Mașina cu abur: cum a pornit Revoluția Industrială

Mașina cu abur este un motor care folosește presiunea sau condensarea vaporilor de apă pentru a mișca un piston și, prin el, roți, pompe sau războaie de țesut. Inventată ca pompă pentru minele inundate din Anglia la începutul secolului al XVIII-lea, a devenit, după îmbunătățirile lui James Watt, motorul care a pus în mișcare fabricile, trenurile și vapoarele.

Momentul în care munca grea a început să fie făcută de mașini alimentate cu cărbune, nu de oameni, animale, apă sau vânt, poartă numele de Revoluția Industrială. Mai jos vezi pas cu pas cum funcționează un motor cu abur, cine a contribuit la el, de ce a contat atât de mult și ce urme a lăsat inclusiv în România, de la prima cale ferată din Banat la mocănița de pe Valea Vaserului.

Cum funcționează o mașină cu abur

O mașină cu abur transformă energia chimică a combustibilului în căldură, căldura în presiunea aburului, iar presiunea în mișcare mecanică. Este, în termeni de fizică, un motor termic: o mașină care produce lucru mecanic folosind diferența de temperatură dintre o sursă caldă și una rece.

Componentele de bază

1. Focarul, unde arde cărbunele sau lemnul.
2. Cazanul, în care apa se încălzește și se transformă în abur.
3. Cilindrul cu piston, în care aburul împinge pistonul.
4. Supapele sau sertarul de distribuție, care trimit aburul pe rând într-o parte și în cealaltă a pistonului.
5. Biela și manivela, care transformă mișcarea dus-întors a pistonului în rotație.
6. Condensatorul, la mașinile care răcesc aburul pentru a crea vid.

Două principii diferite

Primele mașini funcționau atmosferic: aburul umplea cilindrul, apoi era răcit brusc, iar vidul format lăsa presiunea aerului să împingă pistonul în jos. Mașinile de mai târziu au folosit abur de înaltă presiune, care împinge direct pistonul și poate fi evacuat în aer, ca la locomotive. Cum se păstrează și se transformă energia în aceste procese explică ghidul despre energie și conservarea ei.

De la Heron la Newcomen: primii pași

Ideea că aburul poate mișca obiecte este veche, dar o mașină utilă a apărut abia când exista o problemă economică presantă: apa din minele de cărbune. Până atunci, aburul fusese mai mult o curiozitate.

Precursorii

• Heron din Alexandria, în secolul I, a descris eolipila, o sferă care se rotea împinsă de jeturi de abur, o jucărie fără utilitate practică.
• Denis Papin, fizician francez, a construit la sfârșitul secolului al XVII-lea o oală sub presiune cu supapă de siguranță și a imaginat un piston mișcat de abur.
• Thomas Savery a brevetat în 1698 o pompă cu abur fără piston, pentru scos apa din mine, care avea însă probleme de siguranță și o înălțime de pompare limitată.

Mașina lui Newcomen

În 1712, Thomas Newcomen a pus în funcțiune, în Anglia, prima mașină cu abur cu piston folosită practic. Un balansier uriaș de lemn lega pistonul de pompa din mină. Mașina era lentă și consuma foarte mult cărbune, dar la gura minei de cărbune combustibilul era ieftin. Sute de asemenea mașini au funcționat în Marea Britanie și în alte țări în deceniile următoare.

Sfat: Dacă vrei să înțelegi intuitiv principiul atmosferic, gândește-te la o sticlă de plastic în care pui puțină apă fierbinte, o închizi și o răcești sub jet rece: se turtește. Aerul de afară o apasă când aburul din interior se condensează. Fă experimentul doar cu un adult și cu apă caldă, nu clocotită, ca să eviți arsurile.

James Watt și condensatorul separat

James Watt a făcut din mașina cu abur un motor universal, prin câteva îmbunătățiri care i-au crescut eficiența de mai multe ori și i-au permis să rotească axe. Watt era constructor de instrumente la Universitatea din Glasgow când a primit spre reparat un model de mașină Newcomen.

