La maquina termica
Durante el siglo
18 se construyo una maquina termica que se utilizo como bomba para el drenaje
de agua de las minas,esta seria el primer motor que contenia partes moviles y
su constructor fue Thomas Newcomen. La misma se basa en un piston desarrollado
por Papin(1);para
comprender el funcionamiento se puede realizar el siguiente experimento,
a una lata de
aceite vacia,se le agrega un poco de agua y se la calienta hasta la
ebullicion,se tapa bien y se la enfria con agua ,en la figura se observa a la
izquierda la lata antes de cerrarla y a la derecha la violenta deformacion que
sufre debido a que la presion atmosferica es mayor que la presion interna,al
entrar en ebullicion el vapor desaloja parte del aire y al cerrarla y enfriarla
se produce un descenso de la presion interna y de esta manera se crea un vacio
parcial.
Si tomamos un
tubo de pirex del utilizado en laboratorios de quimica,que soportan altas
temperaturas,le agregamos un poco de agua,lo cerramos bien con un tapon de goma
y lo calentamos con la llama de un mechero,veremos inmediatamente al agua
entrar en ebullicion y luego al tapon de goma salir expelido en forma violenta
por la presion interna del vapor(al realizar estos
experimentos todos las personas que lo observan deben poseer anteojos de
proteccion y tomar todas las medidas de precaucion que se utilizan en un
laboratorio de quimica),
En el siguiente
dibujo se observa en forma muy esquematica el piston de Papin,
supongamos tener
en el fondo un poco de agua y estando el piston en la parte inferior del
recipiente,comenzamos a calentar el agua en forma externa,desde abajo por medio
de fuego,al entrar en ebullicion,la presion del vapor empuja al piston hacia
arriba(suponiendo un buen cierre entre el piston y el cilindro),luego al llegar
el piston a la parte superior del cilindro,interrumpimos el calentamiento y
enfriamos al cilindro externamente mediante agua fria,el vapor interno se
condensa y esto produce un vacio parcial forzando al piston a ir para abajo
debido a la diferencia de presion(la atmosferica y la interna,que es menor ).Al
llegar el piston a la parte inferior del cilindro podriamos comenzar de nuevo
el ciclo y asi sucesivamente ,teniendo de esta manera un motor.
NOTA:realizar el piston
(1)de Papin no es muy complicado,solamente tener la precaucion de no dejar al
mismo todo el tiempo en calentamiento lo que podria producir una explosion del
cilindro y causar danos a las personas.
Aunque Papin
podria haber sido el inventor del motor,discutio con un fisico ingles,Robert
Hooke,una propuesta para obtener energia motriz por extraccion de aire de un
cilindro equipado con un piston,a su vez Hooke discutio con Newcomen la misma
propuesta,siendo este ultimo el constructor del primer motor,esta forma de
transmitir una informacion tecnologica es muy caracteristica de la mayoria de
los inventos y procesos industriales y tecnicos,ejemplos modernos los tenemos
en el invento del procesador de las computadoras,el transistor,el diodo
termoionico y otros.
Newcome analizo
los procesos involucrados en la maquina de Papin y seguramente se le
presentaron los siguientes hechos, que se describen en la figura 4
Al llegar al proceso
denominado AGUA EN EBULLICON se completa el ciclo,todos estos pasos requieren
una solucion practica que a veces no estaban al alcance de la tecnologia del
siglo 18 y menos en los conocimientos de John Calley,plomero y vidriero,que
siguiendo las directivas de Newcomen,construyo la maquina en 1712,todo el
proyecto duro 10 anos ,Newcomen actuo como lo que hoy conocemos como ingeniero
y Calley como tecnico.
Ellos debieron
trabajar con un modelo,como se muestra a continuacion,
que consistio en
una caldera hecha con una olla de una vieja cerveceria,el cilindro con el
piston,el sistema de refrigeracion,que en principio fue externa a modo de lluvia sobre el cilindro y la
carga,que es la cadena,la viga conectada a la bomba principal.Los puntos
marcados con las letras
A,B,C,D,E,F y G son valvulas con las que se realiza el siguiente proceso:abriendo
la valvula A se deja entrar vapor al cilindro mientras el piston se mueve hacia
arriba.
