Página 1 de 5BREVE HISTORIA DE LAS MÁQUINAS TÉRMICAS LAS MÁQUINAS DE VAPOR Herón de Alejandría realiza, en el año 75, una turbina de reacción elemental. Consiste en una esfera metálica, sostenida a ambos costados (para permitir su giro), y dos aberturas (una arriba, otra abajo) para permitir la salida del vapor. Al estar parcialmente llena de agua, y al aplicársele calor, sale el vapor por las aberturas y comienza a girar. Este invento fue considerado como una simple curiosidad y se lo dejó de lado, mostrando la mentalidad poco práctica de los antiguos griegos. En 1629, Giovanni Branca inventa una turbina de acción. Un recipiente, con un orificio, arroja vapor de alta velocidad sobre una turbina de madera, la cual gira por efecto del vapor. En 1690, Denis Papin realiza una primitiva máquina de vapor. Consistía en un émbolo, de trayectoria vertical, ubicado dentro de un cilindro parcialmente lleno de agua en su parte inferior y con una fuente de calor exterior ubicada bajo el cilindro. Al evaporarse el agua, la presión del vapor levantaba al émbolo, produciendo trabajo mecánico. Utilizando varias máquinas de este tipo, logra impulsar un barco. Se embarca en 1707 a lo largo del río Fulda, en Alemania, pero su barco es destruido por quienes quedarían sin trabajo en caso de prosperar esta innovación tecnológica. Papin, que había invertido toda su fortuna en la empresa, se refugió desconsolado en Inglaterra, no llegó a recuperarse jamás del golpe, y terminó sus días pobre y amargado. Thomas Savery, un ingeniero militar, inventa en 1698 “el amigo del minero”. Es una máquina de vapor que no utiliza émbolo y que se empleaba para desagotar las inundadas minas de carbón inglesas; de ahí su nombre. Consiste en un tanque vertical A con tres orificios; el superior (controlado por la válvula D), el inferior (controlado por la válvula E) y un orificio lateral, ubicado en la parte baja del tanque (controlado por la válvula F) al cual le sigue un tubo de descarga. La secuencia de funcionamiento puede describirse así: I) II) III) IV) Se abre el orificio superior (válvula D abierta) permitiendo que el tanque A se llene de vapor (E y F permanecen cerradas). Se cierra D (no entra más vapor), se refrigera el tanque A (el vapor se condensa y se contrae). Se abre E permitiendo que el agua (a desagotar) penetre en el tanque A (por la presión atmosférica) en donde existe un vacío parcial. Se cierra E (no sube más agua). Se abre D y F, para que el vapor que entra por D presione al agua para que salga por F al exterior. Se vuelve al paso I. En 1705, Thomas Newcomen construía una bomba similar a la de Papin. Esta vez, además del émbolo B y del cilindro A, ubica tres orificios en la parte baja del cilindro. En la parte inferior está uno (controlado por la válvula E). En la parte lateral izquierda está la entrada de agua (controlada por D) y en la parte lateral derecha la entrada de vapor (controlada por F). La secuencia de funcionamiento puede describirse así: I) II) III) Se abre F para que el vapor llene el cilindro A. Se levanta el émbolo B ayudado por un contrapeso. Se cierra F (no entra más vapor), se abre D (para que entre agua) condensándose el vapor y produciendo un vacío parcial. Se abre E (para que salga el vapor y el agua), mientras que el émbolo B desciende impulsado por la presión atmosférica. Se vuelve al paso I La máquina de Newcomen consume mucho carbón por cuanto el cilindro se tiene que enfriar y Página 2 de 5 calentar sucesivamente. En 1775 aparece la máquina de James Watt, que presenta mejoras notables respecto de las anteriores. Esta vez está constituida por un cilindro (en el cual está el émbolo) estando unido por la parte superior e inferior a un tubo adicional. Ambos están controlados, en la parte superior, por la válvula F (que permite, o no, la entrada de vapor a ambos). En el extremo inferior, la salida de vapor (de ambos) está controlada por la válvula E, mientras que la válvula D controla la apertura o el cierre del tubo adicional. La secuencia de funcionamiento puede describirse así: I) II) III) Se abre F para que el vapor empuje hacia abajo al émbolo, de ahí