Los vapores de agua, éter, alcohol, cloroformo y otros varios líquidos, pueden emplearse en las máquinas como agentes motores: es generalmente preferido el primero de ellos por las condiciones de economía y seguridad que reúne; así es, que con el nombre de máquinas de vapor, se comprende principalmente todas aquellas en que la fuerza motriz es el vapor de agua.
En todas las máquinas de vapor, el principio fundamental es el mismo. Los vapores poseen una fuerza de dilatación que puede llegar a ser considerable, en virtud de la cual ejercen presiones sobre las paredes de la capacidad que los contiene: si una de éstas es móvil, obedecerá a la presión que sufre, originándose movimientos alternativos rectilíneos, que comunicados al exterior de la cámara efectuarán el trabajo á que la máquina se destine.
El vapor de agua no tiene olor; es trasparente e invisible; así es que a veces no se le percibe cuando escapa por alguna abertura u orificio, aún oyendo el ruido que produce. Sin embargo; cuando al salir experimenta enfriamiento, sufre un principio de condensación, y se forman ligeras nubecillas blancas, indicadoras de su presencia. Enfriado el vapor contenido en un vaso cualquiera, se convierte en el agua de que provino. El vapor de agua llega a alcanzar considerable fuerza elástica, que se aplica con gran éxito a las máquinas como poderosa fuerza motriz.
La fuerza elástica del vapor de agua se denomina también tensión, y se mide por la presión que ejerce en las paredes del vaso que lo contiene. La presión se cuantifica de dos modos distintos, por pesos sobre la unidad superficial, o tomando por unidad de medida la presión atmosférica. Así, se puede decir que el vapor ejerce una presión de X kilogramos por centímetro cuadrado, o de X atmósferas.
La presión atmosférica sobre un cuadrado de un centímetro de lado, es igual á la producida en la misma superficie por el peso de l,033 Kilogramos. Esta circunstancia permite pasar con facilidad de una especie de unidades á otra. Por ejemplo:
8 atmósferas equivalen a 8x1,033 = 8,264 kilogramos por centímetro cuadrado.
Cuando se trata de resultados tan sólo aproximados, puede introducirse notable sencillez en las operaciones, estableciendo la equivalencia de la unidad atmósfera con la unidad Kilogramo por centímetro cuadrado.
De dos distintas maneras puede transformarse un líquido en vapor; por evaporación y por vaporización; en la primera el cambio de estado sólo se verifica en la superficie que está en contacto con la atmósfera, y el desprendimiento de vapor es lento, la segunda es una producción violenta y abundante de vapor por la aplicación de elevadas temperaturas, teniendo lugar en toda la masa líquida el fenómeno que antes ocurría tan sólo en la superficie.
Puesto al fuego un vaso de agua, abierto, las capas liquidas más próximas a las paredes sometidas a la acción calorífica se dilatan, disminuyen en densidad, y tienden a ocupar las regiones superiores, siendo reemplazadas por otras más frías que, caldeándose a su vez, vuelven á subir, crean corrientes de dirección contraria desde las paredes o fondos en contacto con el combustible a las partes más alejadas de éste.
En toda la masa se forman pequeñas burbujas o globitos de agua gasificada, que aumentan de volumen, ascienden según la vertical uniéndose en el camino con otras, hasta que al llegar a las capas superiores, más frías, se condensan produciendo un ruido sordo, precursor de la vaporización.
Las burbujas se forman y desprenden con más facilidad junto a las paredes; y si éstas fueran trasparentes, se vería el fenómeno del modo que acaba de indicarse. A medida que aumenta el calor en el líquido, las burbujas son más numerosas, y ya no se condensan, sino que en su movimiento ascensional llegan a la superficie y revientan lanzándose a la atmósfera: el agua parece hincharse, experimenta movimientos violentos, en una palabra, hierve; y ésta ebullición constituye la producción abundante de vapor que hemos denominado vaporización. Las corrientes originadas en la masa son de gran actividad, contribuyendo a los movimientos desordenados del agua, pero no conviene entorpecerlas, porque favorecen el desprendimiento del vapor.
La temperatura de ebullición depende de la presión sobre la superficie del líquido. Con la presión aumenta la temperatura de ebullición, porque sin duda hay oposición más enérgica al desprendimiento de las burbujas de vapor. Además también depende de las sustancias extrañas que el agua contenga. Si están en suspensión, como la arena, tierra ó fango, parece ser que la temperatura de ebullición no varía; pero cuando se hallan en combinación ó disolución, ejercen una influencia muy marcada, adelantando el punto de ebullición cuando son, como el éter y alcohol, más volátiles que el agua, ó retardándolo como se verifica con las sales.
La experiencia demuestra que, hirviendo á 100 grados el agua pura, el agua saturada de sal marina hierve a 109º, de nitrato de potasa a 116º, de carbonato de potasa a 135º o de cloruro de calcio a179º.
Finalmente, la naturaleza del vaso también ejerce influencia en la temperatura de ebullición, por más que sólo pueda establecerse como principio que la vaporización se favorece con la mayor conductibilidad calorífica de los metales.
De los empleados comúnmente en las máquinas, el orden de preferencia es: primero, cobre; segundo, hierro, estaño y zinc, cuya conductibilidad para el calor es próximamente los dos tercios de la que al primero corresponde. El agua pura a 0,760 de presión barométrica, es decir, a la normal de la atmósfera, hierve a 100°, y conserva esta temperatura, cualquiera que sea el exceso de calor que a sus paredes se aplique, vaporizándose toda la que el vaso encierra, en el caso de ebullición en un recipiente abierto.
Si suponemos cerrada la vasija o receptáculo del agua, la vaporización tiene lugar de un modo muy distinto. Las primeras cantidades de vapor formadas se alojan en la parte superior de la vasija, y ejercen, sobre la superficie del líquido, una presión que, aumentando de continuo, llega a ser suficiente para detener ó hacer casi insignificante la vaporización, en el supuesto de que la temperatura continúe siendo la misma.
El vapor producido tiene siempre la misma temperatura que el agua, con la que está en contacto, si es pura, la cámara o capacidad no puede contener, a la temperatura alcanzada por el líquido y vapor, mayor cantidad de este último. Dícese entonces que el espacio-cámara está saturado de vapor de agua, y también se llama vapor saturado al que se encuentra en las condiciones que preceden.
Puede romperse el equilibrio aumentando la temperatura del agua, entonces hay nueva producción de vapor, la densidad y tensión del ya formado aumentarán, llegando hasta el punto de ejercer sobre la superficie del líquido restante una presión que detendrá la vaporización nuevamente mientras se conserva la misma temperatura. Elevándola otra vez, continuará la interrumpida vaporización, sucediéndose los períodos de equilibrio y producción indicados.
Si los crecimientos de temperatura son discontinuos, bruscos, habrá ebullición en cada período, en la práctica la sucesión de estos hechos es rapidísima, el aumento de temperatura es continuo y la producción de vapor se verifica en períodos de ebullición de duración muy corta.
En todos los instantes, el agua tiene la misma temperatura que el vapor, pudiendo alcanzar ambos, a diferencia del caso de vasija abierta, temperaturas muy superiores a 100°.
Obsérvese también, que a medida que crece la temperatura aumenta la cantidad de vapor alojada en la cámara, y con ella, como es consiguiente, su densidad y tensión. Hay, pues, una cierta relación entre la temperatura del vapor, su densidad y tensión.
Esta relación es la que se aprovecha para el movimiento en las locomotoras de vapor.
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