LA MÁQUINA DE VAPOR

En este capítulo de la Historia de la Ciencia le rendimos homenaje al compromiso por el trabajo y al ingenio de James Watt. Watt fue esencialmente un ingeniero de enorme talento. No inventó nada. Ni siquiera persiguió inventar nada. Simplemente se formó, luego trabajó y finalmente recibió un encargo. Y ese encargo fue el de reparar una y otra vez el que prácticamente era el único tipo de máquina de vapor existente en la época.

 

Ese tipo de máquina de vapor había sido inventada a principios del Siglo XVIII por otro ingeniero inglés llamado Newcomen. Y no es que no fuera útil, porque bien que se usaba para extraer el agua de las minas a gran profundidad, pero a base de reparaciones a Watt le fue quedando claro que su rendimiento era de lo más bajo, y que además, someter a los materiales a cambios permanentes de frío y calor no podía sino acortar dramáticamente su tiempo de vida.

No deja de ser curioso que los primeros prototipos de la máquina de vapor que se utilizaran para facilitar el trabajo de extracción de minerales en las minas (gracias a su poder de succión y elevación del agua de las profundidades) requirieran el propio carbón de las minas para funcionar. Es decir, se estableció un ciclo en el que se usaba la propia energía del mineral para extraer más mineral. Esos primeros prototipos de máquinas extractoras de agua se atribuyen al Thomas Savery con la inestimable colaboración del controvertido Robert Hooke, quien ha pasado a ser más conocido por sus disputas con Newton, que por sus aportaciones a múltiples y variados campos de la ciencia y la tecnología.

Al final, Watt, lo más importante que hizo fue buscar la manera de utilizar dos cilindros separados en lugar de uno para que cada uno trabajara a una temperatura diferente, uno frío y otro caliente, de forma que el proceso de expansión del émbolo por la acción del vapor calentado y el proceso de compresión por la liberación del gas hacia el condensador de enfriamiento, se acoplaran sin que ninguno de los dos contenedores sufriera continuos cambios bruscos de temperaturas. 

Además, Watt dotó a la máquina de un mecanismo con válvulas de no retorno acopladas que aprovechaban tanto la inercia de la expansión como la de la compresión en ambos cilindros y perfeccionó los engranajes para transformar el movimiento lineal en giratorio de forma que aumentó enormemente su rendimiento.

Finalmente, en su honor se estableció el Wattio como unidad de medida en el Sistema Internacional de potencia (trabajo por unidad de tiempo), de forma que 1 W = 1 J · 1s.

CAMPOS DE APLICACIÓN DE LA LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA

La misma Ley de la conservación de la energía puede presentarse bajo diferentes formas en campos tan diversos como:

• La Mecánica : donde la suma de la energía potencial y cinética se mantiene siempre constante si no actúan fuerzas externas.

 

• La dinámica de fluidos: es este caso trasladada a la ecuación de Bernouilli.
• La Termodinámica: en la forma del enunciado del Primer Principio.
• Los circuitos eléctricos: como conservación del voltaje (primera ley de Kirchoff)

JAMES PRESCOTT JOULE

James Prescott Joule fue uno de los padres de la Ley de la conservación de la energía. Joule nació en un pueblo cercano a Manchester y admirado por el vertiginoso progreso que a esa ciudad trajo la Revolución Industrial se interesó en estudiar los procesos que subyacían a las máquinas de vapor.

Siempre lo hizo de la mano de la experimentación y en ese sentido podemos distinguir claramente dos etapas:

1. Estudio experimental del calor generado por circuitos eléctricos que llevarían a la formulación de la Ley de Joule para comprender porque el prototipo de motor eléctrico de Faraday no era competitivo a nivel de rendimiento.
2. Estudio experimental del calor generado a partir de trabajo mecánico. En concreto Joule midió meticulosamente cuanto se calentaba el agua dentro de un recipiente cerrado herméticamente (calorímetro) por el contacto de una palas que rotaban activadas por el trabajo mecánico realizado por unos pesos en caída conectados mediante cuerdas y poleas giratorias.

Joule no alcanzó el grado de reconocimiento que tiene hoy en día en vida. Pero en su honor se adoptó el Joule [J] como unidad de energía en el Sistema Internacional de Unidad. Es decir que 1 J = 1N·1m (1 Joule es la energía almacenada o el trabajo realizado por una fuerza de 1 Newton que desplaza un objeto una distancia de 1m).

¿POR QUÉ FLOTAN LOS GLOBOS?

