Máquina a vapor – o motor a vapor

Uma  máquina a vapor, ou um motor térmico que executa trabalho mecânico usando vapor, foi descrito pela primeira vez no século I dC. No entanto, foram os projetos do motor de Savery em 1698 e o motor de Newcomen em 1712 que foram usados ​​pela primeira vez comercialmente e inspiraram o desenvolvimento da tecnologia de vapor.

Introdução do motor a vapor

Um motor a vapor é um motor térmico que realiza trabalho mecânico usando vapor. A história da máquina a vapor remonta ao século I dC. O matemático grego Hero of Alexandria descreveu a primeira máquina a vapor rudimentar registrada, conhecida como aeolipile. Nos séculos seguintes, os poucos motores a vapor iniciais foram, como o aeolipile, dispositivos experimentais usados ​​pelos inventores para demonstrar as propriedades do vapor. Um dispositivo de turbina a vapor rudimentar foi descrito por Taqi al-Din em 1551 e por Giovanni Branca em 1629. Jerónimo de Ayanz y Beaumont recebeu patentes em 1606 por 50 invenções movidas a vapor, incluindo uma bomba de água para drenar as minas inundadas. Denis Papin, um refugiado huguenote, avançou na construção do digestor a vapor em 1679 e primeiro usou um pistão para levantar pesos em 1690.

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Mecanismo do Savery

O primeiro dispositivo comercial movido a vapor foi uma bomba de água desenvolvida em 1698 por Thomas Savery, que o demonstrou à Royal Society um ano depois. A patente não tem ilustrações nem descrição, mas em 1702 Savery descreveu a máquina em seu livro O amigo do mineiro, ou, um motor para elevar a água pelo fogo., em que ele alegou que poderia bombear a água das minas. O motor de Savery não tinha pistão nem partes móveis, exceto as torneiras. Foi operado pela primeira vez levantando vapor na caldeira e, em seguida, admitindo-o a um dos primeiros navios de trabalho, permitindo que ele soprasse através de um tubo de descida até a água a ser erguida. Quando o sistema estava quente e, portanto, cheio de vapor, a derivação entre a caldeira e o vaso de trabalho era fechada e, se necessário, o exterior do vaso era resfriado. Isso fez com que o vapor no seu interior se condensasse, criando um vácuo parcial, e a pressão atmosférica empurrou a água pelo tubo de descida até que o recipiente estivesse cheio. Neste ponto, a torneira abaixo do navio foi fechada e a torneira entre ela e o tubo aberto se abriu, e mais vapor foi admitido da caldeira. Enquanto a pressão do vapor aumentava,

A patente original de Savery de julho de 1698 deu 14 anos de proteção. No ano seguinte, foi aprovada uma lei do Parlamento, que estendeu sua proteção por mais 21 anos. Este ato tornou-se conhecido como o ato do motor de fogo. A patente de Savery abrangia todos os motores que elevavam a água pelo fogo e, portanto, desempenhavam um papel importante na formação do desenvolvimento inicial de máquinas a vapor nas Ilhas Britânicas.

Seguindo o design de Savery, os motores pequenos eram eficazes, mas os modelos maiores eram problemáticos. Eles provaram apenas ter uma altura de elevação limitada e eram propensos a explosões de caldeiras. O motor recebeu algum uso em minas, estações de bombeamento e no fornecimento de rodas d’água usadas para alimentar máquinas têxteis. Uma característica atraente do mecanismo Savery foi seu baixo custo. Bento de Moura Portugal introduziu um aprimoramento engenhoso da construção de Savery “para torná-lo capaz de trabalhar em si”, como descrito por John Smeaton em 1751. Ele continuou a ser fabricado até o final do século XVIII. Um motor ainda estava operando em 1820.

