12.1 Máquina de vapor y termodinámica temprana

La máquina de vapor representa uno de los hitos más fundamentales en la historia de la ciencia y la ingeniería. Desde sus orígenes en la Antigüedad hasta su perfeccionamiento en la Revolución Industrial, el desarrollo de los motores de vapor estuvo íntimamente ligado al establecimiento de los principios de la termodinámica. En este apartado analizaremos cronológicamente los inventos, las mejoras técnicas y los avances teóricos que condujeron al surgimiento de la termodinámica como ciencia, así como la consolidación de las máquinas de vapor como motores predominantes en industrias y transportes.

1. Antecedentes antiguos y primeros dispositivos

Aunque la aplicación práctica de la máquina de vapor data del siglo XVIII, su fundamento se remonta a conceptos mecánicos y termales muy anteriores. En el siglo I a. C., el ingeniero griego Herón de Alejandría diseñó el aelóforo, un aparato que convertía el vapor en movimiento rotatorio. Sin embargo, su invento era más un juguete científico que una tecnología para producir potencia útil.

Durante la Edad Media, tanto en la península ibérica como en el mundo islámico se describieron dispositivos que utilizaban la expansión de gases calientes, pero sin llegar a constituir una máquina capaz de extraer trabajo eficiente. La falta de materiales adecuados y la escasa comprensión de los procesos térmicos limitaban su evolución.

2. Invención de las primeras máquinas de vapor prácticas

El comienzo real de la máquina de vapor práctica se sitúa en la Inglaterra del siglo XVII y principios del XVIII. Entre los hitos más notables destacan:

• 1698: Thomas Savery patenta un ingenio para extraer agua de minas por medio de la presión del vapor. Su bombas de vapor funcionaban a unas presiones de aproximadamente 0,3–0,4 MPa y permitían elevar agua desde una profundidad de hasta 9 metros.
• 1712: Thomas Newcomen desarrolla la primera máquina de vapor de baja presión con condensador separado. Este modelo alcanzaba una potencia útil cercana a 5 HP (horsepower) y se instaló en distintas minas de carbón del condado de Devon.

La máquina de Newcomen constituyó un avance significativo: su pistón descendía por el enfriamiento del vapor dentro del cilindro, creando un vacío parcial y permitiendo que la presión atmosférica impulsara el émbolo. A pesar de su baja eficiencia térmica (entre el 0,5 % y el 1 %), redujo de manera notable los costos de bombeo en la minería.

3. Revolución y perfeccionamiento: James Watt

El ingeniero escocés James Watt, en contacto con modelos de Newcomen durante su estancia en la Universidad de Glasgow, identificó las ineficiencias de los ciclos de calefacción y enfriamiento en un solo cilindro. En 1765 propuso un condensador externo que mantuviera el cilindro caliente de forma continua.

Watt obtuvo en 1769 la patente de esta mejora y, junto con Matthew Boulton, fundó en 1775 la empresa Boulton Watt. Algunos datos clave de su aportación:

1. Aumento de eficiencia térmica al pasar del 1 % inicial al 2,5–3 %.
2. Introducción del doble efecto (1782), donde el vapor actúa alternativamente sobre ambas caras del pistón.
3. Empleo de árboles de levas y reguladores centrífugos (1788) para control automático de la velocidad.

Estas innovaciones permitieron la aplicación de la máquina de vapor a fábricas textiles, molinos, ingenios azucareros y, más tarde, al transporte ferroviario y marítimo.

4. Hacia una teoría de la energía: Sadi Carnot y el ciclo ideal (1824)

La proliferación de máquinas de vapor motivó a los científicos del siglo XIX a buscar una fundamentación teórica. En 1824, el ingeniero francés Nicolas Léonard Sadi Carnot publicó Réflexions sur la puissance motrice du feu, donde introdujo el concepto de ciclo reversible y estableció que la eficiencia de un motor térmico depende únicamente de las temperaturas de las fuentes caliente (T_H) y fría (T_C).

El rendimiento máximo de un motor ideal se expresa como:

η = 1 − (T_C / T_H)

donde las temperaturas están en escala absoluta (Kelvin). Carnot dedujo que ningún ciclo irreversiblemente operado podría superar este límite, sentando las bases de la segunda ley de la termodinámica.

5. Primer principio y conservación de la energía

A mediados del siglo XIX se consolidó la noción de conservación de la energía. Destacan dos figuras:

• 1842: Julius Robert von Mayer publica en Alemania su artículo sobre la equivalencia mecánico-calórica, en el que estima que 1 caloria (~4,186 J) equivale a un trabajo de 425 kgf·m (4 170 J aproximadamente).
• 1843–1845: James Prescott Joule, en Inglaterra, lleva a cabo experimentos con la rueda de paletas sumergida en agua, midiendo la elevación de temperatura producida por un peso que desciende. Tras múltiples repeticiones, concluye que 1 J de trabajo mecánico eleva la temperatura de 1 g de agua en 0,239 °C, confirmando la relación mecánica de calor.