Problema observată de Watt

La mașina lui Newcomen, cilindrul era încălzit de abur și apoi răcit cu apă la fiecare ciclu. Cea mai mare parte din căldură se pierdea reîncălzind metalul. Watt a avut ideea, pe la mijlocul anilor 1760, ca aburul să fie condensat într-o cameră separată, condensatorul, în timp ce cilindrul rămâne mereu fierbinte. A brevetat ideea în 1769.

Celelalte îmbunătățiri

1. Mașina cu dublu efect: aburul împinge pistonul pe rând în ambele sensuri.
2. Mișcarea de rotație: un mecanism cu roți dințate a transformat mișcarea pistonului în rotația unui ax, utilă pentru fabrici.
3. Regulatorul centrifugal: două bile care se rotesc și se depărtează la viteză mare închid parțial alimentarea cu abur, păstrând viteza aproape constantă. Este unul dintre primele exemple de reglaj automat.
4. Indicatorul de presiune, pus la punct în atelierul lui Watt de colaboratorii săi, pentru măsurarea lucrului efectuat în cilindru.

Din 1775, Watt a lucrat în parteneriat cu industriașul Matthew Boulton, la Birmingham, care a asigurat capitalul și producția. Pentru a-și vinde mașinile, Watt a comparat puterea lor cu a cailor de tracțiune, de unde vine unitatea cal-putere. În onoarea lui, unitatea de putere din Sistemul Internațional se numește watt.

Important: Watt nu a inventat mașina cu abur, ci a perfecționat-o. Ca la majoritatea invențiilor din ghidul despre invențiile care au schimbat lumea, progresul a venit din îmbunătățiri succesive aduse de mai mulți oameni.

Cum a declanșat aburul Revoluția Industrială

Revoluția Industrială a început în Marea Britanie în a doua jumătate a secolului al XVIII-lea, iar mașina cu abur a fost motorul ei, alături de mecanizarea textilelor și de metalurgia pe bază de cocs. Combinația dintre cărbune ieftin, fier mai bun și mașini a schimbat economia în câteva generații.

De ce tocmai în Marea Britanie

• avea zăcăminte mari de cărbune și fier, aproape unele de altele;
• avea comerț maritim dezvoltat și capital disponibil;
• costul muncii era ridicat, deci mașinile erau rentabile;
• exista o tradiție de meșteșugari și constructori de instrumente;
• sistemul de brevete proteja inventatorii, cel puțin parțial.

Textilele, primul domeniu transformat

Industria bumbacului a fost prima mecanizată masiv. Mașina de tors cu mai multe fuse, mașina de tors acționată de apă și apoi războiul de țesut mecanic au crescut enorm producția. La început fabricile stăteau lângă râuri, pentru roțile hidraulice; mașina cu abur le-a permis să se mute oriunde exista cărbune, adică în orașe.

Metalurgia și cărbunele

La începutul secolului al XVIII-lea, Abraham Darby a început să topească minereul de fier cu cocs, obținut din cărbune, nu cu mangal, care cerea păduri întregi. Mașinile cu abur au acționat foalele furnalelor, ciocanele și laminoarele, iar fierul ieftin a dat la rândul lui mașini mai bune: un cerc care se autoalimenta.

Locomotiva și vaporul: aburul pe roți și pe apă

Mașina cu abur de înaltă presiune, mai mică și mai ușoară, a putut fi montată pe vehicule și a dat naștere transportului modern. A fost primul mijloc de transport care nu depindea de mușchi, vânt sau curentul apei.

Ce a schimbat trenul

Trenul a redus drumuri de zile la ore, a ieftinit transportul cărbunelui, al cerealelor și al mărfurilor și a creat piețe naționale. A impus și ora standard: orarele trenurilor cereau ca toate gările să aibă aceeași oră, nu ora solară locală. Principiile mișcării unui vehicul, de la inerție la forța de tracțiune, sunt explicate în articolul despre legile lui Newton.