Motor de Newcomen

O primeiro motor comercialmente bem sucedido que poderia gerar energia e transmiti-lo a uma máquina foi o motor atmosférico inventado por Thomas Newcomen por volta de 1712. Foi uma melhoria em relação à bomba de vapor de Savery, usando um pistão como proposto por Papin. Newcomen substituiu a embarcação receptora (onde o vapor era condensado) com um cilindro contendo um pistão baseado no desenho de Papin. Em vez do desenho a vácuo na água, ele puxou o pistão para baixo. Isto foi usado para trabalhar um motor de feixe, no qual uma grande viga de madeira balançou sobre um fulcro central. Do outro lado do feixe, havia uma corrente presa a uma bomba na base da mina. Quando o cilindro de vapor foi reabastecido com vapor, preparando-o para o próximo curso de energia, a água foi puxada para dentro do cilindro da bomba e expelida em um tubo para a superfície pelo peso do maquinário.

Newcomen e seu sócio John Calley construíram o primeiro motor bem-sucedido deste tipo na Conygree Coalworks, perto de Dudley, em West Midlands. O motor era relativamente ineficiente e na maioria dos casos era usado para bombear água. Era empregado para drenar meus trabalhos em profundidades anteriormente impossíveis, e também para fornecer um suprimento de água reutilizável para dirigir rodas d’água em fábricas situadas longe de uma “cabeça” adequada. A água que tinha passado sobre a roda foi bombeada de volta para um reservatório de armazenamento acima a roda.

O motor de Newcomen operado pela condensação de vapor no cilindro, criando assim um vácuo parcial e permitindo que a pressão atmosférica empurre o pistão para dentro do cilindro. Foi o primeiro dispositivo prático a aproveitar o vapor para produzir trabalho mecânico.

O motor de Newcomen manteve o seu lugar sem alterações materiais durante cerca de 75 anos, espalhando-se gradualmente para mais áreas do Reino Unido e da Europa continental. Inicialmente foram usados ​​cilindros de latão, mas estes eram caros e limitados em tamanho. Novas técnicas de fundição de ferro, lançadas pela Coalbrookdale Company na década de 1720, permitiram o uso de cilindros maiores, de até 1,80 metro de diâmetro na década de 1760. A experiência levou a uma melhor construção e pequenos refinamentos no layout. Seus detalhes mecânicos foram muito melhorados por John Smeaton, que construiu muitos motores grandes desse tipo no início da década de 1770, e suas melhorias foram rapidamente adotadas. Em 1775, cerca de 600 motores de Newcomen haviam sido construídos.

Boulton e Watt

A máquina a vapor de Boulton e Watt levou à substituição da roda d’água e cavalos como as principais fontes de energia para a indústria britânica, liberando-a das restrições geográficas e se tornando um dos principais impulsionadores da Revolução Industrial.

James Watt: Melhorando o mecanismo de Newcomen

Em 1698, o designer mecânico inglês Thomas Savery inventou um aparelho de bombeamento que usava vapor para extrair água diretamente de um poço por meio de um vácuo criado pela condensação do vapor. O aparelho também foi proposto para drenar as minas, mas só poderia extrair fluido de aproximadamente 25 pés, o que significa que ele deveria estar localizado dentro dessa distância do chão da mina. Como as minas se tornaram mais profundas, isso muitas vezes era impraticável. A solução para drenar minas profundas foi encontrada por Thomas Newcomen, que desenvolveu um motor atmosférico que também trabalhou no princípio do vácuo. O mecanismo de Newcomen era mais poderoso que o mecanismo Savery. Pela primeira vez, a água poderia ser elevada a uma profundidade de mais de 50 metros. No entanto, enquanto os motores Newcomen trouxeram benefícios práticos, eles foram ineficientes em termos de uso de energia. O sistema de enviar alternadamente jatos de vapor e água fria no cilindro significava que as paredes do cilindro eram alternadamente aquecidas, depois resfriadas a cada curso. Cada carga de vapor introduzida continuaria condensando-se até que o cilindro se aproximasse da temperatura de trabalho novamente, de modo que a cada golpe a parte do potencial do vapor era perdida.