Estos descubrimientos constituyeron el primer principio de la termodinámica, o ley de la conservación de la energía, que afirma que la energía total de un sistema y su entorno permanece constante.

6. Segunda ley de la termodinámica: Clausius y Kelvin

Entre 1850 y 1865, Rudolf Clausius y William Thomson (Lord Kelvin) formularon de forma independiente la segunda ley de la termodinámica. Clausius introdujo el concepto de entropía (S) en 1865, definiendo su variación como:

dS = δQ_rev / T

y afirmando que en cualquier proceso real la entropía total de un sistema aislado nunca disminuye. Kelvin, por su parte, estableció la imposibilidad de construir una máquina térmica que convierta de manera continua todo el calor extraído de un foco caliente en trabajo mecánico sin efectos secundarios. Estas formulaciones explicaron por qué la eficiencia práctica de las máquinas de vapor permanecía muy por debajo del límite ideal de Carnot.

7. Impacto en industria y transporte

A lo largo del siglo XIX, la adopción masiva de máquinas de vapor transformó la economía mundial:

• En 1804, Richard Trevithick construyó la primera locomotora de vapor práctica, capaz de arrastrar buenos pesos sobre rieles.
• 1812–1840: Se multiplican líneas ferroviarias en Reino Unido, Europa y Estados Unidos en 1840, ya existían más de 2 500 km de vías en Inglaterra.
• 1838: Isambard Kingdom Brunel pone en servicio el Great Western, uno de los primeros transatlánticos de vapor, con una potencia de 740 HP y una velocidad media de 8 nudos.

Al mismo tiempo, en fábricas textiles de Lancashire y Lyon, la potencia disponible pasó de unos pocos caballos-vapor en la década de 1760 a cientos en 1850, generando saltos cuantitativos en productividad.

8. Aplicaciones y extensión en el siglo XX

Aunque las máquinas de combustión interna y la electrificación desplazaron paulatinamente a los motores de vapor, éstas siguieron utilizándose en centrales termoeléctricas hasta bien entrado el siglo XX. La termodinámica continuó evolucionando con:

• 1905: Max Planck y la física cuántica revolucionan el concepto de calor y energía a escala microscópica.
• 1929: Lars Onsager formula relaciones de reciprocidad para procesos irreversibles.
• 1953: Ilya Prigogine introduce la termodinámica de procesos lejos del equilibrio.

Así, la termodinámica temprana, nacida del estudio de las máquinas de vapor, se transformó en una disciplina global con aplicaciones que van desde la climatología hasta la biología y la tecnología electrónica.

9. Conclusión

El desarrollo de la máquina de vapor y los primeros principios de la termodinámica ejemplifican la interacción entre la práctica tecnológica y la teoría científica. A través de innovaciones ingenieriles de Savery, Newcomen y Watt y de la fundamentación teórica de Carnot, Joule, Clausius y Kelvin, se estableció de manera sólida la conservación de la energía y las limitaciones de los procesos térmicos. Este conocimiento impulsó la Revolución Industrial, cambió la forma de producir bienes y desplazarse, y sentó las bases para numerosas ramas de la física y la ingeniería modernas.

Libros recomendados sobre Máquina de Vapor y Termodinámica temprana

• Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego

  Autor: Sadi Carnot. Año: 1824. Descripción: Tratado fundacional de la termodinámica que introduce el ciclo termodinámico.

• Tratado de la energía motriz del calor

  Autor: Rudolf Clausius. Año: 1850. Descripción: Presenta el segundo principio de la termodinámica y el concepto de entropía.

• Máquina de vapor y motores térmicos: Orígenes y evolución

  Autor: Vaclav Smil. Año: 1993. Descripción: Análisis histórico y técnico de las máquinas de vapor hasta mediados del siglo XIX.

• Historia de la termodinámica

  Autor: Clifford Truesdell. Año: 1980. Descripción: Estudio crítico de los desarrollos teóricos y experimentales tempranos.

• Energy and Empire: A Biographical History

  Autor: Robert Allen. Año: 2009. Descripción: Impacto de la máquina de vapor y la energía en la historia económica global.

Enlaces de interés

• https://www.example.com/carnot-1824
• https://www.example.com/clausius-1850
• https://www.example.com/smil-vapor
• https://www.example.com/truesdell-1980
• https://www.example.com/allen-2009