En aquella epoca
se debio de trabajar con un cilindro de 18 centimetros,un tamano utilizado
normalmente en la construccion de bombas y que ya era de por si dificultoso y
que para realizar el taladrado en forma verdaderamente cilindrica,se estaba mas
alla de la capacidad tecnica de un fundidor de aquellos dias,Newcomen se tuvo
que contentar con una fundicion de bronce laboriosamente pulido con arena,el
piston pudo no haber estado bien ajustado al cilindro,como supusimos antes con
la maquina de Papin,Newcome resolvio el problema de la fuga de vapor que esto
podria suponer con aletas de cuero en los bordes del piston y agregando agua a
la parte superior del cilindro para mejorar el cierre,por medio de la valvula C.
Por lo tanto al
abrir la valvula A y entrar el vapor al cilindro,el piston deberia moverse para
arriba mas por el peso que por la presion,que ya de por si era baja debido a las
limitaciones de la caldera, el vapor impide la acumulacion de aire en el
cilindro debajo del piston;el piston llega al extremo superior y a continuacion
se cierra la valvula A de vapor y se abre la B,que refrigera al cilindro;en
principio el sistema de refrigeracion era externo,pero Newcomen invento un
metodo mas eficaz ,que introducia agua internamente dentro del cilindro,para
condensar el vapor y producir un vacio parcial;el piston comienza a bajar,al
llegar al extremo inferior se cierra la refrigeracion y se abre las valvulas D
y E por donde sale el agua condensada y se bombea hacia el recipiente,a
continuacion se abre nuevamente la valvula A y se comienza con un nuevo ciclo.
El lector puede observar en el dibujo anterior, el recipiente que suministra la provision de agua a la parte superior del piston,para mejorar el cierre del mismo y el agua de refrigeracion que es ahora interna y el agua de retorno a la caldera ;hay un sistema que llena a dicho recipiente por medio una bomba movida por la viga.
La maquina
experimentada podria haber trabajado inicialmente bien y luego gradualmente
disminuiria la velocidad hasta detenerse,esto se debe al aire que se encuentra
disuelto en pequenas cantidades en el agua y que se emite junto con el vapor
que entra al cilindro y se va acumulando en forma gradual,es probable que
Newcomen encontro la solucion al problema dejando que el vapor fluya a traves
del cilindro unos pocos segundos por cada ciclo,llevandose el aire con el,para
asegurarse que el aire fuera extraido,invento una valvula situada en el
estanque o cisterna de agua del cano de salida del cilindro,observando el
burbujeo en cada ciclo uno puede estar seguro que el cilindro no contiene aire.
Los materiales
con que conto Newcomen para construir la maquina pudieron tener muchos
problemas:roturas de cadenas,canos que estallan,cueros que se rasgan y
incrustaciones que se forman en la caldera,todo lo cual llevo a que el proyecto
dure 10 anos.
Una maquina
tipica tenia un cilindro de 214 centimetros de largo y 52 centimetros de
diametro,la maquina hacia doce carreras por minuto;en funcionamiento elevaba
189 litros de agua por minuto desde una profundidad de 47.5 metros;a medida que
se armaron otras maquinas se agregron unos controles que la hacian automatica.
REFERENCIAS
PROCESOS
TERMODINAMICOS La termodinamica trata fundamentalmente de las
transformaciones del calor en trabajo mecanico y de las transformaciones
opuestas del trabajo mecanico en calor.
El ciclo de Carnot, Como,de acuerdo con lord Kelvin es
imposible transformar en trabajo el calor que se toma de una unica fuente a
temperatura uniforme mediante una transformacion que no produzca ningun otro
cambio en los sistemas que intervienen en ella,para realizarla necesitamos por
lo menos dos fuentes a dos temperatures distintas,t1 y t2. Si contamos
con dichas fuentes,podemos transformar el calor en trabajo por medio del proceso
siguiente,denominado ciclo de Carnot.
Eduardo
Ghershman,12.8.2002
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CIENCIA