El día 30 de enero de 2015 se cumplen 279 años del nacimiento en Greenock (Escocia, Gran Bretaña), en 1736, del ingeniero mecánico e inventor James Watt (1736-1819) que, al mejorar notablemente el funcionamiento de la máquina de vapor, propició que la humanidad diera un salto cualitativo en su desarrollo.
Nota: la fecha de nacimiento de Watt, según el calendario juliano ya en desuso, es el 19 de enero de 1736.

Desde el ACDC de la ULL queremos recordar el aniversario de su nacimiento reproduciendo a continuación el artículo titulado “La máquina de vapor: James Watt”, 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 (II)”, y está disponible en su formato original en la sección “Biblioteca” de esta página web.

La máquina de vapor: James Watt.

Las máquinas de la firma Boulton & Watt, amparadas en la patente conseguida en 1769, dominaron el mercado británico de los ingenios de vapor hasta 1800, fecha en que vencía la patente. James Watt fue un celoso vigilante de la patente y se ocupó de que no se pudiera fabricar ningún artefacto que incluyera el condensador separado, clave de la mejora del rendimiento respecto a las antiguas máquinas de Newcomen. Entretanto las máquinas empezaron a usarse no sólo para la extracción de agua de las minas, sino también para mover muy diferentes tipos de industrias y muy especialmente la poderosa industria textil, una de las claves del desarrollo de la Inglaterra del siglo XIX. Las máquinas sustituyen con ventaja el trabajo animal y sobre todo el humano, provocando muy hondas transformaciones sociales que no corresponde aquí comentar.

La máquina de Watt era, en definitiva, una máquina atmosférica. Esto quiere decir que los émbolos se movían por la diferencia de presiones entre la atmósfera y el vacío parcial producido al condensarse el vapor. Un modo obvio de aumentar el rendimiento era que, en lugar de la atmósfera, se usara vapor a alta presión, cosa que podía conseguirse usando el propio vapor a más alta temperatura. Sin embargo Watt bloqueó todos los intentos de desarrollar ingenios de ese tipo amparándose en los derechos que le otorgaba su patente. Al parecer, las razones para ese bloqueo era que consideraba peligroso que las máquinas trabajaran a alta presión. La historia demuestra que no le faltaba algo de razón.

En 1800 vence la patente de Watt, y tanto Boulton como él ceden su participación en la empresa a sus respectivos primogénitos. Watt, continuará con su carrera de inventor con diferentes aparatos, entre los que llama la atención uno destinado a reproducir esculturas. Moriría en 1819 en Heathfield, cerca de Birmingham.

A partir de 1800 empieza la carrera para poner en marcha máquinas que trabajaran alta presión. Las ventajas de estas eran evidentes, por cuanto no sólo podían mejorar el rendimiento (por entonces como máximo un 5%), sino que se podía reducir considerablemente el tamaño de las estructuras de Newcomen y Watt, que en la práctica eran pequeños edificios. Con la disminución del tamaño se abría la puerta a que la máquina pudiera ser móvil, y es precisamente éste hecho el que perseguía el también británico Richard Trevithick (1771-1833) cuando consiguió diseñar y hacer que funcionara una máquina con alta presión que servía para propulsar un primitivo tren para el transporte, como no, de carbón. Sin conocer los trabajos de Trevithick, Oliver Evans, en Estados Unidos, realizaría un diseño similar (1802). Con el tiempo estos hechos darían lugar al ferrocarril que transformaría drásticamente la vida humana, al hacerse por primera vez posible que las personas pudieran moverse de un modo rápido, seguro y en buena medida barato. Piénsese que hasta el siglo XIX, en términos generales, sólo viajaban los ricos, y las naciones eran un conjunto de pueblos y ciudades esencialmente desconectados.

Las máquinas aumentaban su rendimiento y la industria exigía que ese crecimiento continuara. En 1811, los propietarios de las minas de Cornualles empezaron a publicar informes sobre el rendimiento de sus máquinas, para estimular su aumento. Se vio que cada máquina tenía una relación de conversión del carbón en trabajo diferente y esta relación descendía a medida que las máquinas eran más modernas. Por lo tanto, cabía preguntarse si existía un límite para esta relación de conversión, o por el contrario sería posible el movimiento continuo. ¿Sería posible conseguir construir una máquina que una vez que comenzara a funcionar permaneciera siempre en movimiento sin requerir más combustible? Esa era de alguna forma la pregunta a la que conducían lo progresos en el primer cuarto del siglo XIX, y su respuesta provocó en cierto modo el nacimiento de la ciencia de la Termodinámica de la mano del francés Sadi Carnot.

