1-3-a-5 La macchina a vapore

1698 - LA MACCHINA DI SAVERY

Per quanto efficace, la pompa di von Guericke era pur sempre azionata manualmente. Un esempio interessante è la Macchina di Savery, brevettata nel 1698, che veniva utilizzata proprio per estrarre l'acqua dalle miniere. Si tratta di uno dei primi esempi moderni di Macchina a Vapore (azionata dal vapore acqueo). Il funzionamento della Macchina di Savery è piuttosto semplice:

    1.Un recipiente chiuso può essere collegato a una caldaia, ovvero a un serbatoio d'acqua che può essere scaldata fino ad ebollizione, e a un condotto in cui fluisce l'acqua aspirata dal fondo della miniera.

    2.Viene immessa un po' d'acqua nel recipiente e, dopo averlo chiuso, si collega con la caldaia.

  3.Dalla caldaia proviene vapore acqueo, che aumenta la pressione all'interno del recipiente. La pressione interna diventa così alta che l'acqua viene espulsa attraverso un'apposita valvola. Se lo trovate difficile da accettare potete riprodurre una situazione simile con un brick di succo di frutta. Se continuate a soffiare attraverso la cannuccia noterete che il succo tenderà ad uscire spontaneamente.

    4.Il cilindro viene quindi separato dalla caldaia e collegato al condotto per l'aspirazione. Il vapore acqueo al suo interno viene fatto raffreddare fino alla condensazione. La conseguenza è che la pressione all'interno del recipiente (che prima era causata proprio dal vapore acqueo) cala bruscamente.

     5.Spinta dalla pressione atmosferica, l'acqua della miniera è costretta a risalire il condotto e ad entrare nel recipiente fino a quando la pressione interna e quella atmosferica non saranno uguali. A questo punto è sufficiente svuotare il recipiente e ripetere il procedimento.

Non serve un genio per capire che la Macchina di Savery era davvero poco efficiente. Raffreddare e riscaldare continuamente il recipiente comportava un enorme dispendio energetico, senza contare il rischio di esplosioni dovute alle alte pressioni in gioco !

1690 - LA PENTOLA DI PAPIN

La prima rudimentale macchina a vapore fu inventata nel 1690 dal francese Denis Papin e fu usata per pompare l'acqua. La "pentola di Papin" era poco più di una curiosità, e il lavoro effettivo era eseguito dall'aria più che dalla pressione del vapore. Era costituita da un unico cilindro che svolgeva anche la funzione della caldaia: nella parte inferiore si immetteva una piccola quantità di acqua che veniva riscaldata fino a produrre una parziale evaporazione; la pressione del vapore prodotto sollevava uno stantuffo che scorreva nel cilindro; infine, quando la fonte di calore veniva rimossa, il vapore condensava e lo stantuffo, non più sostenuto dalla pressione sottostante, veniva spinto verso il basso dal proprio peso e dalla pressione atmosferica.

1705 - LA MACCHINA DI NEWCOMEN

Più efficiente era il cosiddetto motore atmosferico, inventato nel 1705 dal britannico Thomas Newcomen e costituito da un cilindro verticale con uno stantuffo dotato di un contrappeso. Il vapore immesso a bassa pressione dal fondo del cilindro spingeva verso l'alto lo stantuffo, alleggerito dal contrappeso. Quando lo stantuffo raggiungeva la sommità del cilindro si apriva automaticamente una valvola e all'interno del cilindro veniva spruzzato un getto d'acqua fredda: l'abbassamento di temperatura faceva condensare il vapore e la pressione atmosferica spingeva in basso lo stantuffo. Il braccio, basculante su un perno fisso, collegava lo stelo dello stantuffo con il contrappeso e si prolungava con una barra che, alzandosi e abbassandosi secondo il movimento dello stantuffo, azionava una pompa. Pur essendo poco efficiente, il motore di Newcomen si rivelò abbastanza pratico e venne largamente usato per pompare l'acqua fuori dalle miniere di carbone.

La macchina di Newcomen, sostanzialmente la prima applicazione del vapore ad un processo industriale, è una pompa a pistone azionata da un motore a vapore a condensazione interna. Costituita sostanzialmente da una pompa a pistone, azionata da un motore a vapore a condensazione interna, essa fu protagonista della prima rivoluzione industriale, in quanto primo esempio di applicazione dell'energia trasmissibile con il vapore, ovvero della trasformazione di energia chimica (data dalla ossidazione combustiva del carbonio con ossigeno) in energia meccanica.

