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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ÍSICA
HISTORIA DE
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de las
las Ideas
Ideas en
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.
HISTORIA
ÍSICA
HISTORIA DE
DE LA
LA FFÍSICA
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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las Ideas
Ideas en
en Termodin
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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ón de
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Evolución
de las
las Ideas
Ideas en
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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ón de
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Evolución
de las
las Ideas
Ideas en
en Termodin
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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las Ideas
Ideas en
en Termodin
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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las Ideas
Ideas en
en Termodin
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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Ideas en
en Termodin
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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las Ideas
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
en Termodin
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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las Ideas
Ideas en
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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las Ideas
Ideas en
en Termodin
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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Ideas en
en Termodin
Termodinámica
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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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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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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en Termodin
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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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