Em 1763, James Watt estava trabalhando como fabricante de instrumentos na Universidade de Glasgow, quando foi designado para o trabalho de consertar um modelo de motor Newcomen e notou o quão ineficiente era. Em 1765, Watt concebeu a idéia de equipar o motor com uma câmara de condensação separada, que ele chamou de condensador. Como o condensador e o cilindro de trabalho estavam separados, a condensação ocorreu sem perda significativa de calor do cilindro. O condensador permaneceu frio e abaixo da pressão atmosférica em todos os momentos, enquanto o cilindro permaneceu quente em todos os momentos. O vapor foi retirado da caldeira para o cilindro sob o pistão. Quando o pistão atingiu o topo do cilindro, a válvula de entrada de vapor foi fechada e a válvula que controla a passagem para o condensador foi aberta. A menor pressão do condensador, levou o vapor para dentro do cilindro, onde ele resfriado e condensado do vapor de água para a água líquida, mantendo um vácuo parcial no condensador que foi comunicada ao espaço do cilindro pela passagem de conexão. A pressão atmosférica externa empurrou o pistão para baixo do cilindro.

A separação do cilindro e do condensador eliminou a perda de calor que ocorreu quando o vapor foi condensado no cilindro de trabalho de um motor Newcomen. Isso deu ao motor Watt maior eficiência do que o motor Newcomen, reduzindo a quantidade de carvão consumida enquanto fazia a mesma quantidade de trabalho. No projeto de Watt, a água fria foi injetada apenas na câmara de condensação. Este tipo de condensador é conhecido como condensador de jato .

A próxima melhoria de Watt para o projeto de Newcomen foi selar o topo do cilindro e envolvê-lo com uma jaqueta. O vapor foi passado através da jaqueta antes de ser admitido abaixo do pistão, mantendo o pistão e o cilindro aquecidos para evitar a condensação dentro dele. Watt não utilizou vapor de alta pressão devido a questões de segurança, embora ele estivesse ciente de seu potencial e incluísse amplo conhecimento prático em sua patente de 1782. Essas melhorias levaram à versão totalmente desenvolvida de 1776 que realmente entrou em produção.

Boulton e Watt unem forças

O condensador separado mostrou um potencial dramático para melhorias no motor de Newcomen, mas o Watt ainda era desencorajado por problemas aparentemente intransponíveis antes que um motor comercializável pudesse ser aperfeiçoado. Foi só depois de entrar em parceria com Matthew Boulton que isso se tornou realidade. Watt disse a Boulton sobre suas ideias para melhorar o motor e Boulton, um ávido empreendedor, concordou em financiar o desenvolvimento de um motor de teste no Soho, perto de Birmingham. Por fim, a Watt tinha acesso a instalações e à experiência prática de artesãos que logo conseguiram o primeiro motor funcionando. Como totalmente desenvolvido, usou cerca de 75% menos combustível do que um modelo similar de Newcomen.

O motor a vapor Boulton and Watt (também conhecido como motor Watt), desenvolvido esporadicamente de 1763 a 1775, foi uma melhoria no design do motor Newcomen e foi um ponto-chave na Revolução Industrial.

Em 1775, Watt projetou dois grandes motores: um para a Bloomfield Colliery em Tipton e um para o ferro fundido de John Wilkinson em Willey, Shropshire, ambos concluídos em 1776. Um terceiro motor, em Stratford-le-Bow, no leste de Londres, também estava trabalhando ano. A prática da Boulton and Watt era ajudar os proprietários de minas e outros clientes a construir motores, fornecendo homens para erguê-los e peças especializadas. No entanto, o principal lucro de sua patente foi derivado da cobrança de uma taxa de licença aos proprietários do mecanismo, com base no custo do combustível economizado. A maior eficiência de combustível de seus motores significava que eles eram mais atraentes em áreas onde o combustível era caro, particularmente na Cornualha, para a qual três motores foram encomendados em 1777.

Melhorias posteriores

Os primeiros motores Watt eram motores de pressão atmosférica, como o motor Newcomen, mas com a condensação separada do cilindro. Conduzir os motores usando vapor de baixa pressão e vácuo parcial aumentou a possibilidade de desenvolvimento de motor alternativo. Um arranjo de válvulas pode alternadamente admitir vapor de baixa pressão no cilindro e conectar-se ao condensador. Consequentemente, a direção do golpe de força pode ser invertida, facilitando a obtenção de movimento rotativo. Os benefícios adicionais do motor de ação dupla foram maior eficiência, maior velocidade (maior potência) e mais movimento regular.

