Cronología de la tecnología de motores térmicos

Esta cronología de la tecnología de los motores térmicos describe cómo los motores térmicos se conocen desde la antigüedad, pero se han convertido en dispositivos cada vez más útiles desde el siglo XVII a medida que se obtuvo una mejor comprensión de los procesos involucrados. Un motor térmico es cualquier sistema que convierte calor en energía mecánica , que luego puede usarse para realizar trabajo mecánico . Se continúan desarrollando en la actualidad.

En ingeniería y termodinámica , un motor térmico realiza la conversión de energía térmica en trabajo mecánico aprovechando el gradiente de temperatura entre una "fuente" caliente y un " sumidero " frío. El calor se transfiere al disipador desde la fuente y, en este proceso, parte del calor se convierte en trabajo .

Una bomba de calor es un motor térmico que funciona a la inversa. El trabajo se utiliza para crear un diferencial de calor. La línea de tiempo incluye dispositivos clasificados como motores y bombas, además de identificar avances significativos en la comprensión humana.

Antes del siglo XVII

• Prehistoria: el pistón de fuego utilizado por las tribus del sudeste asiático y las islas del Pacífico para encender fuego.
• C. 450 a. C.: Arquitas de Tarento utilizó un chorro de vapor para propulsar un pájaro de madera de juguete suspendido de un alambre. ^[1]
• C. 50 d.C. – Héroe de la locomotora de Alejandría, también conocida como Aeolipile . Demuestra el movimiento giratorio producido por la reacción de chorros de vapor. ^[2]
• C. Siglo X: China desarrolla las primeras lanzas de fuego , que eran armas parecidas a lanzas que combinaban un tubo de bambú que contenía pólvora y metralla como proyectiles atados a una lanza.
• c Siglo XII: China, la representación más antigua de un arma que muestra un cuerpo de metal y un proyectil ajustado que maximiza la conversión de los gases calientes en movimiento hacia adelante. ^[3]
• 1125 – Gerbert, profesor de las escuelas de Reims, diseña y construye un órgano impulsado por el aire que escapa de un recipiente en el que se comprime con agua caliente. ^[4]
• 1232 – Primer uso registrado de un cohete . En una batalla entre chinos y mongoles. (Consulte Cronología de la tecnología de cohetes y misiles para obtener una visión del desarrollo de cohetes a lo largo del tiempo).
• C. 1500 – Leonardo da Vinci construye el Architonnerre , un cañón propulsado por vapor. ^[5]
• 1543 – Blasco de Garay, un oficial naval español, demuestra un barco propulsado sin remos ni vela que utilizaba la reacción de un chorro emitido por una gran caldera de agua hirviendo. ^[4]
• 1551 – Taqi al-Din muestra una turbina de vapor , utilizada para hacer girar un asador . ^[6]

siglo 17

• 1629 – Giovanni Branca muestra una turbina de vapor . ^[7]
• 1662 – Robert Boyle publica la Ley de Boyle , que define la relación entre el volumen y la presión en un gas a temperatura constante. ^[8]
• 1665: Edward Somerset , segundo marqués de Worcester, construye una fuente de vapor en funcionamiento. ^[9]
• 1680 – Christiaan Huygens publica un diseño para un motor de pistón propulsado por pólvora , pero nunca se construye.
• 1690 – Denis Papin – produce el diseño de la primera máquina de vapor de pistón.
• 1698 – Thomas Savery construye una bomba de agua de vapor sin pistón para bombear agua de las minas.

