Un repaso de los antecedentes que dieron paso a la primera máquina de vapor

Aunque tal y como se indicó en la primera parte de este artículo, publicado en el anterior número de MetalUnivers (MU 24 - especial BIEMH), Watt no fue el inventor de la máquina de vapor, las aportaciones que generó le hacen merecedor del reconocimiento como el más importante innovador e impulsor de este tipo de energía, al dejar las bases sobre las surgirían nuevos avances tecnológicos, al comenzar un siglo, el XIX, que pudo considerarse realmente como el siglo del vapor.

Debido a las limitaciones tecnológicas, Watt prefirió mantenerse prudente en sus aplicaciones por lo que sus desarrollos se mantuvieron dentro de los límites de las máquinas de vapor atmosféricas. Sin embargo, en los siguientes cincuenta años, las líneas de investigación se dirigieron al desarrollo de las aplicaciones a alta presión, el mayor aprovechamiento de la expansión del vapor mediante el uso de varios cilindros y la generación de nuevos diseños mecánicos, como la invención de la válvula corredera. Así, de forma independiente, el norteamericano Oliver Evans (1755-1819) y el británico Richard Trevithick (1771-1833) trataron de reducir el tamaño de las grandes máquinas de vapor, usualmente integradas en edificios, para convertirlas en portátiles, de forma que incluso pudiesen impulsar un vehículo. Para ello trabajaron a mayores presiones mediante motores más compactos.

Aunque la idea de utilizar el vapor para mover a un vehículo la expresara ya Isaac Newton (1642-1727) cien años atrás, no sería hasta 1769 cuando Nicolas Joseph Cugnot (1725-1804) construyera el primer vehículo autopropulsado por encargo del ejercito francés, consistente en un tractor de artillería de tres ruedas. Por su parte, Trevithick construye el primer carruaje a vapor en 1802 y posteriormente la primera locomotora sobre carriles. El uso de los vehículos en las carreteras se vio precozmente truncado por la feroz oposición de los servicios de diligencias que, argumentando el daño causado a los caminos, consiguieron que se les impusieran impuestos excesivos. En contraposición, el auge y expansión del ferrocarril fue imparable, utilizándose la extensión del trazado de las vías para identificar el grado de desarrollo de un país.

Barcos de Vapor del Mississipi

Aunque fue el norteamericano John Fitch (1743-1798) quién botó el primer vapor funcional dotado de paletas, el mérito suele atribuirse injustamente a su compatriota Robert Fulton (1765-1815), debido al éxito comercial de sus barcos de vapor, que navegaron por el Hudson y el Sena desde 1802. Igualmente construyó un prototipo de submarino, el Nautilus, en el que se basaría Julio Verne en una de sus más célebres novelas de ciencia ficción. El Savanna fue el primer barco a vapor que cruzó el atlántico, en 1819, si bien el rendimiento mejoró al cambiar las ruedas de palas por la propulsión mediante hélices, a partir de 1830, sustituyendo rápidamente al uso de la vela y liberando a la navegación de los caprichos del viento.

Barco de Fulton

Si bien los avances de las máquinas de vapor se desarrollaron a través de la experimentación y la perspicacia de los inventores, es en esta época cuando se inician los primeros estudios teóricos del calor. La teoría básica de la máquina de vapor la establece Sadi Carnot (1796-1832), físico francés que se adelanta a su tiempo. Debido a su carácter matemático, no sería bien entendida, siendo el ingeniero francés Benoît Clapeyron (1799-1864) quien la amplió e hizo más accesible a los técnicos que empezaban a salir de las recién creadas escuelas de ingeniería. Julius Robert Mayer (1814-1878), médico alemán, introdujo la teoría de la termodinámica aplicada, siendo sus ideas desarrolladas por su compatriota Rudolf Clasius (1812-1888) y por el físico inglés James Prescott Joule (1818-1889), cerrándose el ciclo cuando el también físico británico William Thompson (1824-1907), también conocido como Lord Kelvin, retoma la obra de Carnot para formular las leyes de la termodinámica. Esta nueva base teórica permitió comprender los fundamentos de los fenómenos que se generaban en las máquinas de vapor, facilitando los desarrollos prácticos posteriores. Así, la idea del ingeniero germano Gustav Adolf Hirn (1815-1890) de emplear vapor sobrecalentado para mejorar la eficacia fue utilizada por el inglés Charles Brown (1827-1905) en la construcción de una máquina de 5 atm para la Exposición Mundial de París. También surgen innovaciones de diseño, como los engranajes de válvulas cilíndricas oscilantes del norteamericano George Henry Corliss (1817-1888), que ahorraban vapor al permitir regular la cantidad de vapor según la necesidad de cada trabajo.

