Màquina de vapor

Màquina de vapor de Newcomen

Una màquina de vapor és una màquina tèrmica de funcionament alternatiu que utilitza el vapor d'aigua com a fluid de treball i que transforma una part de l'energia interna del vapor en energia mecànica; és a dir, un motor de combustió externa que transforma l'energia d'una certa quantitat de vapor d'aigua en treball mecànic. Les màquines de vapor solen ser motors de combustió externa.

El desenvolupament de la màquina de vapor fou impulsat per la seva aplicació en els camps fonamentals de la industrialització: els transports (ferrocarrils, vaixells) i l'energia de tracció de les indústries. Les primeres màquines de vapor descrites —Giovanni Battista della Porta (1601), Edward Sommerset (1663)— no aconseguiren aplicacions pràctiques. El 1705, Thomas Newcomen, seguint el projecte de Denis Papin, construí una màquina de vapor. Cap a mitjan del segle XVIII, James Watt, intentant de resoldre el problema de la pèrdua d'energia presentà un model ja amb força millores. Durant el segle XIX l'evolució de la màquina aconseguiria un augment de la potència i un estalvi de combustible.

Etapes de treball d'una màquina de vapor

Animació d'una màquina de vapor

• Etapa I. En una caldera es genera vapor mitjançant la crema d'algun combustible (antigament fusta o carbó, actualment petroli i gas natural). El vapor és introduït al cilindre arrossegant l'èmbol o pistó.

• Etapa II. Portant a terme un rave de biela-manovella, aquest es pot convertir en un moviment de rotació, per exemple, del rotor d'un generador elèctric.

• Etapa III. Un cop finalitzades les dues etapes, l'èmbol (o pistó) retorna a la seva posició inicial, expulsant el vapor d'aigua. El cicle es controla mitjançant una sèrie de vàlvules d'entrada i de sortida, que regulen la renovació de la càrrega, és a dir, els fluxos del vapor cap al cilindre i des del cilindre.

Història

No es pot concretar una data exacta per a la creació de la màquina de vapor, igual que tampoc es pot associar amb un sol creador, ja que l'evolució històrica de la màquina de vapor és molt llarga, i no s'ha creat un prototip de cop, si no que s'ha anat creant lentament i la seva creació ha passat per mans de molts inventors, que poc a poc l'han anat millorant, i l'han anat adaptant a les circumstàncies socials, econòmiques i polítiques de cada període històric. Es pot posar la Revolució industrial, segles XVII i XVIII com a un clar exemple de període històric on l'evolució de la màquina de vapor va ser més accelerat. Aquest invent es va començar a utilitzar en la industria, i el transport, substituint al seu pas els tradicionals motors de l'època: l'animal d'arrossegament, el molí o la pròpia força de l'home.

Rastres històrics

L'eolipil d'Heró d'Alexandria

Entre les relíquies de la civilització grega, trobem el primer rastre conegut de la màquina de vapor en el manuscrit d'Heró d'Alexandria titulat Spiritalia seu Pseuneumàtica. En els segles següents, els pocs exemples coneguts sobre aquest tipus de màquines són essencialment dispositius experimentals utilitzats pels inventors per demostrar les propietats de la vapor, com la turbina de vapor rudimentària, un dispositiu descrit per Taqi al-Din

Més tard, el 1825, es descobrí una publicació anterior de 1695 que relatava que un segle i mig abans, el 1543, Blasco de Garay, oficial de la marina espanyola sota el comandament de Carles V, intentà impulsar un vaixell amb rodes de pales mogudes per una màquina de vapor. Si això fos cert, seria la primera evidència clara d'haver portat a la pràctica un prototipus de màquina de vapor.

El 1601, Giovanni Battista della Porta descriu un aparell per elevar l'aigua per mitjà del foc similar al descrit per Heró però emprant vapor per impulsar el líquid. El 1615 Salomó de Caus descriu un aparell molt semblant per fer funcionar una font. Però la primera patent de la qual es té constància documental és la de Jerónimo de Ayanz i Beaumont, que el 1606 registra una màquina de vapor utilitzada amb èxit per al desguàs de les mines de plata de Guadalcanal.

