o motor para ablandar huesos". La olla sellada fue esencialmente la primera olla a presión. Papin amplió este dispositivo añadiendo un pistón deslizante en la parte superior de un cilindro cerrado lleno de agua. Cuando se calentaba, el vapor en expansión empujaba el pistón hacia arriba. A medida que el vapor se enfriaba y volvía a ser líquido, el vacío resultante empujaba el pistón hacia abajo.
A finales del siglo XVII, Inglaterra enfrentó una crisis maderera cuando la construcción naval y la leña consumieron los bosques. Los barcos eran necesarios para el comercio y la defensa, pero el carbón era un sustituto adecuado de la leña. Sin embargo, producir más carbón significaba cavar minas de carbón más profundas, lo que aumenta la probabilidad de que el agua se filtre en las minas. De repente surgió una necesidad urgente de nuevos métodos para bombear agua de las minas.
En 1698, Thomas Savery, un ingeniero militar, obtuvo una patente para una bomba de vapor y comenzó a presentar su "Amigo del minero" a cualquiera que quisiera escucharlo. El dispositivo consistía en una cámara de ebullición que conducía el vapor a un segundo recipiente, donde un tubo con una válvula de retención descendía al agua que había que extraer. Se vertió agua fría sobre el recipiente de vapor y, a medida que el vapor de agua del interior se enfriaba hasta alcanzar un estado líquido, el vacío resultante aspiraba agua desde abajo. El agua aspirada no pudo regresar a través de la válvula de retención y luego fue drenada a través de otra tubería.
Desafortunadamente para Savery, la bomba de vapor no había tenido tanto éxito como esperaba en la industria minera. La mayoría de sus ventas se realizaron a propiedades privadas que querían drenar el exceso de agua y reutilizarla para las necesidades del hogar y el jardín. Debido a que la calefacción y refrigeración de la cámara de vapor debían gestionarse manualmente, el motor resultaba poco práctico. Además, el motor solo podía extraer agua desde una profundidad limitada:una mina profunda requería una serie de motores instalados en varios niveles.
Sin embargo, en 1712, el herrero Thomas Newcomen y su asistente John Calley, soplador de vidrio y plomero, crearon un sistema de bomba de vapor más eficaz. El motor Newcomen combinó la separación de la caldera y el cilindro de vapor de Savery con el pistón impulsado por vapor de Papin.
Mientras Savery buscaba reemplazar las bombas convencionales impulsadas por caballos con su motor, Newcomen buscaba utilizar una bomba impulsada por vapor para realizar el trabajo de los caballos. El motor de Newcomen era similar al de Savery. Incluía una cámara llena de vapor que se enfriaba mediante una rápida inyección de agua fría para crear un cambio en la presión atmosférica que induce el vacío.
Esta vez, sin embargo, la fuerza del vacío empujó un pistón hacia abajo y tiró de una cadena que activó una bomba en el otro extremo de una viga suspendida. Cuando el agua en el cilindro del pistón volvió a convertirse en vapor, empujó el pistón hacia arriba y un peso en el otro lado de la viga reinició la bomba.
Si bien la máquina Newcomen y el "Miner's Friend" de Savery ciertamente emplearon tecnología de vapor, la máquina de vapor generalmente se atribuye al trabajo de un solo hombre:James Watt.
Watt se formó como fabricante de instrumentos en Londres y finalmente encontró empleo cerca de la Universidad de Glasgow en Escocia. Cuando uno de los motores Newcomen de la Universidad necesitó reparaciones, Watt se encontró sumergido hasta los codos en el funcionamiento interno de la tecnología de vapor. Watt pronto reconoció un defecto básico de diseño:se desperdiciaba tiempo, vapor y combustible al hacer que tanto el calentamiento como el enfriamiento se llevaran a cabo dentro del cilindro del pistón.
Watt resolvió el problema creando un condensador separado. Añadió una cámara separada del cilindro (que también aisló), donde se enfriaría el vapor para crear el vacío necesario. Esta separación permitió que el cilindro del pistón permaneciera a la misma temperatura que el vapor entrante sin desperdiciar energía calentándolo a él y al agua del interior. Además, el condensador separado se podía mantener a una temperatura mucho más baja y requería menos enfriamiento.
Después de asociarse con Matthew Boulton, Watt produjo un motor más rápido y de menor consumo de combustible utilizando un condensador separado. El intento de la pareja de encontrar nuevos usos para su exitoso motor condujo a dos inventos más cruciales:el motor de doble acción y el regulador de bola volante.
