Una máquina de vapor es una máquina térmica que realiza un trabajo mecánico utilizando vapor como fluido de trabajo . La máquina de vapor utiliza la fuerza producida por la presión del vapor para empujar un pistón hacia adelante y hacia atrás dentro de un cilindro. Esta fuerza de empuje se puede transformar, mediante una biela y un volante , en fuerza de rotación para el trabajo . El término "máquina de vapor" se aplica generalmente sólo a los motores alternativos como se acaba de describir, no a la turbina de vapor . Los motores de vapor son motores de combustión externa , [1]donde el fluido de trabajo se separa de los productos de combustión. El ciclo termodinámico ideal utilizado para analizar este proceso se llama ciclo de Rankine . En el uso general, el término máquina de vapor puede referirse a plantas de vapor completas (incluidas las calderas, etc.), como locomotoras de vapor de ferrocarril y motores portátiles , o puede referirse únicamente a la maquinaria de pistón o turbina, como en el motor de viga y el vapor estacionario. del motor .
Aunque los dispositivos impulsados por vapor se conocían desde el eolipile en el siglo I d.C., con algunos otros usos registrados en los siglos XVI y XVII, Thomas Savery es considerado el inventor del primer dispositivo impulsado por vapor de uso comercial, una bomba de vapor que Utiliza presión de vapor operando directamente sobre el agua. El primer motor comercialmente exitoso que podía transmitir potencia continua a una máquina fue desarrollado en 1712 por Thomas Newcomen . James Watt hizo una mejora crítica en 1764, al eliminar el vapor gastado a un recipiente separado para la condensación, mejorando en gran medida la cantidad de trabajo obtenido por unidad de combustible consumido. En el siglo XIX, las máquinas de vapor estacionarias alimentaban las fábricas de laRevolución industrial . Las máquinas de vapor reemplazaron las velas de los barcos en los vapores de paletas y las locomotoras de vapor operaban en los ferrocarriles.
Las máquinas de vapor de pistón alternativo fueron la fuente de energía dominante hasta principios del siglo XX, cuando los avances en el diseño de motores eléctricos y motores de combustión interna dieron como resultado la sustitución gradual de las máquinas de vapor en el uso comercial. Las turbinas de vapor reemplazaron a los motores alternativos en la generación de energía, debido a su menor costo, mayor velocidad de operación y mayor eficiencia. [2]
La primera "máquina" de vapor rudimentaria registrada fue el eolipile descrito por Hero of Alexandria , un matemático e ingeniero griego en el Egipto romano en el siglo I d.C. [3] En los siglos siguientes, los pocos "motores" de vapor conocidos fueron, como el eolipile, [4] dispositivos esencialmente experimentales utilizados por los inventores para demostrar las propiedades del vapor. Un dispositivo rudimentario de turbina de vapor fue descrito por Taqi al-Din [5] en el Egipto otomano en 1551 y por Giovanni Branca [6] en Italia en 1629. [7] El inventor españolJerónimo de Ayanz y Beaumont recibió patentes en 1606 por 50 inventos a vapor, incluida una bomba de agua para drenar minas inundadas. [8] Denis Papin , un hugonote , hizo un trabajo útil en el digestor de vapor en 1679, y usó por primera vez un pistón para levantar pesas en 1690. [9]
El primer dispositivo comercial de vapor fue una bomba de agua, desarrollada en 1698 por Thomas Savery . [10] Usó vapor de condensación para crear un vacío que elevó el agua desde abajo y luego usó la presión del vapor para elevarla más. Los motores pequeños eran efectivos, aunque los modelos más grandes eran problemáticos. Tenían una altura de elevación muy limitada y eran propensos a explosiones de calderas . El motor de Savery se utilizó en minas, estaciones de bombeo y suministro de agua a las ruedas hidráulicas que alimentan la maquinaria textil. [11] El motor de Savery era de bajo costo. Bento de Moura Portugal introdujo una mejora de la construcción de Savery "para hacerla capaz de funcionar por sí misma", como lo describeJohn Smeaton en Philosophical Transactions publicado en 1751. [12] Continuó fabricándose hasta finales del siglo XVIII. [13] Se sabía que al menos un motor aún funcionaba en 1820. [14]