que E debe también estar abierto. La válvula D queda cerrada para que la presión quede aplicada al extremo superior del émbolo. Una vez que el émbolo está abajo, se cierran F y E, mientras que D se abre. Al abrirse D, permite que la presión superior e inferior del émbolo sea idéntica. Un contrapeso permite el ascenso del émbolo. Se vuelve al paso I La máquina de Watt consume mucho menos combustible que las anteriores y esta vez no emplea la presión atmosférica, sino solamente la presión del vapor. Las máquinas de Watt desplazan a las de Newcomen en las minas inglesas. Además, comienzan a utilizarse en la industria dando lugar a la “revolución industrial”. OTTO VON GUERICKE Entre los precursores de las máquinas de vapor está Otto von Guericke, quien hizo una célebre experiencia en la cual varios caballos tiran de ambos lados de dos semiesferas metálicas en cuyo interior se ha hecho el vacío. La presión atmosférica impide que varios caballos puedan separarlas. Walther Kiaulehn escribió: “Otto von Guericke meditó sobre el problema de si Dios podría existir en un espacio vacío de aire. Para averiguarlo creo un espacio vacío de aire. Con la ayuda de este vacío logró primeramente hallar algunas verdades acerca de la naturaleza de la atmósfera en que vivimos. Pero con la ayuda del vacío se inventó también la máquina de vapor, y con este invento comenzó una nueva época” (De “Los ángeles de hierro” – Ed. Labor SA). BENJAMIN THOMPSON En 1798, Benjamín Thompson, conde de Rumford, establece la naturaleza cinética del calor. Antes de él, se suponía que el calor era una sustancia, que se denominaba “calórico”. Benjamín Thompson escribió: “Estando encargado, últimamente, de dirigir la perforación de los cañones en los talleres del arsenal militar de Munich, me quedé sorprendido ante el enorme grado de calor que adquiere dicha arma de bronce en corto tiempo, al ser horadada, y con el calor aún más intenso (mucho mayor que el del agua hirviendo, como comprobé experimentalmente) de las virutas metálicas separadas por el barreno”. “Apenas resulta necesario agregar que todo aquello que un cuerpo o sistema de cuerpos aislados pueda continuar suministrando sin limitación, no puede, de manera alguna, ser una sustancia material, y me parece extremadamente difícil, si no imposible, imaginar algo capaz de producirse y comunicarse, como el calor en esos experimentos, a no ser el movimiento”.(Citado en “Máquinas térmicas” de John F. Sandfort – EUDEBA). ROBERT FULTON Entre las principales aplicaciones de la máquina de vapor, está la navegación. John Sandfort escribió: “El primer navío de vapor de éxito comercial fue el Clermont, construido por Robert Fulton, que comenzó a funcionar en el río Hudson en agosto de 1807. Fulton no hizo ninguna Página 3 de 5 contribución al desarrollo de la máquina de vapor: la máquina utilizada era un modelo standard comprada a Boulton y Watt. Su hazaña consistió en ser el primero en lograr la combinación económica de un casco con una planta motriz”. “En 1819, el buque de vapor Sanannah, también americano, hizo su primer viaje transatlántico con la ayuda de unas velas como fuente auxiliar de energía”. CUGNOT Y STEPHENSON El primer automóvil fue realizado por el ingeniero militar francés Nicholas Cugnot, en 1769. Utilizaba una máquina de vapor de baja potencia. Era un vehículo torpe y lento, que terminó chocando contra un muro en su viaje inicial. Una de las primeras máquinas de vapor utilizada para la locomoción sobre rieles, fue la utilizada en 1804 en una mina de carbón galesa. Su máquina arrastraba cinco vagones a una velocidad de 8 kilómetros por hora. John Sandfort escribió: “El hombre a quien se le atribuye haber sido el inventor y fundador de los ferrocarriles es George Stephenson (1781-1848), nacido en Newcastle, hijo de un bombero de una mina de carbón. A los diecisiete años llegó a estar a cargo de la máquina de bombear de la mina. Stephenson tenía un ingenio mecánico poco común, y era completamente autodidacta. Desplegó gran habilidad en la reparación de máquinas de Watt y fue nombrado constructor de máquinas en 1812. Con estos antecedentes estaba bien