¿Cómo funciona una máquina de vapor y por qué debería importarte?

Repasamos cómo funciona una máquina de vapor, un tipo de motor que pese a todo, sigue siendo relevante.

Si te digo “máquina de vapor”, probablemente pienses en aparatos y vehículos antiguos, de antes de que se popularizasen los motores de combustión, eléctricos y otras alternativas, no en algo que se use en el día a día.

Sin embargo, esa imagen que dan las máquinas de vapor no podría ser más desacertada; hoy en día, la mayor parte de la energía que consumimos provienen de máquinas que usan el vapor de alguna manera o de otra. Ya sea usando carbón, energía nuclear o energía solar, en el proceso llega un momento en el que hay que hervir agua, como hacían hace tres siglos.

Cómo funciona una máquina de vapor

Y todo eso, con un concepto tan simple como hervir agua. Sí, detrás de una máquina de vapor no hay más que una fuente de calor, que hierve agua y produce vapor que mueve un pistón. Al menos, así era una de las primeras máquinas de vapor, ideada por Thomas Newcomen en 1712.

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Si la fecha te parece temprana, es porque aunque Newcomen había conseguido mover un pistón usando vapor de agua, realmente la máquina en sí no servía para mucho porque era muy ineficiente. Para comprender porqué no es tan fácil conseguir energía del vapor (o al menos no más de la que gastamos creando vapor), es necesario analizar cómo funciona esta primeriza máquina, como apuntan en Real Engineering.

Así eran las primeras máquinas de vapor

La máquina de Newcomen es la máquina de vapor más simple que te puedes imaginar. El fuego, avivado con un combustible (carbón), calienta el agua y forma vapor, que pasa a un pistón, que gracias a este empuje, mayor que la presión atmosférica, es capaz de subir.

Sin embargo, no es esta subida la que acciona el mecanismo, ya que en realidad este esquema sólo puede tirar, no empujar. Para conseguir el movimiento es necesario meter agua fría en el cilindro para que se enfríe y la presión atmosférica lo baje y así tire de una cadena.

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Suficiente para la minería de carbón (gracias a la disponibilidad de combustible), pero para poco más. La cantidad de energía que perdemos con este método es demasiada, ya sea porque no podemos contener el calor y se escapa al ambiente, o porque no permitimos que el vapor se expanda todo lo que debería. Además, al enfriar todo el pistón, lo estamos empeorando todo (aunque esto tuvo fácil solución al añadir un condensador al esquema).

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Otro contratiempo estaba en el pistón en sí, o mejor dicho, en su método de fabricación. Recuerda que estamos en los primeros años de la Revolución Industrial, y no fue hasta que se perfeccionó el método para fundir hierro y crear cilindros, que realmente se pudieron crear pistones que soportasen mayores presiones sin filtraciones y que por lo tanto, aumentasen el rendimiento de la máquina de vapor.

Un concepto revolucionario que sólo había que pulir

El otro gran problema de la máquina de Newcomen era que sólo era capaz de tirar de una cadena en vertical, y eso no sirve para mucho. Hay que convertir este movimiento lineal en un movimiento de rotación, y para eso necesitamos un mecanismo de biela-manivela.

Eso trae sus propios problemas; al poner el mecanismo en horizontal, ya no podemos depender de la presión atmosférica para que el pistón vuelva a su posición inicial. Eso se soluciona gastando vapor en hacer que el pistón se mueva en la dirección contraria, aunque eso supone implementar válvulas de entrada y salida, que regulan la cantidad de vapor que fluye hacia dentro y hacia fuera del cilindro.

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¡Ya tenemos movimiento de rotación! Excepto que es muy irregular. Debido al movimiento del mecanismo de biela-manivela, la fuerza ejercida será diferente y ondulante, nunca constante; a esto se le llama par motor, y conseguir un par estable y lineal es absolutamente necesario para mantener el mecanismo y poder usarlo, por no decir nada de la ineficiencia energética.

La solución es una batería. Bueno, no una batería eléctrica como las que tienes en casa, sino un volante de inercia, que básicamente es una batería mecánica, que “guarda” la energía cinética que recibe y la suelta de manera lineal.

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Puede que ya no viajemos de un lugar a otro montados en enormes trenes de vapor, pero la única diferencia es que estas máquinas han cambiado de sitio y ahora nos traen la energía en cables.

La máquina de vapor dio inicio a una nueva era de ingeniería que en cierta forma aún vivimos hoy en día, y ahora sabes cómo funciona.