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Máquina de vapor

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Máquina de vapor. Veja-se também a Animação gif de uma máquina de vapor.

Uma máquina de vapor é um motor de combustão externa que transforma a energia térmica de uma quantidade de vapor de água em energia mecânica. Em esencia, o ciclo de trabalho realiza-se em duas etapas:

O motor ou máquina de vapor utilizou-se extensamente durante a Revolução Industrial, em cujo desenvolvimento teve um papel relevante para mover máquinas e aparelhos tão diversos como bombas, locomotoras, motores marinhos, etc. As modernas máquinas de vapor utilizadas na geração de energia eléctrica não são já de émbolo ou deslocação positiva como as descritas, senão que são turbomáquinas; isto é, são atravessadas por um fluxo contínuo de vapor e recebem a denominação genérica de turbinas de vapor. Na actualidade a máquina de vapor alternativa é um motor muito pouco usado salvo para serviços auxiliares, já que viu-se deslocado especialmente pelo motor eléctrico na maquinaria industrial e pelo motor de combustão interna no transporte.

Conteúdo

Evolução histórica

A máquina de vapor tem sido o motor inicial da Revolução Industrial que impulsiona à actualidade. Na máquina de vapor baseia-se a Primeira Revolução Industrial que desde fins do século XVIII na Inglaterra e desde quase mediados do século XIX acelerou portentosamente o desenvolvimento económico de muitos dos principais estados da Europa Ocidental e dos Estados Unidos, só na interfase que ocorreu entre 1890 — 1930 a máquina a vapor impulsionada por hulla deixou lugar a outros motores de combustão interna; aqueles impulsionados por hidrocarburos derivados do petróleo. Muitos têm sido os autores que têm tentado determinar a data da invenção da máquina de vapor a atribuindo a tal ou qual inventor; tentativa que tinha sido em vão, já que a história de seu desenvolvimento estava plagada de nomes próprios. Desde a recopilación de Herón até a sofisticada máquina de Watt são multidão as melhoras que na Inglaterra e especialmente no contexto de uma incipiente Revolução Industrial nos séculos XVII e XVIII conduziram sem solução de continuidade desde os rudimentarios primeiros aparelhos sem aplicação prática à invenção do motor universal que chegou a se implantar em todas as indústrias e a utilizar no transporte, deslocando os tradicionais motores como o animal de tiro, o molino ou a própria força do homem. Jerónimo de Ayanz e Beaumont, militar, pintor, cosmógrafo e músico, mas, sobretudo, inventor espanhol registou em 1606 a primeira patente de uma máquina de vapor moderna, pelo que se lhe pode atribuir a invenção da máquina de vapor. O facto de que o conhecimento desta patente é bastante recente faz que este dado seja desconhecido pela grande maioria da gente.

Máquina de expansão

Motor a vapor de triplo expansão.

Auspiciado por Joseph Black, ocupado nas investigações que conduzir-lhe-iam à descoberta do calor latente, James Watt se propôs melhorar a máquina de Newcomen, descobrindo no curso de seus experimentos que o vapor era uma reserva de calor bem mais vasta que a água e compreendendo que era necessário limitar todas as perdas de calor que se produziam na artesanal máquina de Newcomen para diminuir o consumo de combustível, principal inconveniente destas máquinas. Analisando o problema identificou as perdas devidas ao próprio cilindro, à prática de arrefecer o vapor para conseguir o vazio necessário para mover a máquina e à pressão residual do vapor. Em seus experimentos posteriores, verdadeiros trabalhos científicos, chegou à conclusão de que o cilindro devia se manter à mesma temperatura que o vapora.