Antes do desenvolvimento do pistão de ação dupla, e para o feixe e a haste do pistão eram ligados por uma corrente, o que significava que a potência só poderia ser aplicada em uma direção, puxando. Isso foi eficaz em motores usados ​​para bombear água, mas a dupla ação do pistão significava que ele poderia empurrar e puxar. Além disso, não foi possível conectar diretamente a haste do cilindro vedadopara o feixe, porque enquanto a vara se movia verticalmente em linha reta, o feixe era girado em seu centro com cada lado inscrevendo um arco. Para unir as ações conflitantes do raio e do pistão, Watt desenvolveu seu movimento paralelo. Esta obra-prima de engenharia utiliza uma articulação de quatro barras acoplada a um pantógrafo (um tipo de coletor de corrente) para produzir o movimento de linha reta necessário de maneira muito mais barata do que se ele tivesse usado um tipo de articulação deslizante. Ele estava muito orgulhoso de sua solução.

Em uma carta a seu filho em 1808, James Watt escreveu: “Estou mais orgulhoso do movimento paralelo do que de qualquer outra invenção que já fiz”. O esboço que ele incluiu na verdade mostra o que agora é conhecido como a ligação de Watt, descrita na patente de Watt de 1784, mas foi imediatamente substituído pelo movimento paralelo. O movimento paralelo diferiu da ligação de Watt por ter uma ligação pantográfica adicional incorporada no projeto. Isso não afetou o princípio fundamental, mas permitiu que a sala de máquinas fosse menor, porque a articulação era mais compacta.

Ter o feixe conectado ao eixo do pistão por meio de uma força aplicada alternadamente em ambas as direções também significava que o movimento do feixe poderia ser usado para girar uma roda. A solução mais simples para transformar a ação do feixe em um movimento giratório era conectar o feixe a uma roda por meio de uma manivela, mas como outra parte tinha direitos de patente sobre o uso da manivela, Watt foi obrigado a apresentar outra solução. Adotou o sistema epicíclico de sol e engrenagem planetária sugerido pelo funcionário William Murdoch, que só mais tarde reverteria, uma vez expirados os direitos de patente, para a manivela mais familiar vista hoje na maioria dos motores. A roda principal ligada à manivela era grande e pesada, servindo como um volante que, uma vez acionado, por seu momento mantinha uma potência constante e suavizava a ação dos movimentos alternados. Para seu eixo central rotativo, correias e engrenagens poderiam ser acopladas para acionar uma grande variedade de máquinas. Como o maquinário de fábrica precisava operar a uma velocidade constante, Watt ligava uma válvula reguladora de vapor a um regulador centrífugo, que ele adaptava daqueles usados ​​para controlar automaticamente a velocidade dos moinhos de vento.

Essas melhorias permitiram que a máquina a vapor substituísse a roda d’água e os cavalos como as principais fontes de energia para a indústria britânica, livrando-a das restrições geográficas e tornando-se um dos principais impulsionadores da Revolução Industrial. Watt também estava preocupado com pesquisas fundamentais sobre o funcionamento do motor a vapor. Seu dispositivo de medição mais notável, ainda em uso hoje, é o indicador Watt, incorporando um manômetro para medir a pressão do vapor dentro do cilindro de acordo com a posição do pistão. Isto permitiu produzir um diagrama representando a pressão do vapor em função do seu volume ao longo do ciclo.

A propagação do poder do vapor

Os motores a vapor encontraram muitos usos em uma variedade de indústrias, principalmente mineração e transporte, mas sua popularização moldou quase todos os aspectos da sociedade industrial, inclusive onde as pessoas podiam viver, trabalhar e viajar; como as mercadorias foram produzidas, comercializadas e vendidas; e que inovações tecnológicas seguiram.

