La fuerza del vapor era conocida desde la antigüedad. En el siglo I Herón de Alejandría construyó la aelópila, cuya utilización le permitía abrir “mágicamente” las puertas de los templos, por lo que el sabio alejandrino se ganó el apodo de “el mago”.
La eolípila era un artilugio que consistía en una esfera hueca conectada a una caldera en la que se hacía hervir agua. La esfera se llenaba de vapor por dos tubos curvos gruesos conectados a la caldera, y salía por otros dos tubos estrechos doblados en ángulo recto que hacían girar a la esfera cuando el gas salía por ellos.
Blasco de Garay (1500-1552), capitán de barco e inventor español, propuso al rey Carlos V, en el año 1543, un ingenio para navegar con navíos y embarcaciones mayores, aun en tiempo de calma, basado en el uso de la presión del vapor.
De Garay realizó una demostración de su invento en el puerto de Barcelona y, según los comisionados reales, el navío avanzaba a tres leguas cada dos horas y giraba más rápido que una galera servida por el método habitual. No se sabe cual fue la máquina que utilizó, pero algunos científicos como el francés François Aragó (1786-1853) mantuvieron que la máquina de De Garay no era otra que la eolípila de Herón de Alejandría. En todo caso,sea lo que sea lo que fuere, Blasco de Garay fue el primero que sustituyó las fuerzas del viento y de los remeros por fuerzas mecánicas.
El francés León Lalonne (1811-1892), en su Essai sur l’origine des machines à vapeur (1879), le atribuye a Garay el descubrimiento de la navegación a vapor y el novelista Honoré de Balzac (1799-1850) en su comedia Les ressources de Quinola (1842) expuso el invento de Garay como argumento. Pero los asesores reales se estimaron que su fabricación era muy complicada y costosa, y, además estimaron que existía riesgo de que estallara la caldera.
En todo caso la caldera de vapor se calentaba mediante carbón de piedra, mineral que cada fue más demandado.
El carbón mineral se había utilizado como combustible en China, hace unos 2000 años. También se sabemos que los ingleses, por la abundancia de carbón, conocieron su uso en la misma época y que fue conocida por los romanos, aunque en el mundo antiguo no utilizó el carbón mineral.
Se tienen datos de que, en el siglo XI, el carbón mineral ya se utilizaba en Inglaterra, y en el siglo XIII los ingleses lo sacaban de las minas de Newcastle y Cardiff y lo transportaban en barcos a Londres y a otros puntos de consumo para uso doméstico, en sustitución de la madera.
No obstante, en los siglos siguientes el consumo para uso casero disminuyó en Inglaterra y quizás porque, en una sociedad de vida sencilla y con abundantes bosques no se necesitaba. Pero desde la época de Isabel I (1558-1603), con el crecimiento de las ciudades, se empezó a utilizar en más lugares y en mayores cantidades. El crecimiento de Londres (pasó de 75.000 en 1600 a 650.000 en 1700), el resurgir de otras ciudades inglesas y la progresiva desaparición de bosques y maderas propiciaron que, en el siglo XVII, la extracción y la comercialización de hulla para satisfacer la demanda de las ciudades despertara un interés renovado.
La extracción de carbón presentaba algunas dificultades; las minas de carbón eran profundas y se inundaban con frecuencia y para extraer el material era preciso eliminar el agua que las anegaba, para lo que se necesitaba una potente bomba mecánica que expulsara el agua al exterior. Debemos considerar que hacia 1700, Gran Bretaña producía el 80 % del carbón en Europa y que las minas de carbón eran rentables y por eso inversores e inventores se dedicaron con ahínco a buscar una solución para drenar las minas inundadas y poder así extraer más carbón. El drenaje de las minas de carbón inundadas fue, a finales del siglo XVIII, la razón fundamental por la que la máquina de vapor se perfeccionó, mejoró su rendimiento y permitió aplicar la fuerza del vapor a diferentes labores técnicas e industriales.
Thomas Savery (1650-1715) diseño una máquina de vapor específicamente diseñada para resolver el problema del drenaje de las minas, pues las bombas existentes no eran capaces de desarrollar una potencia suficiente para extraer el agua de minas profundas.
La máquina de Savery consistía en un depósito conectado a una caldera por un tuvo por el que entraba el vapor, y a otras dos tuberías, (una de ellas conectada al agua de la mina y otra al exterior.
La máquina funcionaba de la siguiente manera:
En primer lugar, se abría la válvula que conectaba la caldera con el depósito y éste se llenaba de vapor de agua, saliendo el aire al exterior a través de una válvula antirretorno.
Después, se hacía enfriar el depósito rociándolo desde fuera del mismo con agua. Al enfriarse, el vapor de agua del depósito, se condensaba y se hacía el vacío dentro de él.
Como el depósito estaba conectado mediante un tubo con una válvula antirretorno al agua del interior de la mina, al hacerse el vacío en el depósito, el agua subía por la tubería llenándolo
Para vaciar el depósito ya lleno de agua, se volvía a abrir la válvula que lo conectaba con la caldera, y el vapor a presión hacía salir el agua por la otra tubería
Los principios científicos de la máquina de vapor eran que el agua cuando hierve produce vapor, que es mucho más voluminoso que el agua líquida de la que procede y que el vapor, al enfriarse en un recinto cerrado se condensa en agua líquida, que reduce su volumen produciendo un vacío parcial y que el vacío crea un poder de aspiración, que puede utilizarse para aspirar agua.
En términos científicos, en el siglo XVII diremos que el físico y matemático italiano Evangelista Torricelli (1608-1647) descubrió que la atmósfera tenía un peso y, aunque en la física aristotélica el hecho de que fuera posible elevar agua por bombeo se había atribuido durante siglos al supuesto de que la Naturaleza tiene horror al vacío.
A Torricelli se le ocurrió que la subida del agua cuando subimos el émbolo de una jeringuilla no se debía al horror al vacío, sino simplemente a un efecto mecánico de equilibrio de fuerzas, que fue lo que le sirvió para diseñar el barómetro de mercurio. La presión atmosférica se equilibraba con una columna vertical de 76cm de mercurio u otra de agua de 10, 5 m.
En una bomba aspirante, el peso del aire forzaría al agua a ascender por un tubo vertical cerrado por el extremo superior hasta que encontrara una resistencia. Como el agua asciende 10,5 metros quiere decir que el peso total del aire solo contrarrestaba el peso de 10,5 metros.