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Cómo funcionan las máquinas de vapor

A lo largo de estas líneas queremos contarte cómo funcionan las máquinas de vapor, tratándose de un tipo de motor que, a pesar de los años, continúa siendo de gran importancia frente a determinadas situaciones.

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Probablemente lo primero que se te venga a la mente cuando hablamos de máquinas de vapor sean vehículos antiguos, correspondientes a aquellos años donde todavía no se conocían los motores de combustión o eléctricos. La realidad es que la mayoría de la energía que consumimos en la actualidad proviene de máquinas que utilizan el vapor de algún modo para generarla; ya sea a través de carbón, energía nuclear o energía solar, llega un momento del proceso donde es necesario hervir agua como en los siglos pasados.

maquina-de-vapor-3Detrás de cualquier máquina de vapor no hay más que una fuente de calor, la cual hierve agua generando vapor para mover un pistón. De esta modo funcionaba, al menos, una de las primeras máquinas de vapor, pensada por Thomas Newcomen en el año 1712.

La realidad es que, en sí, la máquina resultó ser bastante ineficiente en aquellos años; Newcomen sólo había logrado mover un pistón a través de vapor de agua, pero eso ya resultaba muy novedoso para la sociedad de la época. Veamos cómo comenzó a funcionar la primera máquina de vapor de todos los tiempos para entender por qué no resulta tan simple conseguir energía a través del vapor.

Como decíamos, la máquina de Newcomen es la más sencilla de todas las que se han creado: el fuego, avivado por un combustible como el carbón, calienta el agua y forma vapor, el cual pasa por un pistón que, gracias a dicho empuje -mayor que la presión atmosférica-, es capaz de subir.

Asimismo, no es es esto lo que generará el movimiento de la máquina; para lograrlo, es necesario introducir agua fría en el cilindro para que el mismo se enfríe y la presión atmosférica baje, tirando así de una cadena que logrará mover la máquina.

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La cantidad de energía que se pierde a través de este método es mucha, debido a que, en muchos casos, no es fácil contener el calor sin que escape al ambiente, o porque impedimos al vapor expandirse como realmente debería. Cuando enfriamos el pistón también estamos complicando el funcionamiento de la máquina, pero Newcomen no logró encontrar otra solución para efectuar el movimiento.

Estamos hablando de la época de la Revolución Industrial, por ello no debemos dejar de pensar que hasta que no se perfeccionó el método para fundir hierro y crear cilindros, no se pudieron crear pistones que sean capaces de soportar altas presiones sin filtraciones y, por lo tanto, aumentar el rendimiento de la máquina de vapor. 

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Otro gran problema que tuvo la máquina de Newcomen tenía que ver con que sólo era capaz de tirar de una cadena vertical, y eso no es beneficioso para nada. El movimiento tiene que ser lineal, y de rotación, siendo necesario para ello generar un mecanismo de biela-manivela. Pero claro, cambiar el modo en que funcionaba la máquina trajo consigo muchos problemas; esto implicó dejar de depender de la presión atmosférica para que el pistón vuelva a su posición inicial, y la única solución a ello era gastar vapor para lograr 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.

Así se logró efectuar un movimiento de rotación que, de hecho, resultó ser muy irregular. A causa del movimiento del mecanismo de biela-manivela, la fuerza ejercida no era la indicada, sino ondulante, nunca constante; a esto se le llamó par motor, siendo totalmente necesario conseguir un par estable y lineal para mantener le mecanismo eficiente de la máquina.

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La solución a todos los problemas sería una batería, no eléctrica, sino un volante de inercia -batería mecánica-, el cual guarda toda la energía cinética que recibe y la va soltando de manera lineal.

En la actualidad ya casi no nos trasladamos en trenes de vapor; la única diferencia entre el antes y el ahora es que dichas máquinas han logrado cambiar de lugar, proveyendo energía ahora en cables.