Ev. Ideas Termodinámica, clase 3

Evoluci
ón de
ámica
Evolución
de las
las Ideas
Ideas en
en Termodin
Termodinámica
EVOLUCI
ÓN DE
ÁMICA
EVOLUCIÓN
DE LAS
LAS IDEAS
IDEAS EN
EN TERMODIN
TERMODINÁMICA
• Primeras observaciones de fenómenos térmicos y
desarrollo de la termometría
• Teorías del calor
• La máquina de vapor
• La termodinámica como ciencia formal
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las Ideas
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en Termodin
Termodinámica
LA
ÁQUINA DE
LA M
MÁQUINA
DE VAPOR
VAPOR
En el Aelópilo el vapor de
una caldera es inyectado
en una esfera metálica
con dos salidas.
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El
primer
desarrollo
conocido corresponde a
Herón de Alejandría (entre
150 y 300 A. C.), matemático
e
inventor
quien
en
Neumáticos (traducida al
alemán en 1688) tiene un
tratado de mecánica y
dispositivos
conocidos
como
neumáticos
(80
invenciones). Todos estos
ingenios estaban dedicados
al entretenimiento.
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Termodinámica
¿¿CUÁNDO
CUÁNDO COMIENZA
ÓN PR
ÁCTICA
COMIENZA LA
LA APLICACI
APLICACIÓN
PRÁCTICA
DEL
DEL VAPOR?
VAPOR?
La aplicación práctica del vapor comienza hacia el final del
siglo XVI y principios del siglo XVII ¿Por qué tan tarde?
Posibles Respuestas:
(1) Abundancia de mano de obra barata. Pero: No se
prescinde del viento y agua en molinos.
(2) No se conocían los principios básicos (se conocen
empíricamente a mitad del siglo XVIII). Esto puede estar
más cerca de la verdad.
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las Ideas
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en Termodin
Termodinámica
SIGUIENTE
SIGUIENTE PASO
PASO:: EL
EL RENACIMIENTO
RENACIMIENTO
• Arquímedes
(Antigua Grecia) llega a
desarrollar algunas ideas sobre un cañón
accionado por vapor y siglos más tarde sería
considerado por Leonardo da Vinci (que se
conocieron mucho más tarde).
• Las obras de Herón y Arquímedes fueron
traducidas y difundidas en el Renacimiento.
• El aelópilo influencia el desarrollo de
motores primarios de
• Giovanni Battista della Porta (15381615)
• Vannocio Biringuccio (1480-1538)
• Giovanni Branca (1571-1640)
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Termodinámica
M
ÁS SOBRE
MÁS
SOBRE LOS
LOS MOTORES
MOTORES PRIMARIOS
PRIMARIOS
• Salomón de Caus (1576-1626) , experimentó con la presión de vapor
en recipientes esféricos y descubrió que por medio de un tubo podía
producir un chorro de agua para fuentes.
• Otto von Guericke (1602-1686) , alcalde de Magdeburg reconsideró el
trabajo de Herón y Ctesibius de Alejandría: Perfecciona una bomba de
aire desarrollada por Ctesibius y que usó en sus experimentos con el
vacío. Experimentos que le dieron fama:
• Dos grandes hemisferios de cobre unidos para formar una esfera
hermética, a la que se le extrajo el aire. Ni siquiera cuatro pares de
caballos logran separarla.
• Conecta la bomba de aire a un recipiente esférico de cobre. Al
bombear se oyó un estampido y la esfera se arrugó como si fuera
de papel: Existe el vacío y hay efectos por la presión del aire.
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Termodinámica
OTROS
OTROS DESARROLLOS
DESARROLLOS CON
CON MOTORES
MOTORES PRIMARIOS
PRIMARIOS
Y
ÓN DE
ÁLVULA DE
Y APARICI
APARICIÓN
DE LA
LA V
VÁLVULA
DE SEGURIDAD
SEGURIDAD
• Denis Papin (1647-1714), doctor
francés, en 1681 había lanzado a
la luz pública una olla de presión
con válvula de seguridad.
• Más adelante Papin y Huygens
(1629-1695) trabajaron en París
para evacuar aire de un cilindro,
quemando pólvora en su interior.
• Comprueban que la presión en
el cilindro no descendía, sino que
aumentaba considerablemente.
• Se tiene el primer motor a combustión interna: Tomaron
de Guericke la idea de poner un pistón en el cilindro.
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Termodinámica
EL
EL PROBLEMA
PROBLEMA DE
DE ELEVAR
ELEVAR EL
EL AGUA
AGUA
DE
DE LAS
LAS FUENTES
FUENTES
• El primer uso para la máquina de pólvora era
elevar el agua de las fuentes.
