1. Principio físico

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La máquina de vapor es un motor térmico, es decir, un motor que transforma el calor en trabajo mecánico. También el trabajo mecánico puede transformarse en calor, existiendo una perfecta equivalencia entre ambas formas de energía.

 

           La unidad de cantidad de calor habitualmente utilizada en Termodinámica es la Caloría (Cal), que equivale a 4,186 Julios (J), que es la unidad de energía del Sistema Internacional. También equivale a 0,427 Kilográmetros (Kgm), undad ésta del Sistema Técnico. Como ejemplo, imaginemos que al transformar la energía calorífica en trabajo, contenida en un kilogramo de buen carbón de hulla, no existiesen pérdidas, por lo que con este kg. de carbón dando 8.000 kilocalorías, desarrollaría:

             8.000 Kcal X 4,186 = 33.488.000 J, o también

             8.000 Kcal X 0,427 = 3.418.000 Kgm, que durante una hora, darían:

            33.488.000 J / 3.600 s = 9.302,2 watios (W) o 3.418.000 Kgm / 3.600 s = 949,4 Kgm/s, o sea:

            9.302,2 W / 735 o también 949,4 Kgm/s / 75 = 12,66 caballos de vapor (CV), que sigue empleándose como unidad de potencia calorífica.

            Por tanto, la mejor máquina de vapor sería aquella capaz de desarrollar 1 CV con unos 80 gramos de carbón de hulla. En realidad, en esta transformación hay muchas pérdidas y normalmente no se alcanzan rendimientos superiores al 25%, incluso con los motores térmicos modernos, como es el caso de la turbina de vapor.

            En una máquina de vapor la transformación del calor en trabajo se logra gracias a las propiedades elásticas del vapor de agua. Si se calienta agua en una vasija cerrada, el vapor producido tiende a forzar las paredes de vasija con una presión que aumenta a medida que crece la temperatura. Si conducimos este vapor por medio de una tubería a un cilindro dentro del cual puede moverse un émbolo o pistón, el vapor ejercerá su presión sobre el émbolo el cual correrá dentro del cilindro, desarrollando, de esta manera, un trabajo mecánico:

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