El gobernador de bola creó un método automatizado para abrir y cerrar válvulas de vapor a un pistón. Los engranajes solar y planetario estaban fijados a un eje impulsado por ruedas. A medida que la energía del vapor hacía girar la varilla, las dos bolas giraban hacia afuera del eje. Cuando alcanzaron su punto más alto, hicieron que se cerrara la válvula de vapor. A medida que su giro disminuyó, regresaron hacia la varilla y provocaron que la válvula se abriera nuevamente. Esto transformó el movimiento de ida y vuelta de la máquina de vapor (movimiento alternativo) en el movimiento circular necesario para operar una rueda.
El motor de doble efecto ayudó a que la máquina de vapor fuera más eficiente al aprovechar la potencia del vapor que antes estaba inactivo para empujar los pistones hacia abajo.
La máquina de vapor de James Watt y otras innovaciones sentaron las bases para la Revolución Industrial, que comenzó con la industria textil a finales del siglo XVIII. Durante mucho tiempo la gente procesó la lana a mano y más tarde con la ayuda de molinos de agua. Pero pronto surgieron una serie de nuevos inventos y las fábricas funcionaban con vapor.
El motor de Boulton y Watt tuvo un éxito increíble, pero otros inventores todavía estaban decididos a mejorar la tecnología. Sin embargo, Boulton y Watt tenían el monopolio del negocio de las máquinas de vapor, ya que su máquina estaba protegida por estrictas patentes.
Las regalías por patentes cuestan mucho dinero a las empresas mineras. El inventor Richard Trevithick se dio cuenta de la difícil situación de las minas en su Cornualles natal y se propuso crear un motor que evitara las tecnologías patentadas de Boulton y Watt. Trevithick creía que podía crear un motor que eliminara el condensador separado de Watt mediante el uso de vapor a alta presión.
Si bien se había teorizado sobre el uso de vapor a alta presión, no se había ejecutado con éxito. Las calderas del siglo XVIII eran incapaces de soportar altas presiones durante largos periodos de tiempo. Pero a principios del siglo XIX (irónicamente, justo cuando las patentes de Watt estaban expirando) Trevithick descubrió que las calderas modernas ahora podían soportar presiones más altas. Al mismo tiempo, el inventor estadounidense Oliver Evans experimentó logros similares.
El nuevo motor Cornish de Trevithick era más barato, más ligero y más pequeño que el motor Boulton y Watt. Arthur Woolf mejoró aún más el uso de vapor a alta presión en 1804. El ingeniero cervecero de Londres se dio cuenta de la idea de la combinación, un método en el que el exceso de vapor de un pistón dispara un segundo pistón y luego un tercero. Este método produce una menor pérdida de calor.
Los inventores estaban trabajando en diseños de automóviles propulsados por vapor incluso cuando se perfeccionaron las primeras bombas de vapor a finales del siglo XVII. Si bien algunos creen que Ferdinand Verbiest creó un automóvil de vapor funcional en 1672, más evidencia sugiere que el inventor francés Nicolas-Joseph Cugnot fabricó el primer vehículo propulsado por vapor en 1769. Pero aunque la investigación y el desarrollo de automóviles propulsados por vapor continuaron durante algún tiempo, la idea Su mayor éxito fue la locomotora de vapor sobre raíles.
El hombre detrás de Cornish Engine, Richard Trevithick, también fue una persona clave en el desarrollo de la locomotora de vapor. Es importante señalar que ya existían vías de tren en la década de 1770 en varias zonas industriales de Inglaterra. Se habían construido rieles de madera reforzados con hierro, llamados tranvías, para que los caballos tiraran de los carros de carbón. En 1804, Trevithick presentó una máquina de vapor capaz de transportar 10 toneladas de hierro durante 10 millas. En 1808, la máquina de vapor portátil de Trevithick se exhibió en una vía circular en el centro de Londres.
Otro ingeniero británico, George Stephenson, continuó dos décadas más tarde donde lo dejó Trevithick. El trabajo de Stephenson en el desarrollo de máquinas de vapor cada vez más eficientes para transportar carbón llevó a la decisión de crear un enlace ferroviario entre Durham Coalfields y un puerto marítimo en Stockton. Stephenson sugirió que el plan también permitiera que los motores transportaran pasajeros. En 1825, Stephenson dirigió el Locomotion No. 1 en su primer viaje, transportando carga y aproximadamente 600 pasajeros.