1782-LA MACCHINA DI WATT

A causa della loro scarsa efficienza, i primi dispositivi azionati dal vapore ebbero scarso successo. Si dovette aspettare il 1782 - quasi ottant'anni dopo - per la Macchina a Vapore che avrebbe cambiato la storia. James Watt, un ingegnere inglese, si chiedeva come si potesse aggirare il problema dei continui cicli di riscaldamento-raffreddamento dei recipienti delle Macchine a Vapore di Savery e Newcomen. In effetti era proprio a questi cicli che si doveva la scarsa efficienza dei  congegni inventati fino ad allora. Ricordiamo però che il raffreddamento del recipiente serviva solamente a far condensare il vapore al suo interno. Watt osservò che non vi era alcuna necessità di far condensare il vapore nello stesso recipiente in cui veniva scaldato. Costruì quindi una macchina che comprendeva due camere collegate fra loro: una destinata a formare il vapore acqueo portando l'acqua ad ebollizione e una seconda destinata alla condensazione di quest'ultimo. In questo modo la camera di ebollizione poteva rimanere calda, mentre non vi era più alcuna necessità di scaldare la camera di condensazione!

COME FUNZIONA LA MACCHINA DI WATT

Nel 1782, Watt trasformò la sua macchina in una a doppio effetto. Nelle macchine a vapore a doppio effetto, è stata eliminata la corsa passiva, essendo il pistone spinto in entrambe le direzioni.

A parità di cilindrata, quindi, si ottiene doppia potenza. Per risparmiare ulteriore carbone il vapore poteva essere immesso solo per una frazione della corsa del pistone.

La macchina a doppio effetto è più complicata, ma indispensabile per lo sviluppo delle ferrovie che avevano bisogno di motori potenti, leggeri e poco ingombranti. Nel 1787, per rendere costante la velocità delle macchine, Watt adottò il regolatore centrifugo (già usato in precedenza nei mulini a vento), che adesso porta il suo nome.

1800 - MACCHINA A VAPORE A DOPPIO EFFETTO

La macchina a vapore, motore della rivoluzione industriale e base del progresso tecnologico moderno utilizza energia termica per produrre lavoro meccanico. Il ciclo di una macchina a doppio effetto ha inizio con il passaggio dell’acqua da un serbatoio in una serpentina nella quale viene riscaldata. Il vapore generato passa per una rete di tubature ed entra nel cilindro attraverso il tubo di immissione del vapore. Nel cilindro spinge lo stantuffo da un estremo all’altro, a questo punto il meccanismo di distribuzione cambia di posizione e perciò il vapore d’acqua dilatato viene scaricato mentre il nuovo vapore proveniente dalla caldaia spinge lo stantuffo in senso contrario. La continuità di questo ciclo è favorita dall’inerzia di un volano. Il movimento lineare dello stantuffo nel cilindro si trasforma in questa maniera in un movimento circolare adatto alla propulsione di mezzi di trasporto come i treni a vapore.

1804 - LA LOCOMOTIVA DI TREVITHICK

Il successivo importante sviluppo della macchina a vapore fu l'introduzione dei motori senza condensatore, il cui principio era stato intuito ma non realizzato da Watt. All'inizio del XIX secolo il britannico Richard Trevithick e lo statunitense Oliver Evans concepirono ottimi motori senza condensatore che impiegavano vapore ad alta pressione. Trevithick utilizzò questo tipo di macchina per azionare la prima locomotiva della storia.

1830 - LA MACCHINA A TRIPLICE ESPANSIONE

A partire dalla seconda metà del 1800 la quasi totalità dei motori a vapore ha utilizzato due, tre e anche quattro cilindri in serie nei motori a doppia espansione e tripla espansione, (vedi immagine); i diversi stadi lavorano con pressioni di vapore decrescenti in modo da sfruttare meglio la pressione degli scarichi degli stadi precedenti, che contengono ancora una certa potenza. In particolare, la soluzione a tripla espansione fu quella universalmente adottata da tutte le navi della seconda metà dell'800 e dei primi anni del '900.