Máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía térmica en energía mecánica.
La típica máquina de vapor está formada por un cilindro provisto de un émbolo o pistón accionado por el vapor que se produce en una caldera.
El vapor entra por un extremo del cilindro y empuja el émbolo hasta el extremo opuesto; al final del recorrido se invierte el sentido de entrada del vapor y el émbolo regresa a la posición original.
El movimiento de vaivén del émbolo se transforma, mediante un sistema de biela y cigüeñal, en uno circular.
Para equilibrar las fuerzas alternativas que se producen en este movimiento de vaivén y para evitar los puntos muertos de la carrera se acoplan la biela y el cigüeñal a un volante, una pieza por lo general pesada de metal fundido, que convierte los distintos empujes del vapor del cilindro en un movimiento continuo debido a su inercia.
El primer motor de pistón fue desarrollado por el físico e inventor francés Denis Papin y se utilizó para bombear agua.
El motor de Papin contaba con un único cilindro que servía también como caldera.
Se colocaba una pequeña cantidad de agua en la parte inferior del cilindro y se calentaba hasta que producía vapor.
La presión del vapor empujaba un pistón acoplado al cilindro, tras lo cual se eliminaba la fuente de calor de la parte inferior.
A medida que el cilindro se enfriaba, el vapor se condensaba y la presión del aire en el exterior del pistón lo empujaba de nuevo hacia abajo.
La máquina de vapor
En 1698 el ingeniero inglés Thomas Savery diseñó una máquina que utilizaba dos cámaras de cobre que se llenaban de forma alternativa con vapor producido en una caldera.
Esta máquina se utilizó también para bombear agua.
En 1705, Thomas Newcomen construyó un artilugio que con propiedad debería llamarse máquina de vapor atmosférica, dado que era la presión atmosférica la que empujaba el pistón que incidía sobre el cilindro lleno de vapor, una vez que éste se condensaba mediante un chorro de agua fría creando un vacío.
El motor de Newcomen no era muy eficiente, pero era lo bastante práctico como para ser utilizado con frecuencia para extraer agua en minas de carbón.
La invención definitiva de la máquina de vapor se atribuye a James Watt, un fabricante escocés de material científico asentado en Glasgow, que al tenerse que encargar de la reparación de una máquina de vapor del tipo atmosférico, se sorprendió ante sus carencias y se dedicó a incorporar mejoras.
El primer invento de Watt fue el diseño de un motor que contaba con una cámara separada para la condensación del vapor.
Esta máquina, patentada en 1769, redujo los costos de la máquina de Newcomen en un 70% evitando la pérdida de vapor producida por el calentamiento y enfriamiento cíclicos del cilindro.
Watt aisló el cilindro para que permaneciera a la temperatura del vapor.
La cámara de condensación separada, refrigerada por aire, contaba con una bomba para hacer el vacío que permitía absorber el vapor del cilindro hacia el condensador.
La bomba se utilizaba también para eliminar el agua de la cámara de condensación.
Otra novedad importante en el desarrollo de Watt fue que el movimiento de vaivén de los pistones se conseguía mediante la presión del vapor y no mediante la presión atmosférica.
Por otro lado, en la máquina de Watt, el vapor actuaba alternativamente por ambos lados del émbolo.
También instaló válvulas de mariposa en sus máquinas para limitar la velocidad, además de reguladores que mantenían de forma automática una velocidad de funcionamiento estable.
En 1769, Cugnot acopló la máquina de vapor a un carruaje, y en 1775, Perrier a un buque.
A principios del siglo XIX Stephenson fue el primero en aplicar este tipo de máquinas a los ferrocarriles.
Después de la introducción de la energía eléctrica y de los motores de combustión interna, la máquina de vapor ha perdido la relevancia que tuvo en el pasado.