¿Qué ventajas ha aportado a la vida de las personas la invención y el uso generalizado de la máquina de vapor?
[James Watt]
James Watt
Thomas Sevilla en 1698, Thomas Newcomen en 1712 y 1769 James Watt construyó las primeras máquinas de vapor industriales, y todos fabricaron sus propias contribuciones al desarrollo de las máquinas de vapor. En 2008+0807, Robert Fulton fue el primero en utilizar con éxito una máquina de vapor para impulsar un barco. Watt no fue el inventor de la máquina de vapor, pero sí el inventor de la máquina de vapor. Las máquinas de vapor, concretamente las máquinas de vapor Newcomen, existen desde hace mucho tiempo, pero consumen mucho carbón y tienen baja eficiencia. Watt utilizó la teoría científica para descubrir gradualmente los defectos de la máquina de vapor. De 1765 a 1790 realizó una serie de inventos, como el condensador separado, la capa aislante exterior del cilindro, el pistón lubricado con aceite, el engranaje planetario, el mecanismo de articulación de movimiento paralelo, el regulador de velocidad centrífugo, etc.
Desde finales de 2016 hasta finales de 2017, la industria minera británica, especialmente las minas de carbón, se había desarrollado a una escala considerable. Era difícil cumplir con los requisitos de drenaje de aguas subterráneas dependiendo de mano de obra y animales. Sólo había energía, y en el lugar había carbón abundante y barato como combustible. Las necesidades prácticas impulsaron a muchas personas en el Reino Unido, incluidos Papin, Savery y Newcomen, a dedicarse a la exploración y el experimento de "sacar agua con fuego".
Las máquinas de vapor de vacío originales se utilizaban para bombear agua de las minas. La máquina de vapor de Newcomen introdujo vapor en un cilindro, luego cerró una válvula y vertió agua fría en el cilindro. Cuando el vapor se condensa, se crea un vacío. La presión del aire en el otro lado del pistón empuja el pistón. Se colocó una varilla profundamente en el pozo de la mina para accionar la bomba de agua. El movimiento del pistón de la máquina de vapor se transmite a través de esta varilla al pistón de la bomba, que extrae agua del pozo.
La primera gran mejora es separar el cilindro de vapor y el cilindro de condensación a través de una válvula. Watt inventó esta mejora en Birmingham. Esta mejora aumentó la eficiencia de la máquina de vapor. La siguiente mejora fue operar automáticamente las válvulas.
Estas primeras máquinas de vapor de vacío tenían una eficiencia limitada, pero eran más seguras porque tenían una presión relativamente baja y la máquina se encogía hacia adentro en caso de daño material. En lugar de explotar hacia afuera, su eficiencia está limitada por la presión del aire externo, la deformación del cilindro, la eficiencia de ebullición de la combustión y la capacidad de condensación. La eficiencia máxima teórica está limitada por la temperatura de ebullición relativamente baja del agua a presión atmosférica ordinaria. El uso de vapor a alta temperatura y alta presión mejora enormemente la eficiencia de las máquinas de vapor. Sin embargo, este tipo de máquina de vapor es mucho más peligrosa que una máquina de vapor de vacío. Las explosiones de calderas y maquinaria provocaron muchos accidentes importantes. La válvula de seguridad ha supuesto una gran mejora. Cuando la presión es demasiado alta, la válvula de seguridad se desinfla y reduce la presión. Pero la única manera de estar realmente seguro es confiar en ello.
Savery construyó la primera bomba de agua a vapor práctica del mundo y recibió una patente británica llamada "Miner's Friend" en 1698. Primero llenó un recipiente con forma de huevo con vapor, luego cerró la válvula de entrada de vapor y roció agua fría fuera del recipiente para condensar el vapor dentro del recipiente y formar un vacío. Cuando se abre la válvula de entrada de agua, el agua del fondo de la mina es succionada hacia el contenedor a través de la tubería de entrada de agua por presión atmosférica. Cierre la válvula de entrada de agua, vuelva a abrir la válvula de entrada de vapor y use la presión del vapor para sacar el agua del recipiente a través de la válvula de drenaje. Cuando el agua del recipiente se drene y se llene de vapor, cierre la válvula de entrada de vapor y la válvula de drenaje y rocíe agua nuevamente para condensar el vapor. En este ciclo, los dos recipientes con forma de huevo funcionan alternativamente y drenan agua continuamente.
