Para comprobar el increíble poder del vapor, no hay más que mirar en las erupciones de gases que se producen cuando la lava de los volcanes llega al mar. Nuestros antepasados pudieron comprobar esto y ver el potencial que tenía el vapor, y no tardaron mucho en desarrollar tecnología para aprovecharlo, desde una tetera básica a las modernas plantas nucleares.
Independientemente del nivel de tecnología en que se basa, la potencia de la energía de vapor se basa en un principio muy básico: Cuando el agua es calentada hasta el punto de vaporización el agua vaporizada ocupa más espacio que el agua líquida que lo ocupo. Esto es porque los sólidos, líquidos y gaseosos están unidos por diferentes fuerzas de niveles moleculares. En los sólidos, las moléculas son compactas. En los líquidos están más separadas. En los gases, como el vapor, están mucha más apartadas.
Si calientas una lata de sopa en un fuego, el líquido que contiene se vaporizará y finalmente se expandirá hasta el punto en que la lata podría explotar para poder liberar la presión en su interior. Cuando esta presión es usada para hacer una tarea en particular – como por ejemplo girar una turbina o causando una tetera empiece a pitar – la tecnología usada en el vapor está aprovechándose de la energía del vapor.
Los métodos de contener, calentar, canalizar y usar el vapor ha cambiado, pero los principios básicos siguen siendo los mismos. Aprender a controlar la potencia del vapor ha sido un largo proceso. Ya se teorizaba sobre la tecnología del vapor en la primera mitad del siglo uno. Sin embargo, tuvieron que pasar muchos años para construir el primer motor de vapor para drenar agua de minas y jardines. La era del vapor que surgió en un momento, moldeó el curso de la historia al potenciar la revolución industrial, transformando todos los sectores y tecnologías.
Los registros más tempranos sobre la tecnología aplicada al vapor, se pueden encontrar en Alejandría, en el año 75. Esto surgió a raíz de que el matemático Hero escribiera tres libros sobre mecánica y las propiedades del aire y presentó planes para un simple motor de vapor. El diseño propuesto consistía en una esfera vacía con tubos doblados emergiendo de cada lado. Este mecanismo era llenado de agua y se montaba dentro de un fuego.
Según el calor causaba el agua en el interior de la escena que se vaporizase, el vapor era obligado a salir por los tubos. La propulsión de vapor causaba que la esfera rotase – como una rueda con varios cohetes insertados. El método que tenía este matemático para transformar la energía de vapor en movimiento, fue la fundación de tecnologías de vapor que vinieron después. Sin embargo, un gran número de avances científicos fueron necesarios antes de que el concepto detrás de la turbina de vapor se le pudiera dar un uso práctico.
Años más tarde, Giovanni Battista dio al mundo algunas teorías sobre el papel del vapor al crear un vació. Teorizó que si agua convertido en vapor dentro de un contenedor cerrado resultaba en presión aumentada, el vapor condensado a agua dentro de una cámara cerrada resultaría en una presión disminuida. Este nuevo entendimiento sobre el vapor jugó un papel importante en futuros desarrollos.
Pocos años más tarde, otro científico y matemático francés llamado Papin, consiguió hacer realidad una teoría por medio de un proyecto muy simple, que fue ni más ni menos con la primera olla a presión. Lo hizo añadiendo un pistón deslizante en la parte superior de un cilindro cerrado lleno de agua. Cuando se calentaba, el vapor expandido empujaba el pistón hacia arriba. Según el vapor se enfriaba y se hacía líquido de nuevo, el vacío resultante dejaba caer el pistón de nuevo.
Ya casi en el siglo 18, Inglaterra se enfrentó a una crisis con la construcción de barcos y la necesidad de madera, hacía desaparecer bosques enteros. Los barcos eran necesarios para comerciar y para defensa, aunque el carbón era un buen sustituto para la madera. Sin embargo, producir más carbón significaba cavar minas más profundas, lo cual incrementaba la probabilidad de que se inundaran de agua. De repente se necesitaba una manera urgente de vaciar de agua las minas.