Robert Stephenson también jugó un papel fundamental en esta época. Ayudó a construir la locomotora Rocket, que ganó las pruebas Rainhill en 1829, demostrando la viabilidad de las locomotoras de vapor para el transporte público.
El Tom Thumb es otra de las primeras locomotoras notables. En Estados Unidos, este tren, construido por Peter Cooper en 1830, se convirtió en la primera locomotora de vapor exitosa. El Tom Thumb, llamado así por su tamaño compacto, presentaba una pequeña caldera vertical y un motor monocilíndrico e hizo su debut en el ferrocarril de Baltimore y Ohio.
Poco después, Baldwin Locomotive Works, fundada por Matthias Baldwin en Filadelfia, surgió como una fuerza dominante en la fabricación de locomotoras estadounidenses. Baldwin Locomotive se convirtió en sinónimo del desarrollo ferroviario de los Estados Unidos y jugó un papel crucial en la expansión de las redes ferroviarias en todo el país.
Las locomotoras de vapor crean vapor en la caldera mediante la combustión de combustible, normalmente carbón o madera. Las primeras locomotoras utilizaban una caldera pirotubular, que presentaba una red de tubos que transportaban gases calientes para calentar el agua. El engranaje de válvulas controla la admisión y liberación de vapor en los cilindros.
Cuando este vapor a alta presión se dirige hacia los cilindros, empuja los pistones para crear movimiento mecánico. A medida que el vapor se expande y realiza su trabajo, pierde presión y energía. La presión de la caldera afecta directamente al rendimiento y eficiencia de la locomotora de vapor.
Una vez que el vapor ha realizado su trabajo en los cilindros, se expulsa o se libera de los cilindros a la chimenea o chimenea de la locomotora como vapor de escape. El vapor de escape se lleva la energía y el calor residual de la máquina de vapor y lo libera a la atmósfera.
La expulsión del vapor de escape ayuda a mantener el equilibrio de presión dentro de los cilindros de las locomotoras y permite el ciclo continuo de generación, expansión y escape de vapor.
Las locomotoras de vapor jugaron un papel crucial durante la Segunda Guerra Mundial. Se utilizaban para transportar tropas y equipo militar a diversos lugares, así como para las principales líneas de suministro al hacer llegar alimentos, municiones, combustible y materias primas a los soldados. Fueron un salvavidas durante la guerra, pero también retrasaron la conversión de locomotoras de vapor a diésel.
Si bien el desarrollo de los vagones de vapor siguió siendo una mera curiosidad científica durante los siguientes 100 años, la locomotora de vapor despegó. El motor funcionaba sobre un sistema de ruedas que giraban mediante un pistón impulsado por vapor. Los ingenieros trabajaron continuamente para mejorar el sistema aumentando la presión del vapor, aplicando compuestos y agregando ruedas adicionales.
El ferrocarril resultó ser una parte vital de la Revolución Industrial, ya que cambió la forma en que se transportaba la carga por tierra y unió a poblaciones distantes. El vapor impulsó los ferrocarriles hasta que los motores diésel y la energía eléctrica pasaron a primer plano en el siglo XX.
Dadas las altas presiones y temperaturas de las máquinas de vapor, no sorprende que los accidentes explosivos hayan salpicado el desarrollo de esta tecnología. Por esta razón, las calderas, desde simples ollas a presión hasta centrales eléctricas, están equipadas con algún tipo de válvula de seguridad.
Cuando la presión dentro de la caldera aumenta demasiado, el exceso de vapor se libera a través de la válvula para evitar una explosión. Estos dispositivos suelen funcionar con un peso o un resorte y requieren un nivel establecido de presión para abrir la válvula. Sin embargo, todavía ocurren accidentes.
Las explosiones debidas a la desactivación intencionada o accidental de válvulas de seguridad eran bastante comunes en el siglo XIX. La mala prensa derivada de tales incidentes resultó ser un obstáculo para los pioneros e inventores del vapor de la época.
Uno de los accidentes relacionados con el vapor más notables del siglo XX ocurrió en la estación generadora nuclear de Three Mile Island. El accidente comenzó cuando las bombas que alimentaban agua fría a los generadores de vapor dejaron de funcionar, lo que provocó un aumento de la presión del vapor. Esto activó la válvula de liberación de la planta, pero cuando la válvula no pudo cerrarse, el núcleo del reactor se sobrecalentó.
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