Como funciona a tecnologia Steam

Uma locomotiva a vapor vintage começa sua jornada saindo da estação. Ryasick / Getty Images

Para testemunhar o incrível poder do vapor, não é preciso ir além da erupção dos gêiseres ou da explosão de gases que ocorre quando a lava atinge o oceano. O homem primitivo testemunhou tais cenas e há muito procura controlar a força bruta do vapor através de tecnologias que vão desde a chaleira básica até a locomotiva a vapor. para a moderna usina nuclear.

Independentemente do nível de tecnologia envolvido, a energia do vapor se resume a um princípio básico:quando a água aquece até o ponto de vaporização, a água vaporizada ocupa mais espaço do que a água líquida. Isso ocorre porque sólidos, líquidos e gases são mantidos juntos por diferentes níveis de forças moleculares. Nos sólidos, as moléculas são compactas. Nos líquidos, eles estão mais distantes. E em gases como o vapor eles estão ainda mais distantes.

Se você aquecer uma lata de sopa no fogo, o conteúdo líquido irá vaporizar e eventualmente se expandir até o ponto onde a lata explodirá para liberar a pressão interna. Quando esta pressão é usada para realizar uma tarefa específica – como girar uma turbina ou fazer uma chaleira apitar – a tecnologia do vapor está aproveitando a energia do vapor. Os métodos de aquecimento, contenção, canalização e utilização do vapor mudaram, mas o princípio básico permanece o mesmo.

Aprender a aproveitar o poder do vapor foi um processo longo. O matemático grego Hero teorizou o uso da tecnologia a vapor na segunda metade do primeiro século. No entanto, passariam bem mais de 1.600 anos antes que a primeira máquina a vapor prática surgisse, abrindo caminho para a invenção da locomotiva a vapor. Movidas por motores a vapor, essas locomotivas aproveitavam a energia do vapor para impulsionar trens por grandes distâncias.

Conteúdo

História antiga do Steam
Os primeiros motores a vapor
Watt e a máquina a vapor
O mecanismo da Cornualha
A Locomotiva a Vapor
Primeiras Locomotivas
Componentes e operação de locomotivas a vapor
Locomotivas a vapor e a Segunda Guerra Mundial
Avanços na tecnologia

História inicial do Steam

Os primeiros registros conhecidos da tecnologia a vapor datam de Alexandria em 75 d.C. O matemático Hero, também conhecido como "Heros" ou "Heron", escreveu três livros sobre mecânica e as propriedades do ar e apresentou planos para uma máquina a vapor simples.

O projeto de Hero exigia uma esfera oca com tubos dobrados emergindo de cada lado dela. Este mecanismo foi então preenchido com água e montado acima do fogo. À medida que o calor fazia com que a água dentro da esfera vaporizasse, o vapor era forçado a sair através dos dois tubos. Essa propulsão a vapor fez com que a esfera girasse – como uma roda girada por foguetes.

O método de Hero para transformar a energia do vapor em movimento foi a base para a tecnologia do vapor posterior. No entanto, um grande número de avanços científicos foram necessários antes que os conceitos por trás de sua turbina a vapor pudessem ser colocados em prática. Embora pessoas como Leonardo da Vinci brincassem com a ideia da energia a vapor (o inventor sugeriu em 1495 que a energia a vapor poderia disparar um projétil), os avanços na engenharia e medições mais precisas de temperatura e tempo ajudaram a pavimentar o caminho para a era do vapor que se aproximava.

Em 1606, Giovanni Battista della Porta de Nápoles registrou suas teorias sobre o papel do vapor na criação do vácuo. Ele teorizou que se a água convertida em vapor dentro de um recipiente fechado resultasse em aumento de pressão, o vapor condensado em água dentro de uma câmara fechada resultaria em diminuição da pressão. Esta nova compreensão do vapor desempenhou um papel vital nos desenvolvimentos futuros.

Em 1679, o cientista e professor de matemática francês Denis Papin conseguiu transformar a teoria de della Porta em realidade através de um projeto surpreendentemente doméstico:o "Digestor ou Motor para Amolecer Ossos". A panela selada foi essencialmente a primeira panela de pressão. Papin expandiu esse dispositivo adicionando um pistão deslizante ao topo de um cilindro fechado cheio de água. Quando aquecido, o vapor em expansão empurrava o pistão para cima. À medida que o vapor esfriava e se tornava líquido novamente, o vácuo resultante puxava o pistão de volta para baixo.

Os primeiros motores a vapor

No final do século XVII, a Inglaterra enfrentou uma crise madeireira à medida que a construção naval e a lenha consumiam as florestas. Os navios eram necessários para o comércio e a defesa, mas o carvão era um substituto adequado para a lenha. No entanto, produzir mais carvão significava cavar minas de carvão mais profundas, o que aumenta a probabilidade de infiltração de água nas minas. De repente, surgiu uma necessidade urgente de novos métodos de bombear água para fora das minas.

Em 1698, Thomas Savery, um engenheiro militar, obteve a patente de uma bomba a vapor e começou a apresentar seu “Amigo do Mineiro” para quem quisesse ouvir. O aparelho consistia em uma câmara de ebulição que direcionava o vapor para um segundo recipiente onde um tubo com válvula de retenção descia até a água que precisava ser retirada. Água fria foi derramada sobre o recipiente de vapor e, à medida que o vapor de água em seu interior esfriava até o estado líquido, o vácuo resultante extraía água de baixo. A água aspirada não conseguiu retornar pela válvula de retenção e foi drenada por outra tubulação.

Infelizmente para Savery, a bomba de vapor não teve o sucesso esperado na indústria mineira. A maior parte de suas vendas foi feita para propriedades privadas que queriam drenar o excesso de água e reaproveitá-la para necessidades domésticas e de jardim. Como o aquecimento e o resfriamento da câmara de vapor tinham que ser gerenciados manualmente, o motor era um tanto impraticável. O motor também só conseguia extrair água de uma profundidade limitada – uma mina profunda exigia uma série de motores instalados em vários níveis.

No entanto, em 1712, o ferreiro Thomas Newcomen e o assistente John Calley, soprador de vidro e encanador, criaram um sistema de bomba movido a vapor mais eficaz. O motor Newcomen combinou a separação da caldeira e do cilindro de vapor de Savery com o pistão movido a vapor de Papin.

Enquanto Savery procurava substituir as bombas convencionais movidas a cavalos por seu motor, Newcomen procurava usar uma bomba movida a vapor para fazer o trabalho dos cavalos. O motor de Newcomen era semelhante ao de Savery. Incluía uma câmara cheia de vapor que era resfriada por uma rápida injeção de água fria para criar uma mudança na pressão atmosférica que induzia vácuo.

Desta vez, porém, a força do vácuo puxou um pistão para baixo e puxou uma corrente que ativou uma bomba na outra extremidade de uma viga suspensa. Quando a água no cilindro do pistão virou vapor novamente, ela empurrou o pistão para cima e um peso do outro lado da viga reinicializou a bomba.