Termostato bimetálico

El termostato bimetálico mantiene una temperatura con una lámina hecha de dos metales unidos cara contra cara. Uno se dilata más que el otro al calentarse, la lámina se curva y su movimiento abre o cierra un registro, una válvula o un contacto eléctrico. Jean Simon Bonnemain describió en 1782 un regulador de calor movido por la dilatación desigual del hierro y el latón; Andrew Ure llamó termostato a la lámina remachada hacia 1830.

Qué es

Un termostato mantiene una temperatura cerca de un valor elegido dejando entrar más o menos calor. En un termostato bimetálico, la parte que siente la temperatura es una lámina formada por dos metales que se dilatan de forma distinta, unidos en toda su longitud. No necesita energía propia: el calor curva la lámina y esa curvatura hace el trabajo.

En el tipo que Andrew Ure describió en 1839 en su Dictionary of Arts, Manufactures, and Mines, una barra recta de latón y acero remachados cara contra cara está fijada por un extremo. Su extremo libre tira de una palanca que hace girar un registro en un tubo que lleva aire caliente a una habitación. Cuando la habitación se calienta, la barra se curva y el registro se cierra; cuando se enfría, la barra se endereza y el registro vuelve a abrirse. Ure mencionaba usos en invernaderos, baños maría, alambiques, calderas y la ventilación de habitaciones.

Cómo funciona

Al calentarse, el latón crece más que el acero y tiene que ocupar el lado exterior, más largo, de la curva.

Los sólidos se alargan un poco al calentarse, y no todos lo mismo: el latón más que el acero, el aluminio más que el papel. Si dos láminas están unidas con tanta firmeza que no pueden deslizarse una sobre otra, la que más crece tiene que ocupar el lado exterior, el más largo, de una curva. La lámina se curva hacia el metal que menos se dilata y se endereza de nuevo al enfriarse. Un termómetro aprovecha la dilatación de un líquido para dar una lectura; la lámina convierte la dilatación en un movimiento capaz de empujar una palanca.

Ese movimiento es pequeño y depende de la lámina. Stephen Timoshenko, que elaboró su teoría en 1925, demostró que la curvatura crece con la diferencia de dilatación entre los dos metales y con el cambio de temperatura, y que una lámina más delgada se curva más. Una lámina más larga desplaza más su punta. Ure colocó barras en espiral alrededor de un registro giratorio, y Warren Johnson enrolló su lámina en espiral; Ure también usaba palancas para ampliar el movimiento antes de que llegara a la válvula o al registro.

Lo que mueve ese movimiento depende del aparato. En los reguladores de Bonnemain y de Ure, la barra gira poco a poco un registro o una llave, de modo que la entrada de calor sigue a la temperatura. En un termostato eléctrico, la lámina abre o cierra un contacto que enciende o apaga un circuito. En todos los casos se puede elegir la temperatura: con una tuerca de ajuste en la biela, con un tornillo que desplaza el extremo fijo o con un contacto que se acerca o se aleja. Cada uno cambia cuánto debe curvarse la lámina antes de actuar.

Cómo hacerlo

Calentada desde abajo, la tira de papel y aluminio se curva, deja su contacto y apaga el LED.

Una tira de papel de aluminio pegada a papel se curva como un bimetal, porque el aluminio se dilata más que el papel; los centros de ciencia la usan para mostrar el efecto. Corte una tira de papel de impresora y otra de papel de aluminio de cocina, de 1 cm de ancho y 20 cm de largo aproximadamente, y péguelas en toda su longitud con una barra de pegamento, alisando las burbujas. Haga una segunda tira de papel pegado a papel como testigo. Deje secar las dos en plano toda la noche.

Para convertirla en un termostato, pegue una pinza de tender de madera sobre un taco y sujete en ella un extremo de la tira de aluminio, con el aluminio hacia abajo, de modo que sobresalga en horizontal. Pegue un pequeño cuadrado de aluminio sobre un segundo taco colocado bajo el extremo libre, para que la punta de la tira descanse sobre él. Una en un circuito cerrado un portapilas de dos pilas AA, un LED rojo y una resistencia de unos 100 ohmios, y corte el circuito en la tira: un cable queda apretado contra el aluminio dentro de la pinza y el otro, pegado con cinta al cuadrado de aluminio. Ponga la pata más larga del LED hacia el lado positivo. Cuando la tira descansa sobre su contacto, el LED se enciende; aquí representa la calefacción.