La bomba de agua de Savery se basa en la succión al vacío para bombear agua, y la profundidad del bombeo de agua no puede exceder los seis metros. Para bombear agua desde una mina que se encuentra a decenas de metros de profundidad, es necesario instalar una bomba de agua en lo profundo de la mina y utilizar alta presión de vapor para bombear el agua a la superficie. Esto era sin duda difícil y peligroso en ese momento.
Newcomen y su asistente Calley inventaron la máquina de vapor atmosférica en 1705, llamada máquina de vapor atmosférica de Newcomen. Esta máquina de vapor se hizo popular primero en Gran Bretaña y más tarde en el continente europeo, y sus modificaciones se siguieron fabricando hasta principios del siglo XIX. La eficiencia térmica de la máquina de vapor atmosférica de Newcomen era muy baja, principalmente porque después de que el vapor entraba en el cilindro, se condensaba en la pared del cilindro que acababa de ser enfriada con agua, perdiendo mucho calor.
[Locomotora con motor de vapor]
Locomotora con motor de vapor
En 1764, el reparador de instrumentos británico James Watt se dio cuenta de esto mientras reparaba el modelo de máquina de vapor Newcomen para la Universidad de Glasgow En 1765 inventó una máquina de vapor con un condensador separado de la pared del cilindro y obtuvo una patente británica en 1769. La máquina de vapor Watt original todavía usaba una barra de equilibrio y un mecanismo de tirante para impulsar la bomba de agua. Para extraer condensado y aire del condensador, vatios.
El trabajo creativo de Watt condujo al rápido desarrollo de la máquina de vapor. Convirtió una máquina que sólo podía elevar agua en una máquina de vapor que podía usarse ampliamente. La eficiencia térmica de la máquina de vapor se duplicó, reduciendo en gran medida el consumo de carbón. Por tanto, Watt fue el reformador de la máquina de vapor.
Desde finales del siglo XVIII, las máquinas de vapor se han utilizado ampliamente no sólo en la minería, sino también en la fundición, la industria textil, la fabricación de maquinaria y otras industrias. Aumentó la producción textil británica cinco veces en más de 20 años (de 1766 a 1789), proporcionó al mercado una gran cantidad de bienes de consumo, aceleró la acumulación de fondos y planteó necesidades urgentes para la industria del transporte.
El experimento del uso de máquinas de vapor como potencia de propulsión en barcos comenzó en 1776. Después de una mejora continua, Fulton de los Estados Unidos construyó el primer barco práctico con motor de vapor de propulsión de rueda abierta, "Clermont". Desde entonces, las máquinas de vapor se han utilizado para la propulsión de barcos durante más de cien años.
En 1800, Trevithick de Inglaterra diseñó una máquina de vapor de alta presión que podía instalarse en la carrocería de un automóvil más grande. En 1803, lo utilizó para propulsar una locomotora que circulaba por una vía circular y encontró gente amante de las novedades que se subía a él para recargar sus baterías. Este es el prototipo de la locomotora. El británico Stephenson continuó mejorando las locomotoras y construyó el "Rocket" en 1829.
A finales del 19, con el auge de las aplicaciones de energía eléctrica, las máquinas de vapor alguna vez fueron las principales máquinas motrices de las centrales eléctricas. Durante 1900, existía una central eléctrica con máquina de vapor en Nueva York, Estados Unidos, con una potencia única de cinco megavatios.
El desarrollo de las máquinas de vapor alcanzó su punto máximo a principios del siglo XX. Tiene las ventajas de par constante, velocidad variable, reversibilidad, funcionamiento fiable, fabricación y mantenimiento convenientes, etc., por lo que se utiliza ampliamente en centrales eléctricas, fábricas, locomotoras y barcos, especialmente buques de guerra.
Es importante señalar que muchos libros de texto (libros de historia, libros de física) dicen que Watt fue el inventor de la máquina de vapor. Esto es desinformación. La máquina de vapor fue inventada de forma independiente por Zaveri y Newwin en 1698 y 1705 respectivamente, y se utilizó para bombear agua de las minas. La eficiencia en ese momento era muy baja. La máquina de vapor se ha mejorado mucho. Se inventa el condensador, el cigüeñal, la transmisión de engranajes y el regulador de velocidad centrífugo, lo que moderniza la máquina de vapor y mejora enormemente la eficiencia de la máquina. El invento de Watt todavía se utiliza en las máquinas de vapor modernas, y la unidad de potencia lleva el nombre de su apellido para conmemorar la contribución de Watt.