Ing.Mecanica

M´quina t´rmica de Savery a e
J. G¨´mez ue Departamento de F´sica Aplicada, ı Universidad de Cantabria. 26 de octubre de 2004
Resumen La primera m´quina t´rmica –dispositivo capaz de rea e alizar trabajo mec´nico en procesos c´ a ıclicos empleando un combustible que se quema para ello– construida fue la de Savery. Dise˜ada para extraer agua de las minas inglesas de n carb´n –fue denominada Elamigo del minero–, se emple´ en o o edificios de viviendas para elevar agua. Estas m´quinas utia lizaban tanto la presi´n del vapor de agua a altas tempeo raturas como la presi´n de la atm´sfera cuando el vapor o o condensa y se produce un vac´ parcial. ıo

Introducci´n o
Hasta la invenci´n de las m´quinas de vapor, m´quinas que o a a producen trabajo mec´nico a partir del calor, las unicasm´quinas a ´ a capaces de producir trabajo eran los molinos, molinos de viento y molinos de agua. La m´quina de Savery inici´ el camino de las a o m´quinas t´rmicas. a e La fuerza del vapor del agua y la fuerza de la atm´sfera –en o realidad, la presi´n de vapor del agua y la presi´n atmosf´rica, que o o e ejercidas sobre una superficie dan lugar a una fuerza– son dif´ ıciles de apreciar debido a que engeneral se aplican a ambos lados de una superfcie y el resultado es una fuerza resultante nula. Una demostraci´n de esta fuerza del vac´o –la ejercida sobre o ı una superficie por la diferencia entre la presi´n atmosf´rica de un o e lado y el vac´ de otro– se tiene cuando se extrae el aire del interior ıo de un recipiente deformable –una botella de pl´stico, por ejemplo– a 1

Figura 1: El airedel interior de una botella de pl´stico flexible se exa trae utilizando vapor de agua producido calentando agua mediante el calor desprendido en la combusti´n de butano. Una vez la botella o se cierra herm´ticamente, al disminuir la temperatura en su interior e la fuerza ejercida por presi´n atmosf´rica la deforma por completo. o e utilizando vapor de agua y cerrando herm´ticamente el recipiente eposteriormente. A medida que la temperatura disminuye en el interior del recipiente la presi´n de vapor del vapor del agua disminuye tambi´n. o e La diferencia de presiones entre el interior del recipiente –la ejercida por el vapor– y el exterior del mismo –la ejercida por la atm´sfera– o es tal que el recipiente se deforma por completo (Fig. 1). Otra demostraci´n muy visual de la fuerza de lapresi´n ato o mosf´rica –cuando al otro lado hay una presi´n menor– se obtiene e o cuando se cierra la boca de un matraz, en el que previamente se ha hervido agua tiempo suficiente como para evacuar todo el aire de su interior, mediante un huevo cocido –desprovisto de c´scara–. En a cuanto la temperatura en el interior del matraz disminuye, la presi´n de vapor del agua en su interior tambi´n lo hace yla diferencia o e entre ´sta y la presi´n atmosf´rica hace que aparezca una fuerza e o e neta que introduce el huevo en el interior del matraz (Fig. 2).

M´quina de Savery a
La m´quina de Savery fue la primera m´quina dise˜ada espec´ a a n ıficamente para aprovechar tanto la fuerza del vac´ como la fuerza ıo del vapor para realizar un trabajo mec´nico, en su caso, elevar una a cantidad de aguadesde una cota baja hasta una cota alta en un campo gravitatorio (energ´ potencial gravitatoria). ıa En la Fig. 3 se muestra una figura de la m´quina de Savery, a 2

(a)

(b)

(c)

Figura 2: Un huevo cocido –sin c´scara– (a) cierra la boca de un a matraz en el que previamente se ha hervido agua; (b) la presi´n o atmosf´rica empuja el huevo hacia el interior del matraz y (c) cone sigue hacerpasar el huevo por el gollete del mismo. La onda de choque producida por el aire entrando en el matraz es claramente audible. dise˜ada a finales de siglo XVIII para extraer agua de las minas n de carb´n de Inglaterra –aunque nunca fue utilizada para ello, emo ple´ndose para elevar agua hasta los pisos superiores de los edificios a de viviendas en Londres y otras ciudades–. El vapor de agua que...