El
vapor i la seva influència
PRINCIPIS
FÍSICS DEL VAPOR:
Els principis físics
en que es basen les propietats del vapor són els mateixos que afecten
als gasos en general i són:
Teoria
cinètica dels gasos:
1.- Les partícules
del gas es mouen de forma continua, ràpida i a l'atzar en línia
recta i en totes direccions.
2.- Les partícules
de gas són extraordinàriament petites i les distàncies
entre elles són grans.
3.- Amb respecte als gasos,
tant les forces gravitatòries com les forces d'atracció entre
partícules de gas resulten insignificants.
4.- Quan les partícules
xoquen unes amb les altres o amb les parets del recipient, no perden energia;
totes les col·lisions són perfectament elàstiques.
5.- L'energia cinètica
mitja és la mateixa en tots els gasos a una mateixa temperatura i varia
proporcionalment amb la temperatura en Kelvin.
La teoria cinètica
dels gasos pot explicar les propietats físiques del vapor son les mateixes
que dels gasos, que són les següents:
1.- Els gasos no tenen forma
ni volum definit; s'expandeixen fins a ocupa tot el volum del recipient que
els conté i s'ajusten a la seva forma.
2.- Els gasos son compressibles;
es pot fer que un gas ocupi un volum molt més petit augmentant la pressió.
3.- La densitat dels gasos
es petita en comparació amb els líquids i sòlids. Per exemple,
la densitat de l'aire sec és d'aproximadament 0.00117 g/cm3 a la pressió
i temperatura ambient. A mida que la pressió augmenta també ho
fa la densitat del gas.
4.- Els gasos tancats en
un recipient exerceixen una pressió uniforme sobre totes les parets del
recipient.
5.- Els gasos es mesclen
total i espontàniament els uns amb els altres a pressió constant,
sempre i quan no tingui lloc una reacció de tipus químic. Aquest
fenomen s'anomena difusió.
Les
lleis que relacionen la pressió, la temperatura i el volum dels gasos.
Llei de
Boyle: a temperatura constant, el volum,
V, que ocupa una mostra de gas és inversament proporcional a la
pressió,
PV = k
Llei de
Charles: a pressió constant, el
volum que una mostra de gas ocupa és directament proporcional a la seva
temperatura Kelvin.
V = kT
Llei de Gay-Lussac:
a volum constant, la pressió que que fa una mostra específica
de gas és directament proporcional a la seva temperatura Kelvin.
P = kT
Llei combinada dels gasos:
És la llei que presenta combinades les lleis de Boyle, la de Charles
i la de Gay-Lussac.
P1V1/T1 = P2V2/T2
En aquestes
principis ens hem de basar per interpretar els avenços de la tècnica
que varen donar lloc a la construcció de les primeres màquines
de vapor que varen significar un abans i un després en la història
de la humanitat.
ANTECEDENTS:
Els primers antecedents
històrics de la màquina de vapor es remonten a la antiga Grècia.
En el segle II abans de Crist, Heró d' Alexandria
va construir la primera turbina de vapor coneguda, es coneix amb el nom d' Eolipila
de Heró. Aquests i d'altres invents,
com la bomba d' aire
de Ktesibio, només varen conèixer aplicacions lúdiques.
|
 |
fig 2. Heró
és famós també per uns altres meravellosos ingenis,
un dels quals servia per obrir (i tancar) automàticament
la porta d' un temple.
Utilitzava l'expansió
de l'aire calent per ficar-li pressió a l'aigua d' un recipient
esfèric que, travessant un sifó, anava a reomplir un cubell
suspès. El descens del recipient feia obrir la porta del temple.
Si el foc es va apagant,
la pressió en el recipient disminueix i l'aigua retorna dintre
del seu dipòsit, alleugerant el pes del cubell.
Aleshores el pes W, al baixar va tancant la porta.
|
|
fig 1. El primer ingeni
associat a la força del vapor és "l'esfera d' Eolo"
o Eolipila, invent d' Heró, ingenier
grec del segle I
d.C.
|
L'eolipila és
una turbina a reacció capaç de desenvolupar una petita potència,
no resultava pràctica.
Això va representar la primera ten-tativa d' utilitzar el vapor
per obtenir energia mecànica.
|
|
La història dels
primers passos de la màquina de vapor fan necessaris alguns aclariments
previs sobre els principis en que està basada i en particular sobre la
evolució de les idees
referents a la pressió atmosfèrica.
Al 1644 Torricelli
va enunciar que la pressió de l' atmosfera era igual a la pressió
exercida per una columna de mercuri d' uns 760 mil·límetre d'
altura aproximadament.