Esto dio paso a una patente de motor de vapor que sería el “amigo del minero”. El dispositivo consistía en una cámara de ebullición que orientaba el vapor a un segundo contenedor, el cual iba por un tubo con una válvula que descendía en el agua que tenía que ser movida. Se vertía agua fría sobre el contenedor mientra el vapor de agua dentro se enfriaba a un estado líquido. El resultado era que el vacío cogía agua de la parte inferior. El agua absorbida era incapaz de regresar pasando la válvula de no retorno, y era luego drenada por otro tubo.
Por desgracia, el motor de bomba no consiguió el éxito esperado en la industria de la minería. La mayoría de las ventas fueron hechas a otros sectores donde el exceso de agua era un problema, como las casas y jardines. Al tener que manejar este dispositivo de manera manual, el motor era de alguna manera por práctico. El motor también tenía la limitación de no poder retirar agua de ciertas profundidades – una mina requería que los motores fueran instalados a varios niveles.
Un años más tarde se construyó un sistema de bombeo mucho más efectivo, gracias a Tomas Newcomen. Se combinaba una separación de compartimento de ebullición, el cilindro de vapor y un pistón para dirigir el vapor. La idea que se tuvo con esto fue sustituir mucho del trabajo que hacían los caballos.
Este invento incluía una cámara llena de vapor que era enfriada con una rápida inyección de agua fría para crear un vacío inducido en la presión atmosférica. Sin embargo, esta vez la fuerza del vacío empujaba abajo un pistón y tiraba de una cadena que activaba una bomba en el otro lado de un objeto suspendido. Cuando el agua en el cilindro volvía a echar vapor, empujaba el pistón de nuevo y el peso al otro lado reiniciaba la bomba.
Watt y el primer motor de vapor
Como se ha visto, aunque el nuevo motor pensado para las minas ciertamente utilizaba tecnología de vapor, el motor de vapor normalmente se acredita a al trabajo de un hombre, y es James Watt. Formado como un creador de herramientas en Londres, encontró trabajo en Escocia, en la universidad de Glasgow. Básicamente su trabajo era reparar motores y dispositivos que tenía la universidad. Esto llevó a Watt a indagar en la tecnología aplicada al vapor.
Pronto descubrió un diseño de flujo muy básico: Tiempo, vapor y combustible se malgastaban al ocurrir el calentamiento y el enfriado dentro del cilindro del pistón.
Watt resolvió el problema creando un condensador separado. Añadió una cámara separada desde el cilindro (el cual también insufló), donde el vapor sería enfriado para crear el vacío necesario. Esta separación permitió que el cilindro de pistón permaneciera a la misma temperatura que el vapor entrante sin malgastar energía calentando el agua en el interior.
De forma adicional, el condensador separado podría mantenerse a una temperatura más bajo y a la refrigeración requerida. Algún tiempo después, Watt pudo crear un motor más eficiente con el consumo usando el condensador separado, con la ayuda de Matthew Boulton. Ambos intentaron encontrar nuevos usos para su motor, lo cual llevó a otras dos invenciones: el motor de doble acción y el controlador.
El controlador flyball creo un método automatizado de abrir y cerrar válvulas de vapor en un pistón. Básicamente conseguía un movimiento en el motor de vapor en dos sentidos, provocando un movimiento recíproco, creando un movimiento circular que podía mover una rueda. El motor de doble acción ayudó a que el motor de vapor fuera más eficiente al recolectar la potencia de vapor sobrante para empujar los pistones.
Todos estos inventos ayudaron a dar paso a la revolución industrial – empezando con la industria textil. Un ejemplo es la lana, la cual había sido siempre procesada a mano y más tarde con molinos de agua. Sin embargo, un número de inventos pronto vio a fábricas potencias por vapor.
Las máquina de Watt tuvieron un increíble éxito, pero otros inventores estaban ya en marcha para poder mejorar la tecnología. Aun así, las patentes que tenía sobre sus máquinas eran muy estrictas y tenía prácticamente el monopolio de estas invenciones. Richard Trevithick fue uno de estos inventores que pensaba que podía crear un motor mejorado aumentando la presión de vapor, y esto fue lo que hizo. Su máquina era más barata, ligera y pequeña y fue una evolución a lo que se conocía hasta el momento. Mientras tanto, otros ingenieros ya estaban experimentando con sus propias modificaciones.