• Se le presenta a Luis XIV una versión
perfeccionada del motor para abastecer las
fuentes de Versalles, rechazada por el ministro
de finanzas Jean-Baptiste Colbert.
• En 1687, Papin ejerce como profesor en
Marburg, Alemania: Allí estudia propiedades del
vapor y descubre que puede hacer, de manera
más barata, lo mismo que con la máquina de
pólvora.
• Enfría y condensa el vapor, que resulta más
sencillo.
• Dificultad tecnológica: No existían herrerías
capaces de construir la máquina.
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las Ideas
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Termodinámica
LAS
LAS FUENTES
FUENTES DE
DE LOS
LOS
JARDINES
JARDINES DE
DE KASSEL
KASSEL
• Papin le propone al Duque de Hesse crear una
fábrica para adiestrar los operarios y esto no es
aceptado.
• Papin modifica sus planes originales para
satisfacer al Duque y mejorar los jardines de Kassel.
La planta tardó un año en construirse.
• Las primeras pruebas resultaron un éxito. Después
las tuberías cedieron: Había problema con las
soldaduras y cedían.
• Gottfried Wilhelm von Leibnitz (1646-1716) en una
carta le comunica a Papin que Thomas Savery (16501715) ya había logrado lo que él perseguía.
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Ideas en
en Termodin
Termodinámica
EL
EL PROBLEMA
PROBLEMA DEL
DEL DRENAJE
DRENAJE DE
DE MINAS
MINAS
• El drenaje de minas era un problema severo en Cornwall,
Inglaterra: Las minas se encontraban a lo largo de la costa
y llegaban a extenderse por debajo de la plataforma
submarina.
• En 1695 lo reporta Celia Fiennes (escritora y viajante):
“Ellos (los mineros encargados del drenado) tienen que
trabajar aún en el día del Señor para mantener las minas
secas - mil hombres y niños trabajan en el drenaje de
veinte minas.”
• Fiennes llega a contemplar el abandono de minas donde
el problema del agua se había tornado incontrolable.
• Thomas Savery trabaja en Cornwall y estaba en contacto
directo con los afectados por el problema.
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las Ideas
Ideas en
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Termodinámica
THOMAS
AMIGO DEL
”
THOMAS SAVERY
SAVERY Y
Y EL
EL ““AMIGO
DEL MINERO
MINERO”
• Savery tomó la idea inicial de Papin , pero
abandona el uso del pistón.
• Empuja el vapor producido por la caldera
dentro de un “receptor” (en lugar de la cisterna
anterior) que era parte de un tubo que se
extendía a las cámaras a ser drenadas en la
mina.
• Por condensación del vapor se producía un
vacío que permitía drenar el agua.
• Problemas: (1) Soldaduras que cedían por
acción del calor. (2) La caldera a veces estallaba
por no tener válvula de seguridad.
• Patentada en 1698: “Amigo del Minero”
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en Termodin
Termodinámica
THOMAS
ÓN
THOMAS NEWCOMEN
NEWCOMEN:: EL
EL REGRESO
REGRESO DEL
DEL PIST
PISTÓN
EN
ÁQUINAS DE
EN M
MÁQUINAS
DE DRENADO
DRENADO
• Thomas Newcomen (1663-1729) , comerciante de Dartmouth,
Inglaterra, estaba dedicado a los equipos de minas.
• Visitaba con frecuencia las minas de Staffordshire, que tenían
grandes problemas de agua.
• Newcomen se interesó en las bombas de extracción: Estaba
al tanto de las ideas de Guericke, Papin y Savery.
• En sus ensayos decide revivir la idea del pistón: El cilindrocisterna tenía un pistón, el cual era moldeado como el cilindro,
muy irregular y debía sellarse usando una fina capa de agua.
• Las soldaduras se funden con el calor, entra el agua y se
condensa el vapor. Se produce la caída violenta del pistón.
• Se “rediseña” la máquina para que el “accidente” ocurra a
intervalos regulares.
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Termodinámica
APARECEN
ÁCTICOS PARA
APARECEN OTROS
OTROS USOS
USOS PR
PRÁCTICOS
PARA LA
LA
M
ÁQUINA DE
MÁQUINA
DE VAPOR
VAPOR
• A principios de 1763, Ivan Polsunov (17281766), tenía un proyecto de máquina de vapor
con dos cilindros donde dos pistones de acción
contraria producían un movimiento rotatorio
directo para funcionamiento continuo.