Al
1654, Von Guericke, amb el seu famós
experiment de Magdeburg, va fer una espectacular demostració de la immensa
força que l' atmosfera podia exercir. Va mostrar que quan dos hemisferis
de 50 centímetres de diàmetre perfectament ajustats eren units
de manera que formessin una esfera i es feia el buit al seu interior, dos tirs
de vuit cavalls cadascun no podien separar-los. En un altre experiment més
immediatament relacionat amb la història de la màquina de vapor
va mostrar que quan es creava un buit parcial sota un èmbol de grans
dimensions introduït en un cilindre, la força sumada de cinquanta
homes no podia evitar que la pressió atmosfèrica retornes l' èmbol
al fons del cilindre.
Tals experiments donaren
vida a la idea de que si es pogués trobar algun mitjà senzill
per a crear el buit repetides vegades es podria utilitzar la pressió
atmosfèrica com una avantatjosa font d' energia. En això es basen
les màquines de vapor anomenades atmosfèriques.
MÀQUINES
ATMOSFÈRIQUES
 |
La màquina de Papín |
Les
primeres màquines de vapor eren conegudes (amb bastant freqüència)
com màquines atmosfèriques, ja que era la pressió de l'
atmosfera la que proporcionava la font motriu. Després de diversos intents
amb diferents sistemes per aconseguir el buit necessari, el primer en utilitzar
el vapor d' aigua per aquest fi fou Denis Papín (1647-1714). Al 1687 publica la Descripció i ús de la nova màquina
per elevar l' aigua, obra en la que descriu el funcionament bàsic de
la seva màquina pneumàtica, consistent en un cilindre vertical
en el que es mouen un èmbol com a conseqüència del vapor
de l' aigua escalfada en el fons del cilindre.
El vapor fa ascendir l'èmbol,
el qual era sostingut en el punt més alt del seu recorregut. A continuació
es refredava el cilindre, amb la qual cosa el vapor es condensava, deixant-se
anar a continuació l'èmbol que es empès cap al fons por
la pressió atmosfèrica.
La màquina de Papín
no tenia massa importància pràctica, però va establir el
principi, vitalment important, de que es podia utilitzar el vapor per a moure
un èmbol cap dalt i cap baix a l'interior d' un cilindre.
Al 1698, Thomas
Savery (1650-1715), mecànic anglès, construeix una màquina
per bombejar l' aigua de les mines de Cornualles, essent aquesta la primera
vegada que s'utilitza la pressió del vapor com a força motriu
per a un us industrial. La màquina de Savery
fou perfeccionada per Thomas Newcomen (1663-1729)
amb la seva màquina atmosfèrica, que al 1712 estava ja en funcionament,
i que durant quasi bé un segle es va fer servir per enxiquir aigua de
les mines.
 |
 |
La màquina de Newcomen |
La màquina de Watt |
El
rendiment de la màquina de Newcomen era poc satisfactori, més que res perquè el vapor es refredava
en el propi cilindre. D' això va adonar-se compte un mecànic escocès
anomenat James Watt (1736-1819), qui al reparar
una màquina de Newcomen introdueix
en aquesta importants modificacions.
Fa que el vapor es condensi
en un recipient especial, el condensador, que connecta amb un tub al cilindre
al qual, a més a més, tanca pels seus dos extrems. D' aquesta
manera es podia mantenir sempre calent el cilindre, estalviant-se'n una important
quantitat de combustible.
A més a més
introduiria altres avenços en la seva màquina , com un mecanisme
per a regular la distribució del vapor, màquina de doble efecte,
i una vareta que uneix l' èmbol amb un balancí articulat, la biela,
per la qual cosa el moviment rectilini es transforma en circular.
El regulador que Watt va adaptar el 1787 també anomenat "governador
de Watt".
L'aplicació d' aquest
mecanisme a la màquina de vapor és d' una gran importància
en la història de la tècnica perquè això va ser
la fundació d' una nombrossissima família d' aparells automàtics
de control, tots indispensables per al correcte funcionament de les màquines.
Aquest "governador" si s'accelerava la màquina, es ralentitzava
per la força centrífuga de les boles o si es ralentitzava produïa
una acceleració deguda a la disminució del recorregut de les boles.
El funcionament del regulador
de Watt es basa en l'efecte de la força
centrifuga sobre la massa E.
Si la velocitat de la màquina augmenta aquest s'hi allarga i, per mitjà
de lleva, fa tancar una mica la vàlvula de pas del vapor. La quantitat
del vapor que circula pel cilindre disminueix i la màquina disminueix
la velocitat. Si la màquina es retarda succeeix exactament el contrari.
Els reguladors de Watt
subministraven una acció de tipus proporcional i el control de velocitat
només era exacte amb una determinada càrrega mecànica.
A més a més, solament podien operar en un deduït rang de
velocitats i necessitaven un continu i costos manteniment. Se' ls denominaven
moderadors, no controladors