Revolução do motor a vapor

A máquina a vapor foi uma das tecnologias mais importantes da Revolução Industrial, embora o vapor não tenha substituído a importância da água na Grã-Bretanha até depois da Revolução Industrial. Dos ingleses, o primeiro motor prático de pressão atmosférica de Thomas Savery (1698) e o motor atmosférico de Thomas Newcomen (1712), através de grandes desenvolvimentos do inventor escocês e engenheiro mecânico James Watt, o motor a vapor foi usado em muitos ambientes industriais. Em 1775, a Watt formou uma parceria de engenharia e construção de motores com o fabricante Matthew Boulton, que se tornou um dos negócios mais importantes da Revolução Industrial e serviu como um centro técnico criativo para grande parte da economia britânica. Os parceiros resolveram problemas técnicos e espalharam as soluções para outras empresas. Empresas semelhantes fizeram o mesmo em outras indústrias e foram especialmente importantes na indústria de máquinas-ferramenta. Essas interações entre empresas reduziram a quantidade de tempo e despesas de pesquisa que cada empresa precisou gastar trabalhando com seus próprios recursos. Os avanços tecnológicos da Revolução Industrial ocorreram mais rapidamente porque as empresas freqüentemente compartilhavam informações que poderiam usar para criar novas técnicas ou produtos.

Principais aplicativos

De minas a moinhos, os motores a vapor encontraram muitos usos em uma variedade de indústrias. A introdução de motores a vapor melhorou a produtividade e a tecnologia e permitiu a criação de motores menores e melhores. Até cerca de 1800, o tipo mais comum de motor a vapor era o motor de feixe, construído como parte integrante de uma casa de máquinas de pedra ou tijolo, mas logo vários padrões de motores rotativos independentes (facilmente removíveis, mas não sobre rodas) foram desenvolvido, como o motor de mesa. Por volta do início do século 19, o engenheiro da Cornualha Richard Trevithick e o americano Oliver Evans começaram a construir motores a vapor de alta pressão e sem condensação, exaustos contra a atmosfera. Depois do desenvolvimento de Trevithick, as aplicações de transporte tornaram-se possíveis e os motores a vapor entraram em barcos, ferrovias, fazendas e veículos rodoviários.

O motor a vapor foi originalmente inventado e aperfeiçoado para ser usado em minas. Antes do motor a vapor, os poços rasos seguiam uma camada de carvão ao longo da superfície e foram abandonados quando o carvão foi extraído. Em outros casos, se a geologia era favorável, o carvão era extraído por uma mina à deriva na encosta de uma colina. A mineração do eixo foi feita em algumas áreas, mas o fator limitante foi o problema de remover a água. Isso poderia ser feito transportando baldes de água no poço ou em um túnel em direção a uma colina. Em ambos os casos, a água teve que ser descarregada em um córrego ou vala a um nível em que poderia fluir pela gravidade. A introdução da bomba de vapor por Savery em 1698 e o motor a vapor de Newcomen em 1712 facilitou muito a remoção de água e permitiu que os poços se tornassem mais profundos, permitindo que mais carvão fosse extraído.

No início da Revolução Industrial, o transporte terrestre era feito por rios e estradas navegáveis, com embarcações costeiras empregadas para movimentar mercadorias pesadas por via marítima. Manobras de vagões eram usadas para transportar carvão para os rios para posterior embarque, mas os canais ainda não haviam sido amplamente construídos. Os animais forneciam toda a força motriz em terra, com as velas fornecendo a força motriz no mar. As primeiras ferrovias a cavalo foram introduzidas no final do século XVIII, com locomotivas a vapor introduzidas nas primeiras décadas do século XIX. As locomotivas a vapor foram inventadas após a introdução de motores a vapor de alta pressão quando a patente de Boulton e Watt expirou em 1800. Os motores de alta pressão esgotaram o vapor usado para a atmosfera, eliminando o condensador e a água de resfriamento. Algumas dessas primeiras locomotivas foram usadas em minas. Estradas de ferro públicas a vapor começaram com a Stockton and Darlington Railway em 1825. O uso de motores a vapor nas ferrovias se mostrou extraordinário no fato de que agora você poderia ter grandes quantidades de mercadorias e matérias-primas entregues a cidades e fábricas. Os trens podiam entregá-los a lugares distantes, com uma fração do custo de viagem de carroça.