siglo 18

• 1707 – Denis Papin – diseña junto con Gottfried Leibniz su segunda máquina de vapor de pistón .
• 1712 – Thomas Newcomen construye la primera bomba de agua de vapor de pistón y cilindro comercialmente exitosa para bombear agua fuera de las minas. Se le conoce como motor atmosférico y funciona condensando vapor en un cilindro para producir un vacío que mueve el pistón mediante la presión atmosférica.
• 1748 – William Cullen demuestra la primera refrigeración artificial en una conferencia pública en la Universidad de Glasgow en Escocia.
• 1759 – John Harrison utiliza una tira bimetálica en su tercer cronómetro marino (H3) para compensar los cambios inducidos por la temperatura en el espiral. Esto convierte la expansión y contracción térmica de dos sólidos diferentes en trabajo mecánico.
• 1769 – James Watt patenta su primera máquina de vapor atmosférica mejorada (ver máquina de vapor Watt con un condensador separado fuera del cilindro, que duplica la eficiencia de las máquinas anteriores).
• 1787 – Jacques Charles formula la ley de Charles que describe la relación entre el volumen y la temperatura de un gas. Sin embargo, no publica esto y no se reconoce hasta que Joseph Louis Gay-Lussac lo desarrolla y hace referencia a él en 1802.
• 1791 – John Barber patenta la idea de una turbina de gas .
• 1799: Richard Trevithick construye la primera máquina de vapor de alta presión. Este utilizó la fuerza del vapor presurizado para mover el pistón.

Siglo 19

• 1802 – Joseph Louis Gay-Lussac desarrolla la ley de Gay-Lussac que describe la relación entre la presión y la temperatura de un gas.
• 1807 – Nicéphore Niépce instaló su motor de combustión interna Pyréolophore alimentado con 'musgo, polvo de carbón y resina' en un barco y recorrió el río Saona en Francia.
• 1807 – El ingeniero franco-suizo François Isaac de Rivaz construyó el motor De Rivaz , impulsado por la combustión interna de una mezcla de hidrógeno y oxígeno, y lo utilizó para impulsar un vehículo con ruedas. ^[10]
• 1816: Robert Stirling inventó el motor Stirling , un tipo de motor de aire caliente .
• 1824 – Nicolas Léonard Sadi Carnot desarrolló el ciclo de Carnot y el hipotético motor térmico de Carnot asociado , que es el modelo teórico básico para todos los motores térmicos . Esto da la primera idea de la segunda ley de la termodinámica .
• 1834 – Jacob Perkins , obtiene la primera patente para un sistema de refrigeración por compresión de vapor.
• Década de 1850: Rudolf Clausius establece el concepto de sistema termodinámico y posicionó la entropía como el hecho de que en cualquier proceso irreversible una pequeña cantidad de energía térmica δQ se disipa incrementalmente a través de los límites del sistema.
• 1859 – Etienne Lenoir desarrolla el primer motor de combustión interna con éxito comercial , un motor monocilíndrico de dos tiempos con encendido eléctrico de gas de iluminación (no gasolina).
• 1861 – Alphonse Beau de Rochas de Francia origina el concepto de motor de combustión interna de cuatro tiempos al enfatizar la importancia antes no apreciada de comprimir la mezcla de combustible y aire antes del encendido.
• 1861: Nicolaus Otto patenta un motor de combustión interna de dos tiempos basado en el de Lenoir.
• 1867 – James Clerk Maxwell postuló el experimento mental que más tarde se conoció como el demonio de Maxwell . Esto pareció violar la segunda ley de la termodinámica y fue el comienzo de la idea de que la información era parte de la física del calor.
• 1872 – Bomba de vapor pulsómetro , una bomba sin pistón, patentada por Charles Henry Hall. Se inspiró en la bomba de vapor Savery.
• 1873 – El químico británico Sir William Crookes inventa el molino de luz , un dispositivo que convierte el calor radiante de la luz directamente en movimiento giratorio.
• 1877 – El teórico Ludwig Boltzmann visualizó una forma probabilística de medir la entropía de un conjunto de partículas de gas ideal, en la que definió la entropía como proporcional al logaritmo del número de microestados que dicho gas podría ocupar.
• 1877 – Nicolaus Otto patenta un práctico motor de combustión interna de cuatro tiempos ( patente estadounidense 194.047 )
• 1883: Samuel Griffin de Bath, Reino Unido, patenta un motor de combustión interna de seis tiempos . ^[11]
• 1884 – Charles A. Parsons construye la primera turbina de vapor moderna .
• 1886: Herbert Akroyd Stuart construye el prototipo de motor de bulbo caliente , un motor de encendido por compresión de carga homogénea alimentado por aceite similar al diésel posterior pero con una relación de compresión más baja y que funciona con una mezcla de aire y combustible.
• 1887 – Lord Rayleigh discutió la posibilidad teórica de un motor térmico termoacústico que pudiera convertir una diferencia de temperatura directamente en movimiento mecánico utilizando únicamente ondas sonoras. El tubo de Rijke ya lo había demostrado en 1859.
• 1892: Rudolf Diesel patenta el motor diésel ( patente estadounidense 608.845 ), en el que una alta relación de compresión genera gas caliente que luego enciende el combustible inyectado . Después de cinco años de experimentación y de la ayuda de la empresa MAN, construye un motor diésel que funciona en 1897.

