El día 13 de febrero de 2015 se cumplen 352 años del nacimiento en Darmouth (Devon, Inglaterra, Gran Bretaña), en 1663, del herrero e inventor Thomas Newcomen (1663-1729) que en 1712, con su socio Thomas Savery, construyó la primera máquina de vapor atmosférica auténticamente eficaz, por lo que algunas veces es citado como padre de la Revolución Industrial.

Desde el ACDC de la ULL queremos recordar el aniversario de su nacimiento reproduciendo a continuación el artículo titulado “La máquina de vapor: Thomas Newcomen”, escrito por el Dr. Luis Vega Martín, Profesor Titular de Física Aplicada en la Universidad de La Laguna y miembro del Aula Cultural de Divulgación Científica. El artículo se publicó en el periódico “El Día”, de Santa Cruz de Tenerife, con el título “Termodinámica y Revolución Industrial (I)”, y está disponible en su formato original en la sección “Biblioteca” de esta página web.

La máquina de vapor: Thomas Newcomen.

Uno de los tópicos de nuestro tiempo es hablar, y no parar, de lo que se denomina I+D, expresión simbólica que hace referencia a la conexión que debe haber entre la investigación científica (la I) y el desarrollo (la D), prioritariamente tecnológico. Subyace en la expresión la idea de que la inversión económica en la investigación debe retornar a la sociedad en forma de productos que ayuden al bienestar general y/o en la consecución de la primacía económica, política o militar de las empresas o estados.
 

La historia muestra que, en efecto, determinados inventos han generado profundos cambios en la vida humana que han alcanzado dimensiones planetarias. En un resumen rápido, pueden citarse entre los más importantes desarrollados antes de 1900, la máquina de vapor, la bombilla incandescente, el teléfono y el motor de cuatro tiempos. La idea de que la inversión en investigación retorne como frutos prácticos es relativamente moderna. La conexión entre los avances de la ciencia y estos inventos parece a veces difuso y casual pero es, en último término, profunda. La máquina de vapor es un ejemplo de esto.

Aunque Herón de Alejandría (siglo I) describe en su “Pneumática” ingeniosos artefactos móviles aprovechando las propiedades del vapor generado al calentar agua, con los que llegó diseñar un sistema de apertura de las puertas de un templo y figuras que se movían en los altares durante las ceremonias religiosas, y de que en el siglo XII el órgano de la catedral de Reims funcionaba con el aire comprimido por vapor generado por una caldera, no es hasta finales del siglo XVII cuando se proponen los primeros ingenios destinados a generar trabajo de forma continua.

De comienzos del siglo XVII datan los primeros dispositivos para elevar agua (en las fuentes) usando lo que se denominaba el “poder del vacío”. El hecho físico fundamental es que el agua ocupa (en condiciones normales) 2.700 veces menos volumen que el vapor de agua. Si en un cilindro separado en dos partes por un émbolo, se inyecta agua en uno de los lados y se calienta hasta vaporizarlo la expansión provocará el desplazamiento del émbolo en una dirección. Si bruscamente se enfría el vapor, se condensa y el émbolo se desplazará en sentido contrario. Con esta idea, se diseñaron aparatos para aprovechar este efecto para elevar agua, aprovechando este efecto de succión.

Los primeros diseños (della Porta, 1601 y Caus, 1615) estaban destinados a provocar efectos en fuentes ornamentales. Los trabajos de Galileo, Torricelli, Pascal y Von Guericke sobre la presión desterraron en “horror vacui” (horror al vacío) como principio que explicara estos fenómenos y situaron el problema en el estudio de las propiedades de los gases y los líquidos.

La primera máquina como tal fue inventada en 1663 por Edward Somerset, segundo marqués de Worcester, y por su descripción es muy similar, conceptualmente, a la fuente de Caus, si bien de la máquina de Somerset se construyó un modelo en Vauxhall (cerca de Londres) en el castillo Rawlan en torno a 1665 con el propósito de elevar el agua a los pisos superiores de la construcción. Sin embargo, Somerset no pudo atraer los capitales necesarios para producir y vender su máquina y murió en la pobreza. Thomas Savery retoma las ideas de Somerset y obtiene una patente en 1698, motivo por el cual a menudo se le atribuye la invención de la máquina de vapor.