Vehículo de Newton

La aparición de los motores a gas y a gasolina, durante las últimas décadas del siglo XIX, así como el creciente empleo de la energía eléctrica, abrieron un debate sobre el previsible abandono de las máquinas de vapor. Sin embargo esta fuente tomaría incluso más fuerza con la aparición de la turbina de vapor. En ella se sustituía el movimiento alternante del pistón por el giratorio de la turbina, incrementándose el rendimiento al quedar eliminados los mecanismos intermedios. Aunque los orígenes de esta idea se remontaban al aelópilo de Herón de Alejandría nunca se desarrolló para aplicaciones prácticas. La primera patente, debida al controvertido ingeniero húngaro Wolfgang von Kempelen (1734-1804), no supuso ninguna competencia para la máquina de Watt, tal y como éste mismo pudo comprobar, ya que las limitaciones tecnológicas de la época no permitían alcanzar las enormes velocidades necesarias. Estos problemas los resolvería el ingeniero sueco Carl Gustaf Patrik de Laval (1845-1913) que construiría tanto la primera turbina de vapor de reacción con aplicaciones prácticas como la primera turbina de vapor de acción.

Tren de Trevithick

El Savanna fue el primer barco a vapor que cruzó el atlántico, en 1819, si bien el rendimiento mejoró al cambiar las ruedas de palas por la propulsión mediante hélices, a partir de 1830, sustituyendo rápidamente al uso de la vela y liberando a la navegación de los caprichos del viento.

En la misma línea, el ingeniero británico Charles Algernoon Parson (1854-1953) desarrollaría el empleo de una turbina de flujo axial específica para impulsar un generador eléctrico de 10 CV y posteriormente la primera turbina de flujo radial que incrementaba sustancialmente la potencia producida hasta 100 kW. Su aplicación al campo naval supuso igualmente una importante mejora. Fue antológica la sorpresa que causó el buque Turbinia al pasar rápida y silenciosamente en la parada que la armada británica realizó durante el Jubileo de la reina Victoria, acelerando la sustitución de sus máquinas por turbinas de vapor en un plazo muy breve. Por su parte el inventor norteamericano Charles Gordon Curtis (1860-1953) patentaría una combinación de turbina de acción y reacción que, utilizada por la General Electric Company, alcanzaría los 5000 kW. Las sucesivas innovaciones en su diseño cerraron el debate sobre la posible desaparición del vapor como fuente de energía ya que a partir de 1950 la turbina de vapor se convertiría en la principal fuente de energía para generar electricidad.

El buque Turbinia

Puede concluirse, pues, que el vapor no es una energía del pasado, su uso sigue vigente en un sector tan estratégico como el de la generación de energía eléctrica. Por otra parte, la aplicación del vapor como fuente de energía no sólo ha supuesto el advenimiento de la Revolución Industrial, sino que también generó el rápido desarrollo de los transportes, tanto terrestres como marítimos, en una evolución que hizo al mundo cada vez más pequeño y accesible, en lo que podría igualmente considerarse como una revolución del transporte. Con el incremento de la producción, la mejora de la precisión y la calidad, se redujeron no sólo los costes de fabricación de un producto sino también los de su transporte, lo cual condujo a una reducción del coste total y de su precio, posibilitando un aumento de la demanda que incrementaría el nivel de vida de la sociedad.