siglo 20

• Aproximadamente en 1910, un inventor desconocido produce el juguete '' Pájaro bebedor '', un pájaro de juguete que oscila continuamente sobre un pivote impulsado por la evaporación y condensación de un líquido volátil. Un extremo húmedo y un extremo seco del juguete producen una ligera diferencia de temperatura debido a la evaporación del agua.
• En 1909, la física holandesa Heike Kamerlingh Onnes desarrolla el concepto de entalpía para medir el trabajo "útil" que puede obtenerse de un sistema termodinámico cerrado a presión constante.
• 1913 – Nikola Tesla patenta la turbina Tesla basada en el efecto de capa límite .
• 1926: Robert Goddard, de Estados Unidos, lanza el primer cohete de combustible líquido .
• 1929 – Felix Wankel patenta el motor rotativo Wankel ( patente estadounidense 2.988.008 )
• 1929 –   Leó Szilárd , en un refinamiento del famoso  escenario del demonio de Maxwell,  concibe una máquina térmica que puede funcionar únicamente con información, conocida como máquina de Szilard .
• 1930 – Sir Frank Whittle patenta en Inglaterra el primer diseño de una turbina de gas para propulsión a chorro .
• 1933 – El físico francés Georges J. Ranque inventa el tubo Vortex , un dispositivo de flujo de fluido sin partes móviles, que puede separar un gas comprimido en corrientes frías y calientes.
• 1935 – Ralph H. Fowler inventa el título ' la ley cero de la termodinámica ' para resumir los postulados de físicos anteriores de que el equilibrio térmico entre sistemas es una relación transitiva .
• 1937 – Hans von Ohain construye una turbina de gas
• 1940 – El húngaro Bela Karlovitz , que trabaja para la empresa Westinghouse en los EE. UU., presenta la primera patente para un generador magnetohidrodinámico , que puede generar electricidad directamente a partir de un gas caliente en movimiento.
• 1942 – RS Gaugler de General Motors patenta la idea del Heat pipe , un mecanismo de transferencia de calor que combina los principios de conductividad térmica y transición de fase para gestionar eficientemente la transferencia de calor entre dos interfaces sólidas.
• Década de 1950: la empresa Philips desarrolla el crioenfriador Stirling de ciclo Stirling que convierte la energía mecánica en una diferencia de temperatura.
• 1957: primera demostración de un convertidor termoiónico práctico de vapor de cesio en modo arco realizada por V. Wilson. Los electrones de un cátodo caliente actúan como un fluido de trabajo que se condensa en un ánodo frío y produce una corriente eléctrica. En la década siguiente se demostraron varias aplicaciones, incluido su uso con fuentes de calor solares , de combustión , de radioisótopos y de reactores nucleares . ^[12]
• 1959 – Geusic, Schultz-DuBois y Scoville de Bell Telephone Laboratories USA construyen un máser de tres niveles que funciona como un motor térmico cuántico que extrae trabajo de la diferencia de temperatura de dos piscinas de calor.
• 1962 – William J. Buehler y Frederick Wang descubren la aleación de níquel y titanio conocida como Nitinol , que tiene una memoria de forma que depende de su temperatura.
• 1962 – Nikolaus Rott reabrió el tema de los motores termoacústicos descritos por Lord Rayleigh en 1887 y produjo un análisis teórico completo que condujo al desarrollo tecnológico y a un dispositivo funcional transportado en el transbordador espacial en 1992.
• 1992 – Se construyen los primeros generadores magnetohidrodinámicos prácticos en Serbia y Estados Unidos.
• 1996 – Se patenta el motor Quasiturbine . Un motor rotativo sin pistones que utiliza un rotor romboidal cuyos lados están articulados en los vértices. Similar al motor Wankel , pero las bisagras en los bordes permiten una mayor relación de volumen.