Seguro que si ves este vídeo no se te olvidará jamás que los globos flotan (o se elevan) gracias al principio de Arquímedes, ya que al ser el aire en su interior más ligero que el aire en el medio ambiente el empuje producido por el volumen de aire desalojado es mayor que el propio peso del globo.

PRESIÓN Y VACÍO

La propia idea de presión atmosférica descubierta por Torricelli o de presión hidrostática introducida por Pascal lleva implícita su opuesto. El ser humano es muy dado a buscar siempre dónde está el límite. Así, tan pronto como caemos en la cuenta de los efectos de disminuir la presión en un recipiente extrayendo el gas de su interior nos preguntamos si sería posible extraerlo todo y qué pasaría en tal caso.

Descubierto y aclarado el concepto de presión la comunidad científica empezó a preocuparse por el vacío. Eso condujo al desarrollo de tecnología para poder generar ese vacío y a experimentos muy llamativos como el de las esferas de Magdeburgo.

La naturaleza intrínseca del vacío fue y es hasta hoy en día tema de apasionante debate. Durante años se negó la existencia absoluta del mismo y se abogó por que el espacio a fin de cuentas estuviera llenado por completo por una sustancia invisible llamada éter responsable entre otras cosas de la propagación de las ondas de luz. El argumento tenía mucho sentido a tenor de la clara demostración experimental de que las ondas de sonido no se pueden propagar por el vacío.

Pero por suerte o por desgracia el experimento de Michelson-Morley demostró que eso era falso.

No en vano el desarrollo de las tecnologías de generación de vacío permitieron la creación y perfeccionamiento de los tubos de rayos catódicos gracias a los cuáles, a la postre, se descubría el electrón, piedra angular sobre la que se podría vislumbrar la "verdadera" estructura de la materia.

La introducción de rejillas de control en estos tubos de vacío llevó a la generación de válvulas de vacío utilizadas en los primeros transmisores y receptores de radio.

A día de hoy el concepto de vacío se ha vuelto extremadamente sofisticado. Nuevos modelos conceptuales como la aceptada Teoría Cuántica de Campos o la todavía no verificada experimentalmente Teoría de Cuerdas arrojan una concepción nueva del vacío en la que se le trata como un campo de fuerzas propio y con capacidad de contener un potencial energético que pueda dar cuenta de lo que se conoce como energía oscura.

Algunos incluso van más lejos y desarrollan toda una nueva física entorno a un nuevo y atractivo abortamiento del vacío como la contraparte dual de la materia existente y como tal poseedora de una estructura, que en particular se propone que sea de naturaleza fractal. Es algo bonito aunque imposible de demostrar (y por tanto también de rebatir) y tiene la pega de que carece de complejidad y por lo tanto no puede almacenar apenas información y mucho menos ser una fuerte inagotable de energía. La información es un concepto que está estrechamente ligado con la entropía, y de ésta se sabe que es una función monótona creciente de la energía interna. Difícil sostener así que cualquier volumen infinitamente pequeño de este vacío pueda contener la información de todo el Universo. Pero bueno, todos parece que tenemos la necesidad de llenar cierto vacío y con palabras embaucadoras, y una dosis de misticismo, aún sin comprender todos los detalles, se nos despierta la curiosidad. Y por completitud añado una referencia a ello.

Al final todos tenemos en nuestra propias vidas que responder a la presión a veces y una cierta sensación de vacío otras. Precisamente de esta elevada presión y fastidioso vacío ha surgido esta entrada.

EL TERMÓMETRO DE MERCURIO

El termómetro de mercurio fue inventado por Daniel Gabriel Fahrenheit en el año 1714 y desde entonces ha gozado de gran popularidad. Sin embargo más recientemente se he empezado a prohibir en varios países dado que el mercurio es altamente contaminante.

Además, el señor Fahrenheit creó una peculiar escala de temperaturas lineal entre el punto de congelación el agua a 32 F y el punto de ebullición de la misma a 212 F.

EL TERMÓMETRO DE GALILEO

El primer termómetro de la Historia fue concebido por Galileo Galilei y se fundamentaba en el principio de Arquímedes. Básicamente se trataba de un tubo lleno de agua con una esfera en su interior de un tamaño y densidad tal que, en función de la temperatura del agua, se sumergía más o menos. 

Más adelante se añadirían más esferas para cubrir una escala más amplia de temperaturas una vez que la primera y posteriores esferas hubieran llegado ya al fondo. También se añadiría una escala graduada que permitiera realizar medidas cuantitativas (Giovani Franceso Sagredo y Santorio Santorio).