• Propósito: Usarla en las minas de Altai en los
Urales para extracción y trituración en minas de
oro y plata (que operaban por alrededor de un
año). Era desmontable.
• En 1763 no había artesanos capaces de
construir la máquina. Polsunov muere en mayo
de 1766 cuando la máquina está lista.
• Una semana después anda hasta noviembre de
1766.
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LA M
ÁQUINA DE VAPOR DE LA REVOLUCI
ÓN
MÁQUINA
REVOLUCIÓN
INDUSTRIAL
INDUSTRIAL:: JAMES WATT
• En 1760 James Watt (1736-1819), instrumentista e inventor
escocés que inició su carrera en Glasgow como fabricante
de instrumentos para la universidad.
• Repara un modelo de la máquina de Newcomen que tenía
el Departamento de Física.
• La máquina se quedaba sin vapor al cabo de cinco
movimientos y tenía que “descansar” para seguir
funcionando.
• Hallazgo: El vapor perdía calor cuando se inyectaba agua
fría para lograr la condensación. Detecta el problema en
1764.
• Solución: Colocar un condensador separado y se eleva la
eficiencia térmica de la máquina. Proporciona la solución
en mayo de 1765.
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Termodinámica
PRODUCCI
ÓN DE
ÁQUINA DE
PRODUCCIÓN
DE LA
LA M
MÁQUINA
DE VAPOR
VAPOR DE
DE
LA
ÓN INDUSTRIAL
LA REVOLUCI
REVOLUCIÓN
INDUSTRIAL
• Watt obtiene en 1769 la patente por un “nuevo método para
disminuir el consumo de vapor y combustible en las
máquinas térmicas.” Compartida con el industrial John
Roebuck, quien financió la construcción de una máquina
experimental a gran escala.
• Antes de probar la máquina, Roebuck entra en dificultades
económicas.
• Watt entra en sociedad con Matthew Boulton (1728-1809),
quien tenía una fábrica en Birmingham.
• En 1775 se funda Boulton & Watt, primera en producir
motores primarios en gran escala.
• Watt logra la prolongación de la patente hasta 1800 (debía
expirar en 1783).
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las Ideas
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Termodinámica
INSERCI
ÓN DE
ÁQUINA DE
INSERCIÓN
DE LA
LA M
MÁQUINA
DE VAPOR
VAPOR
• El éxito de Boulton & Watt estaba asociado a su sistema comercial de
“arrendamiento.”
• Las máquinas no se vendían (comparable a lo realizado por la IBM a
mediados del siglo XX con sus modelos de computadoras), sino que se
cedían a los clientes a cambio de un pago equivalente a lo que se
ahorraban en combustible cuando usaban una máquina Boulton & Watt
en lugar de una Newcomen del mismo tamaño.
• Watt continuo con el perfeccionamiento de la máquina y en 1781 inventó
el sistema de transmisión planetario para resolver el problema de
transformar el movimiento alternante del pistón en un movimiento
rotatorio.
• En 1782 duplica el rendimiento de la máquina haciéndola de doble
acción.
• En 1794 aparece el cigüeñal que reeplaza el sistema planetario.
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las Ideas
Ideas en
en Termodin
Termodinámica
EXPANSI
ÓN DE
ÁQUINA DE
EXPANSIÓN
DE LA
LA M
MÁQUINA
DE VAPOR
VAPOR
• El siglo XIX pasa a ser el siglo del vapor y da paso
a la revolución industrial donde las máquinas
empiezan a reemplazar el personal obrero en las
fábricas.
• Para el momento de la expiración de la patente de
Boulton & Watt en 1800, la empresa había puesto
en operación mas de 500 máquinas.
• Agitación social: En la segunda década del siglo
XIX los seguidores de Ned Ludd en Inglaterra
provocan disturbios. Atacan y destruyen máquinas
hiladoras (telares) por temor al desempleo que
podían provocar.
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de las
las Ideas
Ideas en
en Termodin
Termodinámica
MIEDO
ÁQUINA DE
MIEDO A
A LA
LA M
MÁQUINA
DE VAPOR
VAPOR
• El alemán Friedrich Koening (1774-
1833) diseñó una prensa para imprimir a
gran velocidad.
• Koening intenta instalar una prensa de
vapor en la Imprenta de Cotta, en
Stuttgart. Un editor afirmo: “Prefiero
trabajar sin un techo en la cabeza antes
de trabajar en un edificio donde haya
una máquina de vapor.”
• Aspectos de seguridad: La máquina
había creado temor público.
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