Siglo 21

• 2011 – Shoichi Toyabe y otros demuestran el funcionamiento de un motor Szilard utilizando un microscopio de contraste de fases equipado con una cámara de alta velocidad conectada a una computadora. ^[13]
• 2011: la Universidad Estatal de Michigan construye el primer motor de disco de ondas . Un motor de combustión interna que prescinde de pistones, cigüeñales y válvulas y los sustituye por un generador de ondas de choque en forma de disco. ^[14]
• 2019 – Roberto Serra y otros demuestran un motor térmico cuántico en funcionamiento basado en un sistema de espín 1/2 y técnicas de resonancia magnética nuclear en las Universidades de Waterloo , la Universidad Federal do ABC y el Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas . ^[15]
• 2020 – Ingenieros del Laboratorio de Dispositivos Avanzados RIKEN demuestran un dispositivo a nanoescala que puede actuar como motor térmico o como refrigerador utilizando efectos cuánticos . ^[dieciséis]

Ver también

Líneas de tiempo relacionadas:

• Cronología de la tecnología de cohetes y misiles : los cohetes pueden considerarse motores térmicos. El calor de sus gases de escape se convierte en energía mecánica.
• Historia de la termodinámica
• Historia del motor de combustión interna.
• Cronología de los motores y la tecnología de motores.
• Cronología de la energía de vapor
• Cronología de la tecnología de medición de temperatura y presión

Para obtener una cronología de toda la tecnología humana, consulte:

• Cronología de los inventos históricos

Referencias

Citas

1. Hellemans, Alejandro; et al. (1991). ""Los horarios de la ciencia: una cronología de las personas y acontecimientos más importantes de la historia de la ciencia"". Nueva York: Touchstone/Simon & Schuster, Inc., 1991.
2. Hero (1851) [reimpresión del original del siglo I d.C.], "Sección 50 - La máquina de vapor". Traducido del griego original por Bennet Woodcroft (Profesor de Maquinaria en el University College London .
3. Needham, Joseph (1986), Ciencia y civilización en China , V: 7: La epopeya de la pólvora , Cambridge University Press, ISBN  0-521-30358-3
4. Reid, Hugo (1838). La máquina de vapor: siendo una descripción popular de la construcción y acción de esa máquina; con un bosquejo de su historia y de las leyes del calor y la neumática. Edimburgo: William Tait. pag. 74.
5. Thurston, Robert Henry (1996). Una historia del crecimiento de la máquina de vapor (reimpresión ed.). Elibrón. pag. 12. ISBN 1-4021-6205-7 . 
6. Hassan, Ahmad Y. "Taqi al-Din y la primera turbina de vapor". Historia de la ciencia y la tecnología en el Islam . Archivado desde el original el 18 de febrero de 2008 . Consultado el 29 de marzo de 2008 .
7. Lardner, Dionisio (1840). La máquina de vapor explicada e ilustrada. Taylor y Walton. pag. 22.Título completo: Le Machine volume nuovo, et di molto artificio da fare effetti maravigliosi tanto Spiritali quanto di Animale Operatione, arichito di bellissime figure. Del Sig. Giovanni Branco, Cittadino Romano. En Roma, 1629
8. R. Boyle, Una defensa de la doctrina que toca el resorte y el peso del aire ,… (Londres: Thomas Robinson, 1662). Disponible en línea en: La Biblioteca Virtual de Patrimonio Bibliográfico de España. Boyle presenta su ley en el "Capítulo V. Dos nuevos experimentos sobre la medida de la fuerza del resorte de aire comprimido y dilatado", págs. En P. 59, Boyle concluye que "... el mismo aire, llevado a un grado de densidad aproximadamente el doble que antes, obtiene un resorte dos veces más fuerte que antes". Es decir, al duplicar la densidad de una cantidad de aire se duplica su presión. Dado que la densidad del aire es proporcional a su presión, para una cantidad fija de aire, el producto de su presión por su volumen es constante. En la página 60 presenta sus datos sobre la compresión del aire: "Una tabla de condensación del aire". La leyenda (p. 60) que acompaña a la tabla dice: "E. Cuál debería ser la presión según la Hipótesis , que supone que las presiones y expansiones están en relación recíproca". En P. 64, Boyle presenta sus datos sobre la expansión del aire: "Una tabla de la rarefacción del aire". https://bvpb.mcu.es/es/consulta/registro.cmd?id=406806
9. El siglo de las invenciones, escrito en 1655; por Edward Somerset, marqués de Worcester. Siendo una reimpresión literal de la primera edición, publicada en 1663. Archivado el 21 de febrero de 2006 en el archivo de Wayback Machine https://web.archive.org/web/20060221151830/http://www.history.rochester.edu/steam/ pollas/
10. "La historia del automóvil: motores de gasolina". Acerca de.com . 2009-09-11. Archivado desde el original el 11 de julio de 2012 . Consultado el 19 de octubre de 2009 .
11. The Griffin Engineering Company, de Bath, Somerset Archivado el 13 de mayo de 2007 en la Wayback Machine University Of Bath, el 15 de diciembre de 2004. Consultado en mayo de 2011.
12. Rasor, NS (1983). "Convertidor de energía termoiónica". En Chang, Sheldon SL (ed.). Manual de fundamentos de ingeniería eléctrica e informática . vol. II. Nueva York: Wiley. pag. 668. ISBN 0-471-86213-4 . 
13. Shoichi Toyabe; Takahiro Sagawa; Masahito Ueda; Eiro Muneyuki; Masaki Sano (29 de septiembre de 2010). "Motor térmico de información: conversión de información en energía mediante control de retroalimentación". Física de la Naturaleza. 6 (12): 988–992. arXiv : 1009.5287. Código bibliográfico : 2011NatPh...6..988T. doi :10.1038/nphys1821. Demostramos que la energía libre se obtiene mediante un control de retroalimentación utilizando la información sobre el sistema; la información se convierte en energía libre, como la primera realización del demonio de Maxwell tipo Szilard.
14. Universidad Estatal de Michigan: Wave Disk Engine Departamento de Energía de EE. UU., Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada, marzo de 2011
15. "La demostración experimental de un motor térmico cuántico de espín". phys.org . Consultado el 1 de enero de 2020 .
16. "El nuevo nanodispositivo cuántico puede actuar simultáneamente como motor térmico y refrigerador". phys.org . Consultado el 29 de diciembre de 2020 .

Fuentes

• El crecimiento de la máquina de vapor Robert H. Thurston, AM, CE, Nueva York: D. Appleton and Company, 1878.
• Ingeniería térmica en sistemas de energía Por Ryoichi Amano, Bengt Sundén, Página 40, capítulo 'Breve historia de la conversión de energía'. Volumen 22 de Developments in Heat Transfer Series, Serie internacional sobre desarrollos en transferencia de calor, v. 22, WIT Press, 2008. ISBN 1-84564-062-4 ; ISBN 978-1-84564-062-0 .