Funcionamiento de la locomotora a vapor
Ahora que hemos visto como funciona la energía de vapor, es hora de ver uno de los resultados más populares y conocidos derivados de esta tecnología, y es la locomotora a vapor. Como se ha comentado en los anteriores artículos, los inventores estaban trabajando en coches potenciados por medio de vapor, lo cual ya llevaba ocurriendo cientos de años atrás. Sin embargo, la idea de más éxito en vehículos movidos por vapor posiblemente hay sido la locomotora a vapor.
El nombre que hemos mencionado antes sobre la invención de su motor de vapor, Richard Trevithick, fue parte clave en la locomotora a vapor. Es importante recordar que los raíles de trenes ya existían mucho tiempo antes en varias zonas industriales de Inglaterra. Estos raíles de hierro y madera se habían hecho para que los caballos pudieran tirar de una especia de vagonetas con carbón en su interior.
En el año 1804, Trevithick consiguió crear un motor potenciado por vapor capaz de arrastrar diez toneladas de hierro durante un recorrido de unos 12 kilómetros. Cuatro años después, el motor de vapor fue expuesto en un local céntrico de Londres. Otro ingeniero británico llamado George Stephenson siguió con el trabajo de este inventor dos décadas más tarde. Lo hizo desarrollando motores de vapor altamente eficientes para transportar carbón entre unas minas de carbón en Durham y el puerto industrial de Stockton.
También se sugirió que este sistema se podía usar también para transportar pasajeros. Unos años después esto se hizo realidad donde este mismo ingeniero llevó a más de 500 pasajeros en un viaje movido por una locomotora a vapor.
Mientras que el desarrollo de los coches a vapor permaneció como una simple curiosidad científica en los siguientes cien años, la locomotora a vapor creció en popularidad llegando a ser uno de los métodos de transporte más importantes. El motor operaba en un sistema de ruedas rotadas por un pistón movido por vapor.
Los ingenieros trabajaron continuamente para mejorar el sistema aumentando la presión del vapor, aplicando diferentes elementos y añadiendo más ruedas. Lo cierto es que el sistema de ferrocarril demostró ser una parte esencial en la revolución industrial, cambiar la manera en que la carga era transportada de un lado a otro, y acortando las distancias entre puntos remotos.
Las locomotoras a vapor funcionaron en los raíles de todo el mundo hasta que llegaron los motores diesel y la energía eléctrica ya en el siglo veinte. De todos modos, también hay que recordar que estos sistemas de vapor también cambiaron el transporte por mar, al igual que la locomotora a vapor lo hizo en tierra. Las velas y los sistemas de viento fueron reemplazados por sistemas de vapor para impulsar los barcos por el agua. De todos modos, hubo más problemas en esta versión para el mar, ya que costó mucho conseguir los caballos de fuerza suficiente para que fuera un sistema efectivo.
En el siglo 19 se creo un generador eléctrico llamado dínamo. Otros inventores pronto ser pusieron manos a la obra para perfeccionar el método donde un motor a vapor podía crear el movimiento de rotación necesario para producir electricidad. Pronto descubrieron que había un límite en el número de revoluciones por minuto que un pistón movido por vapor podía proveer. Sin embargo, la solución a este problema irónicamente se encontró en una tecnología que se había propuesto en el año 75 antes de Cristo por Hero: la turbina de vapor.
Mientras que la versión original de Hero movía el vapor desde el perímetro del objeto a ser rotado, se propuso en su versión moderna direccionar el vapor directamente en las hojas integradas al perímetro de la rueda.
Sin embargo, el acero no era en el momento lo suficientemente duro para aguantar la tensión de una rotación tan rápida. Más tarde y con la llegada de nuevas tecnologías para hacer acero, se consiguió una perfecta mejora en la turbina de vapor. En los tiempos actuales, la turbina de vapor continúa siendo un factor esencial en la energía eléctrica en todo el mundo.
Incluso las plantas nucleares usan el calor de una reacción en cadena nuclear para producir el vapor necesario. Se puede decir que un alto porcentaje de la electricidad generada en la mayoría de los países industrializados, lo consiguen con turbinas de vapor.