calificado para dedicar su interés a la “máquina viajera”. No hizo contribuciones fundamentales al desarrollo de la máquina de vapor, pero –como Fulton con el buque- fue el primero en coordinar en un modelo económicamente productivo un coche de ferrocarril y una planta energética”. SADI CARNOT La máquina de vapor se desarrolla principalmente en Inglaterra. A principios del siglo XIX poco se sabía de los fundamentos teóricos de su funcionamiento. Los primeros trabajos, en ese aspecto, surgen inesperadamente en Francia. El joven Sadi Carnot escribe en 1824 un artículo que pasa inadvertido durante varios años. Carnot muere a los treinta y seis años víctima del cólera, que llega a París en 1832. John Sandfort escribió: “Carnot dedujo primero que si uno se proponía estudiar el efecto mecánico o el trabajo que podía ser producido por el calor, debía permitírsele al fluido tanto la recepción como la emisión de calor, durante una serie de procesos que culminaran en un ciclo de trabajo. Hizo notar que en un ciclo el fluido debe siempre volver exactamente a su condición o estado inicial y razonó correctamente que, por lo tanto, cualquier trabajo realizado o calor emitido durante un ciclo debe provenir de la cantidad de calor originariamente suministrado y serán independientes del fluido particular que se utilice. Esto debe ser cierto, ya que el fluido, al volver periódicamente a su estado original, debe periódicamente eliminar cualquier efecto que pueda haber tenido al absorber calor o producir trabajo en el ciclo. Examinó entonces la máquina de vapor y observó que operaba de acuerdo con el siguiente ciclo: el calor era transferido al agua de la caldera mientras el agua se evaporaba, el vapor se expandía realizando el trabajo; a continuación, el vapor se condensaba cuando se le extraía calor en el condensador y, finalmente, bombeando bajo presión se volvía el agua nuevamente a la caldera, retornando así exactamente, al estado inicial. Y ahora, preguntó, ¿cuál era el resultado neto de este ciclo de operaciones?. Se absorbió del horno un poco de calor a alta temperatura, la máquina produjo algún efecto mecánico en forma de trabajo; un poco de calor se extrajo del condensador a baja temperatura y una pequeña cantidad de trabajo fue usada por la bomba para bombear el agua nuevamente a la caldera. Puesto que la pequeña cantidad de trabajo necesaria para impulsar la bomba podía provenir del trabajo realizado por la máquina, el efecto neto era el siguiente: el trabajo se producía enteramente «dejando caer» calor desde una fuente a alta temperatura hasta un depósito a baja temperatura”. Página 4 de 5 CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA Se dice que el principio de la conservación de la energía, que es uno de los principios más generales de la física, fue establecido por “dos médicos y un cervecero”. Uno de los médicos fue Julius Robert Mayer, quien lo enuncia por primera vez en 1842. Sus observaciones están asociadas al color de la sangre y al contenido de oxígeno de la misma. Su trabajo de investigación es rechazado por los científicos alemanes de su época, por lo que el malestar asociado hace que por un tiempo deba estar en un hospital psiquiátrico. Los trabajos de James Prescott Joule (el cervecero) le dan una base experimental al principio (1843), ya que encuentra el equivalente mecánico del calor y realiza mediciones precisas del calor generado por una corriente eléctrica. Hermann von Helmholtz (el otro médico) le enuncia en forma precisa y definitiva en 1847. Helmholtz dictaba en forma simultánea las cátedras de fisiología, física y matemática. Para satisfacer a su padre, quien quería que estudiara medicina, se recibe de médico pero también se dedica a la física. El principio mencionado puede sintetizarse de la siguiente forma: En un sistema cerrado, la energía se conserva (luego de cualquier transformación física). WILLIAM THOMSON En 1848, el físico escocés William Thomson (luego Lord Kelvin, nombre de un río que pasa cerca de la Universidad de Glasgow) introduce la escala absoluta de temperatura. La primera necesidad de tal escala radica en que, en