Lejos de los propósitos lúdicos de sus antecesores, Savery aplica su invento a un problema económico fundamental en la Inglaterra del siglo XVIII. La demanda de carbón en un país que había esquilmado sus bosques crecía vertiginosamente, tanto para la calefacción como para mover la incipiente industria metalúrgica. Las minas de carbón padecen de forma crónica el problema de las filtraciones de agua, que hay que extraer continuamente para poder trabajar en ellas. Para sacar esta agua se usaban norias movidas por animales, preferentemente caballos. Este hecho encarecía enormemente la explotación llegando en muchas ocasiones a tener que cerrar las minas por ser antieconómica su explotación.

La máquina de Savery tenía sin embargo muchas limitaciones. En un funcionamiento seguro apenas podía elevar el agua unos diez metros. Para hacerlo a mayor profundidad se tenía que incrementar la temperatura (y por tanto la presión) a límites que no resistían los materiales de la época, provocando con frecuencia explosiones.

Diez años después de la máquina de Savery el plomero y vidriero de Dartford John Calley según los planos y especificaciones de su conciudadano Thomas Newcomen (Dartmouth 1663 - 1729), herrero y predicador, construye la primera máquina auténticamente eficaz. Cuando tenía casi 40 años, Newcomen empezó a estudiar la máquina de Savery, y como éste ya tenía el privilegio de invención, él y Calley se pusieron de acuerdo con Savery para una nueva patente conjunta, que obtuvieron en 1705. Newcomen, a pesar de los consejos en contra del gran Robert Hooke, decidió usar por primera vez un cilindro y un émbolo, a diferencia de la máquina de Savery, que trabajaba con dos recipientes y un juego de válvulas, y enfriar el vapor introduciendo agua en el cilindro, en vez de hacer circular el agua por el exterior del recipiente como hacía Savery. El uso del émbolo abría las puertas a una verdadera máquina, con posibilidad de producir trabajo y no solo de bombear agua.

La primera máquina industrial, en las minas de carbón de Duley Castle tenía unas dimensiones considerables, pues el cilindro tenía más de medio metro de diámetro y 2,4 metros de altura. Realizaba 12 ciclos por minuto y era capaz de elevar 189 litros de agua desde una profundidad de 47,5 m.

La máquina de Newcomen tuvo un considerable éxito y durante casi setenta años las máquinas industriales siguieron su diseño, extendiéndose su uso: en 1729 ya se usaban en Alemania, Austria, Bélgica, Francia, Hungría y Suecia. En 1750 llegó a las colonias americanas, la primera para una mina de cobre en Newark y en 1774 se instaló en Kronstadt, para vaciar los diques de varada en la nueva base naval de Catalina la Grande de Rusia. Su robustez era tal que la última máquina desmantelada lo fue en 1934, en Parkgate, después de más de un siglo de funcionamiento. Significativamente, a España llegaron en 1813. El éxito en todo caso era limitado: en Inglaterra hacia 1780 había en total unas 100 máquinas de vapor.

Para entonces, sin embargo ya se había producido una modificación trascendental debida al genio de James Watt.

Desde el punto de vista de rendimiento, los artefactos de Newcomen eran penosos. Apenas se aprovechaba el 0,5% del calor invertido para realizar trabajo. En el caso de las minas esto no era un gran problema, puesto que allí lo que sobraba era carbón, pero para el resto de las industrias esto generaba una factura enorme. Esa fue la cuestión que estudió Watt en 1765.
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Figura: Sello de correos de Gran Bretaña de 2012, conmemorativo del 300 aniversario de la invención de la máquina de vapor atmosférica por Thomas Newcomen en 1712. La imagen de este sello de correos se ha utilizado exclusivamente con fines docentes y divulgativos, sin ánimo de lucro.

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Luis Vega Martín.
ACDC. 13Feb2015.