Segundo suas palavras, enquanto dava um passeio um espléndido sábado pela tarde e meditava sobre a máquina, uma ideia veio-lhe à cabeça: como o vapor é um corpo elástico precipitar-se-á no vazio, e, se se comunicasse o cilindro com um depósito exhausto, precipitar-se-ia em seu interior onde poderia condensarse sem arrefecer o cilindro. No entanto, o desenvolvimento e perfeccionamiento do condensador separado deixou a Watt na ruína e em 1765 viu-se obrigado a procurar emprego e abandonar seu trabalho até que, em 1767 , John Roebuck acedeu a financiar seus experimentos e a exploração comercial da máquina a mudança das duas terceiras partes dos benefícios da patente que se obtivesse. Em 1768 Watt construiu um modelo que operava de maneira satisfatória, ainda imperfecta, e se apresentou no ano seguinte a solicitação da patente. Depois de diferentes avatares económicos, Roebuck desprendeu-se de sua parte do negócio em favor de Matthew Boulton e juntos Boulton & Watt finalmente levariam à prática a invenção de Watt e outros perfeccionamientos.

A primeira máquina construiu-se em Kinneil, cerca de Boroughstoness em 1774 . A partir de então a história da máquina de vapor será a da assinatura Boulton & Watt, e quase todas as melhoras que se introduzam nela serão obra do próprio Watt; entre outras, o paralelogramo de Watt, a expansão do vapor, a máquina de duplo efeito (na que o vapor actua alternativamente sobre ambas caras do pistão), etc.

Máquina de vapor de Watt, procedente da Fábrica Nacional de Moeda e Timbre, exposta no vestíbulo da Escola Técnica Superior de Engenheiros Industriais de Madri.

Primeiras tentativas

Máquina de vapor.

Não se sabe a ciência verdadeira se aquelas invenções não passaram de ser meros brinquedos e, ainda que se supôs que foram empregues para mover objectos nos templos durante os rituales, não deixa de surpreender o facto de que desde os tempos de Herón não se tenham encontrado evidências de que o vapor se tenha utilizado com um propósito prático, ainda que o conhecimento do poder do vapor não chegasse a se perder como demonstra a descrição de Malmesbury do órgão de Reims que em 1120 se fazia soar pelo ar que escapava de um depósito no que era comprimir por "água aquecida".

Entre as reliquias da civilização egípcia encontramos o primeiro registo conhecido de uma máquina de vapor no manuscrito de Herón de Alejandría titulado Spiritalia seu Pneumatica. Os aparelhos ali descritos não se sabe com certeza se foram obra do talento de Herón porque ele mesmo diz em sua obra que sua intenção não é outra que reunir as máquinas que já eram conhecidas e acrescentar as inventadas por ele. Nada no texto indica quem pôde ser o artífice dos dispositivos descritos e se suspeita que muitos possam ser, em realidade, obra de Ctesibio, de quem Herón foi pupilo.

A proposição 11 de Pneumatica descreve um altar oco parcialmente, cheio de água, sobre o que há uma figura em cujo interior há um cano que termina submergido na água. Ao acender um fogo sobre o altar o ar de seu interior aquece-se impulsionando a água pelo cano, que termina se vertendo através da figura, simulando uma libación que finalmente sufoca o fogo. Na proposição 37 vai um pouco para além e descreve um mecanismo animado pelo fogo para a abertura e o fechamento automáticos das portas de um templo. Em outras proposições descreve mecanismos similares e inclusive dois motores a reacção, um por ar quente e outro por vapor de água, para fazer girar as figuras de um altar.

Em 1825 o superintendente do Arquivo de Simancas descobriu uma publicação de 1695 que relatava que em 1543 Blasco de Garay, oficial da marinha espanhola, no reinado de Carlos I, tentou impulsionar um barco com rodas de pás movidas por uma máquina de vapor. Do suposto motor não se têm dados mas se fosse verdadeiro a tentativa tivesse sido a primeira vez que uma máquina de vapor se utilizasse com um propósito prático.

Em 1601 , Giovanni Battista della Porta descreve um aparelho para elevar a água por médio do fogo, similar ao descrito por Herón mas empregando vapor de água para impulsionar o líquido, e em 1615 Salomón de Caus descreve um aparelho similar para fazer funcionar uma fonte. Mas a primeira patente da que se tem constancia documental é de Jerónimo de Ayanz e Beaumont, que em 1606 regista[1] uma máquina de vapor utilizada com sucesso para o desagüe das minas de prata de Guadalcanal.