varias de las ecuaciones básicas, aparece la temperatura en el denominador, y si la temperatura es de cero grados, en la escala centígrada, por ejemplo, aparecen infinitos que hacen inutilizables a esas ecuaciones básicas. TERMODINÁMICA El físico Rudolf Clausius, en 1859, introduce una nueva magnitud física: la entropía (calor/temperatura) para medir la capacidad de un sistema para producir trabajo útil. (Si un sistema está en equilibrio térmico, posee energía, pero no puede utilizarse). Aparece el segundo principio de la termodinámica, o principio de Carnot-Clausius. Posteriormente se descubre el tercer principio, debido a Walther Nernst (1906) y está asociado a la imposibilidad de llegar al cero absoluto, que corresponde a una energía cinética nula, de las moléculas. Los principios pueden sintetizarse de la siguiente forma: 1) Principio de Mayer-Joule-Helmholtz: En un sistema cerrado la energía se conserva 2) Principio de Carnot-Clausius: La entropía de un sistema cerrado (o aislado) crece o se mantiene constante. 3) Principio de Nernst: Es imposible lograr el cero absoluto de temperatura. Nernst comentaba que no habría un cuarto principio, ya que el primero fue realizado por tres científicos, el segundo por dos y el tercero por uno. Luego se agregó, para “contradecir su ley del descubrimiento”, el “principio cero”: Si dos objetos están individualmente en equilibrio térmico con un tercero, entonces están en equilibrio térmico entre sí. MECÁNICA ESTADÍSTICA Desde un punto de vista teórico, aparece una reformulación de la termodinámica a partir del movimiento molecular suponiendo que tales partículas son regidas por las leyes de la mecánica newtoniana. Nace así la “mecánica estadística”. James Clerk Maxwell establece en 1859 la distribución de velocidades, mientras que Lugwig Boltzmann, en 1872, da una interpretación probabilista a la entropía. Página 5 de 5 MOTORES A EXPLOSIÓN En 1680, el holandés Christian Huygens intenta realizar un motor a explosión utilizando pólvora. En vez de ser movido el émbolo por el vapor, habría de serlo por la expansión del aire, previa una explosión. La idea es retomada por J.J.E. Lenoir quien realiza en 1860 un motor de explosión a gas. Este motor consumía una cantidad excesiva de combustible. Nikolaus Otto logra perfeccionar el motor a explosión. Mientras que las primitivas máquinas de gas utilizaban un ciclo similar al de las máquinas de vapor, Otto realiza el motor de cuatro tiempos: 1) Succión del combustible dentro del cilindro, durante el primer descenso del pistón 2) Compresión de la mezcla durante el ascenso siguiente 3) Ignición de la carga comprimida en el punto muerto y expulsión subsiguiente de los gases producidos por la explosión durante el siguiente descenso o “golpe efectivo”. 4) Expulsión de los gases en combustión o expansión durante el siguiente ascenso El austriaco Siegfried Marcus inventa en 1873 el motor de cuatro tiempos, pero al no tener éxito experimental, abandona sus intentos por lograrlo. Un motor eficaz aparece en 1876 debido a los trabajos de Otto. La utilización del motor a explosión en los automóviles se debe, entre otros, a Carl Benz. Un perfeccionamiento posterior es logrado por Rudolf Diesel. Leonard M. Fanning escribió: “Varios inventores habían trabajado en la máquina de combustión interna, desde un experimento con pólvora, hasta un eficaz motor de explosión de gasolina encendida por electricidad. Diesel se apartó radicalmente de la tendencia aceptada. Su proyectado motor seguía siendo del tipo de combustión interna, ya que el calor del combustible natural se transformaba en movimiento dentro del cilindro. Pero prescindía del combustible explosivo y del carburador. En lugar de ello, la compresión del aire inyectado elevaba su temperatura a un grado tal que el combustible se inflamaba tan pronto como entraba en el cilindro; algo semejante a la grasa que se enciende al caer en la sartén. Con la inflamación por medio del calor un aceite pesado, de costo inferior al de la gasolina, podía ser usado como combustible” (De “Padres de la Industria”).
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