Urme în România

Muzeul Locomotivelor cu Abur de la Reșița expune locomotive vechi, iar în Maramureș, pe Valea Vaserului, circulă încă o cale ferată forestieră îngustă cu locomotive cu abur, cunoscută ca mocănița de la Vișeu de Sus. Sunt locuri bune pentru a vedea de aproape biela, pistonul și cazanul descrise mai sus.

Fizica din spatele aburului: termodinamica

Încercarea de a construi motoare cu abur mai eficiente a dus la o ramură nouă a fizicii, termodinamica, adică știința căldurii și a transformării ei în lucru mecanic. În acest caz, tehnica a mers înaintea teoriei.

Repere teoretice

• În 1824, inginerul francez Sadi Carnot a arătat că randamentul maxim al unui motor termic depinde de diferența de temperatură dintre sursa caldă și cea rece.
• La mijlocul secolului al XIX-lea s-a formulat principiul conservării energiei: energia nu se creează și nu se pierde, ci doar se transformă.
• Tot atunci s-a înțeles că o parte din căldură se pierde inevitabil în mediu, de aceea niciun motor termic nu poate avea randament de 100%.

Mașinile Newcomen transformau în lucru util sub 1% din energia cărbunelui, iar cele ale lui Watt câteva procente. Turbinele cu abur din centralele moderne, care descind direct din aceste mașini, au randamente mult mai mari, dar tot limitate de legile termodinamicii. Pentru imaginea de ansamblu asupra legilor fizicii, citește ghidul de fizică pe înțeles.

Consecințele: progres și costuri

Revoluția Industrială a crescut enorm producția și, pe termen lung, nivelul de trai, dar a adus și condiții grele de muncă, poluare și schimbări sociale rapide. Ambele fețe fac parte din moștenirea aburului.

Efecte pozitive pe termen lung

• produse mai ieftine și mai multe, de la haine la unelte;
• transport rapid de oameni și mărfuri;
• dezvoltarea ingineriei, a chimiei industriale și a electricității, care a urmat cu becul și rețelele electrice;
• creșterea alfabetizării, susținută de ziare și cărți tipărite ieftin cu prese cu abur, o continuare a revoluției tiparului.

Costuri și probleme

• programe de lucru foarte lungi, inclusiv pentru copii, până la apariția legilor muncii;
• cartiere supraaglomerate, fără apă curată și canalizare, cu epidemii frecvente;
• fum de cărbune și aer poluat în orașele industriale;
• începutul creșterii emisiilor de dioxid de carbon din arderea combustibililor fosili, care au rol în schimbarea compoziției atmosferei Pământului.

Atenție: Cazanele cu abur sub presiune sunt periculoase. Exploziile de cazane au fost frecvente în secolul al XIX-lea, motiv pentru care au apărut inspecțiile tehnice obligatorii. Instalațiile sub presiune se exploatează și se verifică doar de personal autorizat.

Esențialul în câteva rânduri

Mașina cu abur a pornit ca o pompă greoaie pentru minele inundate și a devenit motorul unei lumi noi. Newcomen a făcut-o utilizabilă, Watt a făcut-o eficientă și universală, iar Trevithick și Stephenson au pus-o pe roți. Cu ea au apărut fabricile, căile ferate, vapoarele și o nouă ramură a fizicii, termodinamica.

De reținut:

• mașina cu abur este un motor termic care transformă căldura în mișcare;
• Newcomen a construit prima mașină practică în 1712, pentru pomparea apei din mine;
• Watt a brevetat condensatorul separat în 1769 și a adăugat mișcarea de rotație;
• Revoluția Industrială a început în Marea Britanie, cu textile, cărbune și fier;
• prima cale ferată de pe teritoriul actual al României a fost Oravița–Baziaș, deschisă în 1854.