Permítaseme un inciso relacionado con un personaje de nuestra tierra, el ingeniero Agustín de Betancourt. Nacido en el Puerto de la Cruz y con una vida asombrosa que le llevó a terminar sus días como responsable de los ferrocarriles del Imperio Ruso, permaneció una parte de su vida en Francia. Allí hizo, al menos dos contribuciones importantes a la historia de las máquinas. La primera, con un extenso informe a la Academia de Ciencias sobre los descubrimientos de Watt (¡que provocaría que éste le acusara de espionaje industrial!), con el que ayudó sobremanera en la introducción de ese tipo de máquinas en Francia, y la segunda con un trabajo sobre la fuerza expansiva del vapor que sería citado por Carnot en su trabajo fundamental: las “Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego…”, de 1924.

Esta memoria aportó conceptos fundamentales a la incipiente ciencia térmica y aún utilizando el concepto de calórico, sentó las bases de la Termodinámica macroscópica, que Carnot captó claramente. Constató que, desde principios del siglo XVIII, cuando Savery comercializó su primera máquina de fuego en 1702, hasta la mitad del siglo XIX, los ingenieros habían desarrollado la máquina térmica, sin comprender sus fundamentos teóricos. Así, en su memoria, la introducción decía:

“El descubrimiento importante no es el primer intento, sino los sucesivos mejoramientos. Hay una distancia casi tan grande entre el primer aparato en que se usó la fuerza expansiva del vapor y una máquina actual, como entre una balsa y un moderno navío. El honor de ese primer desarrollo pertenece a Inglaterra: Savery, Newcomen, Smeaton, Watt, Woolf, Trevithick y otros.”

“A pesar del trabajo que se realizó sobre todos los tipos de máquina de vapor, su teoría es muy poco comprendida y los intentos para mejorarla todavía están
orientados casi exclusivamente por el azar.”

“Se ha planteado a menudo la cuestión de si la energía motriz del calor no tiene fin, si las posibles mejoras a las máquinas de vapor tienen un límite previsible, un límite que la naturaleza de las cosas no permitirá superar por ningún medio, o bien si, por el contrario, estas mejoras pueden ser llevadas a cabo indefinidamente.”

Prosiguiendo más adelante:

“La producción de movimiento por la máquina de vapor está acompañada siempre de una circunstancia que debemos señalar en particular. Esta circunstancia es el paso de calórico desde un cuerpo cuya temperatura es más o menos elevada a otro donde es más baja...”.

“...La potencia motriz del calor es independiente de los agentes empleados para desarrollarla; su cantidad viene determinada solamente por la temperatura de los cuerpos entre los cuales, como resultado final, ocurre la transferencia de calórico.”

Carnot pensó, por analogía con una rueda hidráulica, que la potencia motriz dependía tanto de la cantidad de calórico transferida como del salto de temperaturas entre las que se transfería. Después de considerar el calórico como un fluido transferido por diferencias de temperatura (Black, 1760) la idea parece totalmente evidente, pero sólo Carnot en 100 años (hasta Clausius y Kelvin) lo vio claramente, o al menos lo supo expresar. Introdujo el concepto de ciclo ideal recorrido en principio por cualquier sustancia, pero que aplicó al gas ideal. El ciclo podía invertir su funcionamiento, con lo que introdujo la idea de reversibilidad. Llegó además a la conclusión que, para una diferencia de temperaturas dadas y fijada una cantidad de calórico, ningún ciclo podía dar más potencia motriz que su ciclo reversible, estableciendo con claridad el límite del rendimiento y la imposibilidad del móvil perpetuo.

Este principio de Carnot sirvió además para que Lord Kelvin solucionase el problema del significado de la temperatura, definiendo la escala absoluta en 1851, y todavía se emplea hoy como una de las formulaciones de la 2ª ley de la Termodinámica.

Y es la Termodinámica la ciencia que, finalmente, al dilucidar la naturaleza del calor y su relación con el trabajo, permitió el posterior desarrollo práctico de la técnica y la tecnología de las subsiguientes máquinas hasta nuestros días.
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En relación con James Watt véanse, entre otras, las siguientes noticias publicadas en nuestro sitio web:

La máquina de vapor y el dominio del mundo. 19Ene2014.
http://www.divulgacioncientifica.org/modules.php?name=News&file=article&sid=590&mode=&order=0&thold=0

James Watt: el ingenio que cambió el mundo. 24Ene2013.
http://www.divulgacioncientifica.org/modules.php?name=News&file=article&sid=155&mode=&order=0&thold=0
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Figura: Imagen de James Watt (1736-1819) en un sello de correos de Gran Bretaña de 2009. La imagen de este sello de correos se ha utilizado exclusivamente con fines docentes y divulgativos, sin ánimo de lucro.

Categoría: Publicaciones Recomendadas.

Luis Vega Martín.
ACDC. 30Ene2015.