O comum denominador de todas estas tentativas é um cano submergido até praticamente o fundo do recipiente de água por onde esta ascende ao se incrementar a pressão na superfície livre do líquido, trabalhos directamente relacionados com os estudos teóricos de Galileo , Torricelli, Pascal e Von Guericke sobre a pressão atmosférica que conduziram em meados do século XVII ao abandono da teoria do horror vacui.

A primeira máquina foi inventada por Eduard Somerset, segundo marqués de Worcester, em 1663, e por sua descrição é muito similar, conceitualmente, à fonte de Caus, conquanto da máquina de Somerset construiu-se um modelo em Vauxhall (cerca de Londres) no castelo Rawlan em torno de 1665, com o propósito de elevar a água aos andares superiores da construção. Com as especificações técnicas escritas e as impressões deixadas nos muros do castelo Dircks —biógrafo de Somerset— pôde reconstruir a máquina construída em Vauxhall.

No entanto, Somerset não pôde atrair os capitais necessários para produzir e vender sua máquina e morreu na pobreza. Este é, possivelmente, o facto que faz que se tenha atribuído a Thomas Savery a invenção da máquina de Somerset, sobre a que obteve uma patente em 1698 . Conhecendo, segundo afirmam vários autores, os trabalhos de seu predecessor e no que influiu, sem dúvida, o proselitismo realizado por Savery, quem não deixou passar ocasião para mostrar sua máquina. Entre ambos há que mencionar a Samuel Morland, Maestro Mecânico no corte de Carlos II e residente em Vauxhall, que construiu e patenteou máquinas diversas, entre elas versões melhoradas da máquina de Somerset, sugerindo Hutton que, em realidade, Savery pôde ter um maior conhecimento dos trabalhos de Morland que os do próprio Somerset.

Apesar de tudo, a máquina de Savery se introduziu nas minas inglesas de forma muito limitada pelo risco de explosão devido a um incremento incontrolado da pressão na máquina. Desaguliers relata que um trabalhador ignorante da natureza da máquina à que ele tinha acrescentado uma válvula de segurança inventada anos dantes por Denis Papin «...pendurou o peso no extremo da romana para obter mais vapor e trabalhar mais depressa e acrescentou ademais um ferro muito pesado com consequências fatais, o vapor não foi capaz de levantar semelhante contrapeso e acumulando no interior da caldera provocou uma grande explosão que acabou com a vida do pobre homem.» Provavelmente seja este o primeiro acidente trabalhista com uma máquina de vapor do que se tem constancia.

A diferença dos dispositivos anteriores, nos que o vapor actua sobre a própria superfície livre da água para a impulsionar, Huygens desenha em 1680 um aparelho de pistão no que o fluído é o ar quente produzido em uma explosão que ao se arrefecer e se contrair arrasta o émbolo, elevando um peso. Anos mais tarde Papin (1690) substitui o ar por vapor de água e, inclusive, em uma modificação posterior (1695) desenha um forno e gerador de vapor de grande eficiência, com o que consegue importantes poupanças de combustível e até quatro golpes do pistão por minuto. Sem sabê-lo, Papin encontrava-se bem perto de desenvolver a máquina de vapor. No entanto, em 1705 Leibniz faz-lhe chegar um desenho da máquina de Savery e, dois anos, mais tarde desenha um novo tipo de máquina para elevar a água, modificação da de Savery, na que abandona o modelo de Huygens , o que supôs um evidente retrocesso.

A máquina a vapor em Espanha

Um dos episódios mais interessantes da máquina de vapor em Espanha se deu em 1783 , quando o Conde de Floridablanca encomendou a Tomás Pérez e Estala, cerrajero de profissão, tarefas de inspecção e assessoramento técnico, uma espécie de espionagem industrial muito próprio da época. Em 1786 negociou com Wilkinson, na Inglaterra, a aquisição clandestina das peças mais importantes de três máquinas a vapor.

Veja-se também

Referências

  1. García Tapia, N. e Carrillo Castillo, J. Tecnologia e Império. Ed. Nivola, Madri 2002, p 144

Enlaces externos

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