Llene un tarro de vidrio con agua caliente del grifo, enrosque bien la tapa para que no salga vapor, seque el exterior y colóquelo bajo el centro de la tira, unos centímetros por debajo. Al calentarse, la tira se curva hacia arriba, su punta deja el contacto y el LED se apaga: la calefacción se ha desconectado. Retire el tarro: al enfriarse, la tira se aplana, vuelve a tocar el contacto y el LED se enciende de nuevo. Sostenga la tira de solo papel sobre el tarro de la misma manera: apenas se mueve, porque sus dos capas se dilatan igual. Subir o bajar el taco del contacto cambia el calor al que se apaga la luz, como la tuerca de ajuste del termostato de Ure.

Historia y evolución

Los relojeros se toparon antes que nadie con el problema, porque la varilla de un péndulo se alarga con el calor y el reloj atrasa. Entre 1725 y 1728, John Harrison ideó un péndulo de parrilla con varillas alternas de dos metales, dispuestas para que la dilatación de uno compensara la del otro, y lo montó en los relojes de precisión que construyó con su hermano James. Para su tercer reloj marino, H3, empezado en 1740, hizo una lámina de latón y acero unidos, que los Royal Museums Greenwich cuentan entre los inventos duraderos de ese reloj. En el H4, de 1759, la lámina que Harrison llamaba su thermometer kirb lleva en su extremo libre los pasadores que sujetan la espiral del volante, de modo que la longitud útil de la espiral cambia con la temperatura. Estas láminas corregían la marcha de un reloj y no regulaban ningún calor.

El regulador de Bonnemain tal como se publicó: el tubo de plomo se alarga más que la varilla de hierro que contiene y cierra la entrada de aire del fuego.

El regulador de calor fechado más antiguo movido por dos metales es francés. El 14 de agosto de 1782, Jean Simon Bonnemain depositó en la Academia de Ciencias de París una memoria sellada sobre su «régulateur du feu», con dibujos. La historiadora Emmanuelle Gallo, que la ha estudiado, describe una doble varilla de hierro y latón cuya dilatación desigual movía una palanca; esta abría o cerraba una puerta que dejaba entrar el aire en el horno, y así regulaba la fuerza del fuego. Bonnemain lo usó en las incubadoras de la granja de pollos que tenía cerca de París, y citó entre sus usos los invernaderos, los baños y la calefacción de carruajes. El historiador de la técnica Otto Mayr fecha su patente en 1783. La versión que Bonnemain publicó en 1824, y que Andrew Ure describió en 1839, tenía una varilla de hierro dentro de un tubo de plomo sumergido en el agua de la caldera, y un cuadrante para ajustarla entre calor fuerte y calor débil.

Ure, químico escocés que había conocido a Bonnemain en París hacia 1815, patentó un regulador formado por dos barras delgadas de metales distintos, remachadas o soldadas cara contra cara. En su Dictionary da el año 1831; otras fuentes dicen 1830. Lo llamó termostato. Dos reglas largas, una de acero y otra de latón endurecido a martillo, movían palancas que accionaban válvulas, llaves, registros de estufa y ventiladores, con el fin, escribió, de regular la temperatura y no solo de indicarla.

En 1883, Warren S. Johnson, profesor de la State Normal School de Whitewater, en Wisconsin, patentó un «teletermoscopio» eléctrico. Una espiral de latón y acero de muelle inclinaba un balancín cuyas puntas se hundían en cubetas de mercurio; el circuito así cerrado indicaba si la sala estaba demasiado fría o demasiado caliente y hacía sonar un timbre para el encargado. La empresa que fundó se convirtió en Johnson Controls. Los Royal Museums Greenwich señalan que la lámina bimetálica se sigue usando en termostatos de todo tipo.