Particularmente nos Estados Unidos, a introdução e o desenvolvimento do barco a vapor resultaram em grandes mudanças. Antes do barco a vapor, geralmente os rios eram usados ​​apenas no transporte de mercadorias de leste a oeste, e de norte a sul, já que lutar contra a corrente era muito difícil e muitas vezes impossível. Barcos não motorizados e balsas foram montados a montante para transportar carga a jusante, e muitas vezes seriam desmontados no final de sua jornada e os restos usados ​​para construir casas e prédios comerciais. Após o advento do barco a vapor, os EUA tiveram um crescimento incrível no transporte de mercadorias e pessoas, o que foi fundamental na expansão para o oeste. O barco a vapor reduziu drasticamente o tempo usado para transportar mercadorias e permitiu maior especialização. Também foi fundamental para facilitar o comércio interno de escravos.

Com o barco a vapor veio a necessidade de um sistema fluvial melhorado. O sistema fluvial natural produziu obstáculos como corredeiras, bancos de areia, águas rasas e cachoeiras. Para superar esses obstáculos naturais, foi construída uma rede de canais, eclusas e represas. Isso aumentou a demanda por mão de obra ao longo dos rios, resultando em um tremendo crescimento de empregos. A popularização do barco a vapor também levou diretamente ao crescimento das indústrias de carvão e seguros e à demanda por instalações de reparo ao longo dos rios. Além disso, a demanda por bens em geral aumentou à medida que o barco a vapor tornou o transporte para novos destinos de grande alcance e eficiência.

Antes do barco a vapor, podia levar entre três e quatro meses para fazer a passagem de Nova Orleans para Louisville, com uma média de trinta quilômetros por dia. Com o barco a vapor, esse tempo foi reduzido drasticamente com viagens de vinte e cinco a trinta e cinco dias. Isso foi especialmente benéfico para os agricultores, já que suas plantações poderiam agora ser transportadas para outro lugar para serem vendidas.

Motor a Vapor e Progresso Social

As máquinas a vapor são um exemplo particularmente ilustrativo de como as mudanças trazidas pela industrialização levaram a mudanças ainda maiores em outras áreas. A energia da água, suprimento de energia anterior do mundo, continuou a ser uma fonte essencial, mesmo durante o auge da popularidade do motor a vapor. A máquina a vapor, no entanto, proporcionou muitos novos benefícios. Enquanto muitos consideram o potencial para um aumento na energia gerada como o benefício dominante (com a potência média das usinas movidas a vapor produzindo quatro vezes o poder das usinas movidas a água), outras favorecem o potencial de aglomeração. Os motores a vapor tornaram possível trabalhar, viver, produzir, comercializar, especializar-se e expandir-se com facilidade sem ter de se preocupar com a presença menos abundante de hidrovias. Cidades e vilas foram agora construídas em torno de fábricas, onde os motores a vapor serviram de base para o sustento de muitos dos cidadãos. Ao promover a aglomeração de indivíduos, mercados locais bem sucedidos foram estabelecidos. As cidades rapidamente cresceram e a qualidade de vida aumentou, à medida que a infraestrutura era implantada. Bens mais finos poderiam ser produzidos à medida que a aquisição de materiais se tornasse menos difícil e cara. A competição local direta levou a graus mais altos de especialização e o trabalho e o capital estavam em oferta abundante. As cidades movidas a vapor incentivaram o crescimento local e nacional. Bens mais finos poderiam ser produzidos à medida que a aquisição de materiais se tornasse menos difícil e cara. A competição local direta levou a graus mais altos de especialização e o trabalho e o capital estavam em oferta abundante. As cidades movidas a vapor incentivaram o crescimento local e nacional. Bens mais finos poderiam ser produzidos à medida que a aquisição de materiais se tornasse menos difícil e cara. A competição local direta levou a graus mais altos de especialização e o trabalho e o capital estavam em oferta abundante. As cidades movidas a vapor incentivaram o crescimento local e nacional.