Durante la década de los años 40 del siglo XIX, se modificó la concepción que se tenía del calor, que dejó de ser una sustancia que pasaba de unos cuerpos a otros (el calórico) para pasar a convertirse en un modo de energía, el cual era convertible en otros modos de energía. Cosas de la vida, el caso es que el desarrollo de la termodinámica encontró un inesperado aliado en la revolución industrial.
Hasta los siglos XVII-XVIII, la mayoría del trabajo realizado era humano o animal, salvo algunas estructuras mecánicas básicas (molino, noria) movidas por energías naturales (viento, agua), las cuales presentaban el problema de que no siempre estaban disponibles cuando se las necesitaba, sin negar el gran papel que realizaban. En esta época se dio una circunstancia especial, como fue el desarrollo de la minería, tan importante en una sociedad industrial que ya estaba a las vistas. Se trabajaba en minas cada vez más profundas, en las cuales se filtraba agua con cada vez mayor frecuencia, agua que era preciso desalojar para poder seguir trabajando. Este problema estuvo en el origen de la próxima a inventar máquina de vapor, ya que las bombas de achique habituales no podían cubrir desniveles tan elevados como los que se daban entre la superficie y el fondo de las minas. Y uno se puede preguntar: ¿por qué?
Las típicas bombas de agua que se accionan subiendo y bajando una manivela eran familiares en la época, empleándose, por ejemplo, para sacar agua de los pozos. Sin embargo, se sabía que estas bombas no podían elevar agua hasta más de diez metros. Con el surgimiento del espíritu científico, este fenómeno comenzó a suscitar la curiosidad: ¿por qué no se podía elevar el agua salvando ese desnivel de 10 m? Lo que enseguida llevó a preguntarse por otro fenómeno más básico, a saber: ¿por qué una bomba de agua de estas características podía sacar agua? Esto no era en absoluto algo evidente. Sí, se sabía que algo tenía que ver el asunto de la presión del aire, pero no se sabía muy bien dar razón de todo ello. Todo esto estuvo muy presente en el imaginario científico de la época, presente en la mente de personajes tan ilustres como Guericke, Torricelli (discípulo de Galileo), Pascal o Boyle. Vamos a tratar de explicarlo.
Supongamos que tenemos un depósito con agua, situado al nivel del mar, sobre el que introducimos un tubo abierto. La superficie del agua se encuentra a la presión denominada atmosférica, es decir, a la presión que la atmósfera terrestre, situada por encima, ejerce sobre él. Como el tuvo está abierto por arriba, es exactamente la misma presión que actúa en el interior del tubo. Por este motivo, el agua dentro del tubo, y el agua en el depósito fuera del tubo, se encuentran a la misma altura, pues sobre ellos actúa la misma presión, la de la atmósfera. Viendo la imagen, se observa cómo tanto en el exterior del tubo, como en su interior (punto A), actúa la presión atmosférica.
Ahora imaginemos que cerramos el tubo por la parte de arriba, y extraemos un poco de aire, de modo que la presión en su interior (P₁) será inferior que la de fuera, la atmosférica (P₁ < Patm). Ello propiciará que el agua de fuera del tubo, sometido a una mayor presión (la atmosférica), empuje al agua hacia dentro del tubo, por lo que el nivel del agua en el interior del tubo se elevará. ¿Hasta dónde se elevará? Pues hasta la altura h₁, en la que se dará una situación de equilibrio, de modo que la presión en el interior del tubo (P₁) más la debida al peso de la columna de agua en su interior se equipare a la atmosférica. La presión en el punto A, que tendrá que ser igual a la atmosférica por encontrarse en el mismo nivel que la superficie libre del depósito, será igual a la suma de la presión en el interior del tubo (P₁) más la debida al peso de la columna de agua que tiene encima (Pca₁). Esta última presión viene dada por la división entre la fuerza actuante (el peso de la columna de agua) y la superficie (S). A efectos prácticos nos da igual qué superficie tenga la sección, pues se simplifica, siendo la magnitud que nos va a interesar la altura. La presión debida a esta columna de agua será:
Por lo que la presión en A será la suma de la presión en la parte de arriba del tubo más la debida al peso de la columna de agua, a saber: PA₁ = P₁ + Pca₁= P₁ + ρ·g·h₁.
Podemos seguir extrayendo aire del interior del tubo, por su parte superior, hasta que no haya ninguna presión, sino que se cree el vacío (P₂ = 0). Entonces, el nivel del agua del interior del tubo subirá… ¿hasta dónde? Si dentro del tubo no hay presión, parecería razonable pensar que no pararía de subir, pero no es así, sino que sube hasta una altura h₂ en la que hay de nuevo una situación de equilibro en A: la presión que hay en A por los efectos en el interior del tubo, siguiendo el razonamiento anterior, debe ser la atmosférica, como hemos visto, de modo que: PA₂ = P₂ + Pca₂ = 0 + ρ·g·h₂ = ρ·g·h₂. Este dato es muy importante, pues quiere decir que la presión atmosférica sólo puede empujar el agua del interior del tubo hasta una determinada altura, h₂, pero no más. Aunque no haya nada que se lo impida, pues P₂ es nula, no puede subirla de modo indefinido. ¿Cuál será el valor de h₂? Como es fácil de prever, 10 m. De aquí la expresión de que la presión atmosférica es de 10 mca (metros columna de agua), pues es la longitud de la columna de agua que la presión atmosférica puede soportar.
Este artilugio que hemos empleado muy bien se puede denominara un ‘barómetro de agua’, pues, una vez calibrado al nivel del mar, nos permite medir la presión en cualquier punto de la superficie terrestre en mca. Como no es muy operativo manejar un aparato de 10 m de altura, se sustituyó el agua por mercurio líquido, unas 14 veces más denso que el agua, por lo que la altura a la que se levanta es menor, en concreto de 10 / 14 = 0’76 m (= 760 mm), cifra que también nos resultará familiar, cuando se dice que la presión atmosférica es de 760 mm de Hg.
Por este motivo, con una bomba de agua que funcione haciendo el vacío, no se puede salvar un desnivel de más de diez metros para subir el agua. Para conseguirlo, había que idear otras estrategias, problema que —como decía— se situó en el origen de la invención de la máquina de vapor, siendo ésta su primera gran aplicación.
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