El 1690 Denis Papin proposà l'obtenció de treball a partir del buit produït per la condensació del vapor a l'interior d'un cilindre proveït d'un èmbol; però fou Thomas Savery qui construí, el 1698, la primera màquina de vapor, aplicada al bombament d'aigua de les mines. La màquina de Savery constava d'una caldera i de dos grans dipòsits ovalats, a cadascun dels quals hom introduïa, alternativament, vapor d'aigua i de refredament; el buit produït per la condensació del vapor aspirava l'aigua de la mina; la posterior introducció de vapor expulsava l'aigua del dipòsit i permetia de repetir un altre cop el cicle. L'ús d'aquesta màquina, molt estès en el proveïment d'aigua per als pobles i en la tracció de rodes hidràuliques, restà limitat a les mines per l'altura del bombament, que depenia de la pressió del vapor.

La primera màquina fou inventada per Eduard Somerset el 1663, i per la seva descripció, fóra molt similar a la font de Caus. Malgrat això, Somerset no disposava del capital suficient per produir i vendre la seva màquina, i morí en la pobresa. La màquina de Somerset va ser patentada per Thomas Savery el 1698.

A principis del segle XVII tots els elements necessaris de la màquina de vapor ja havien sigut inventats i portats a la pràctica amb força èxit. Ara només faltava l'enginyer que combinés els coneixements pràctics i teòrics disponibles per crear una màquina que fos capàs d'aprofitar el poder del vapor de forma econòmica i aquest fora Thomas Newcomen, qui, amb al seu ajudant John Calley inventà una nova màquina el 1705 que va denominar màquina de vapor atmosfèrica.

Thomas Newcomen, seguint el projecte de D. Papin, construí una màquina de vapor en la qual l'arbre solidari amb l'èmbol accionava una bomba d'aigua per mitjà d'un balancí amb un contrapès; en entrar el vapor dins el cilindre, l'èmbol pujava, per efecte del contrapès, i el buit produït posteriorment per la condensació del vapor feia baixar l'èmbol i aixecava altre cop el contrapès; la nova entrada de vapor expulsava l'aigua de condensació i feia pujar novament l'èmbol. Aquesta màquina, que començà a introduir-se a les mines cap al 1711, hi tingué una gran aplicació durant tot el s XVIII, per tal com l'altura del bombament no era limitada per la pressió del vapor.

James Watt es proposà millorar la màquina de Newcomen, descobrint al llarg dels seus experiments, que el vapor era una reserva de calor molt més elevada que l'aigua i va comprendre que era necessari limitar totes les despeses en forma de calor que es produïen en la màquina de Newcomen, per disminuir el consum de combustible, que era un dels principals problemes d'aquestes màquines. Dels seus experiments en va treure una sèrie de conclusions, que el van portar a realitzar una patent el 1769.

Al principi els drets de patent eren de James Watt, i de John Roebuck, la persona que finançava els seus experiments. Però després de moltes dificultats econòmiques, Roebuck decidí transmetre els seus drets de patent a Matthew Boulton, que més tard construiria la firma "Boulton & Watt", que portà a la pràctica aquesta i altres invencions de Watt. La primera màquina amb condensador es construí el 1774 a Kinneil, prop de Boroughstoness. Aquesta dada és presa per molts historiadors com l'any de la invenció de la màquina de vapor.

Imatges

• 
  Càrrega del carbó, al mNATEC
• 
  Caldera, al mNATEC
• 
  Carbonera, al mNATEC
• 
  Hulla, al mNATEC
• 
  Maqueta de la fàbrica tèxtil, al mNATEC
• 
  Edifici de la màquina de vapor, al mNATEC
• 
  Màquina de vapor, al mNATEC
• 
  Vagoneta de carbó, al mNATEC
• 
  Xemeneia, al mNATEC

Bibliografia

• Màquina de vapor (castellà)

Enllaços externs

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Màquina de vapor

Vegeu també

• James Watt