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Il vapore – Il percorso

Vapore, lavoro, Energia

Negli ultimi anni del Seicento, Yhomas Savery brevettò la prima macchina a vapore costruita con lo scopo di pompare via l’acqua dal fondo delle miniere.
Verso il 1710, grazie a Thomas Newcomen, si rese disponibile una nuova macchina a vapore che portava notevoli migliorie rispetto alla precedente.

Thomas Savery (1650?-1715), un versatile ingegnere militare, fu il primo a costruire una pompa a vapore di pratica utilità. Un brevetto della durata di 14 anni gli fu rilasciato nel 1698 per una “..nuova invenzione per sollevare acqua e produrre il moto nelle fabbriche di qualsiasi tipo, per mezzo della forza esercitata dal fuoco; che sarà di grande utilità e vantaggio per il prosciugamento delle miniere, per il rifornimento  dell’acqua alle città e per il funzionamento di tutte le specie di mulini laddove non è possibile usufruire né di acqua né di venti costanti…”.

La macchina non aveva né pistoni né parti mobili e tutto avveniva tramite un gioco di valvole. Il suo funzionamento era semplice: il vapore prodotto da una caldaia veniva fatto entrare in un recipiente; dopo aver chiuso la comunicazione con la caldaia tramite una valvola, il recipiente veniva raffreddato e il vapore condensandosi formava una depressione. L’acqua da pompare veniva così spinta nel recipiente dalla pressione atmosferica.
Infine, immettendo nuovamente nel recipiente vapore ad alta pressione, l’acqua veniva scacciata verso l’alto. Il ciclo poteva così ricominciare.

Questa “pompa a fuoco”, detta “amica del minatore”, aveva però grandi svantaggi. Innanzitutto, siccome funzionava anche grazie alla pressione atmosferica, essa doveva essere installata a pochi metri dal livello dell’acqua da pompare e dunque vicino al fondo delle miniere. Se queste erano profonde, diventava necessario installare più pompe a profondità diverse con un notevole aumento dei costi. La macchina utilizzava vapore ad alta pressione e ciò comportava all’epoca non pochi problemi tecnici (saldature, tubi, valvole) che spesso causavano disastrose esplosioni. Infine, dotata di inefficienti caldaie, era avida di combustibile.
Varie macchine di Savery furono installate all’inizio del Settecento in Inghilterra. Caddero poi in disuso con l’affermarsi delle macchine di Newcomen.

Thomas Newcomen (1664-1729), predicatore battista e commerciante di ferramenta, ideò la sua macchina a vapore verso il 1710. Newcomen si ispirò certamente alle ricerche di Thomas Savery (1650?-1715) e del matematico, fisico e inventore francese Denis Papin (1647-1712).

La macchina a vapore di Newcomen era dotata di un cilindro aperto superiormente nel quale si muoveva un pistone. Questo era collegato all’estremità di un bilanciere la cui altra estremità azionava una pompa idraulica. Nel cilindro (sotto il pistone) veniva iniettato del vapore a bassa pressione proveniente dalla caldaia, dopodiché il vapore veniva condensato da un getto d’aria fredda. La condensazione provocava una depressione e il pistone veniva spinto verso il basso dalla pressione atmosferica azionando così la pompa collegata al bilanciere. Per questa ragione questo tipo di macchina a vapore veniva detta anche “atmosferica”. Il bilanciere era collegato anche ad una seconda piccola pompa idraulica che serviva ad innalzare l’acqua utilizzata per condensare il vapore.
Una delle prime macchine di Newcomen, installata nel 1712, aveva un cilindro con un diametro di 21 pollici (53 cm circa) e altezza 7 piedi e 10 pollici (circa 240 cm). Durante il funzionamento il bilanciere oscillava 12 volte al minuto.

La macchine di questo tipo erano ad  effetto semplice e lavoravano a bassa pressione (poco più che quella atmosferica). Rispetto a quella ad alta pressione di Savery, presentavano meno problemi per la tecnologia disponibile all’epoca e per aumentarne la potenza bastava incrementare la sezione del cilindro e la capacità della caldaia. Avevano però un grave difetto: consumavano grandi quantità di combustibile e, secondo un linguaggio moderno, il loro rendimento termodinamico era assai basso.
Uno dei problemi più gravi era dato dal fatto che il cilindro veniva alternativamente riscaldato e successivamente raffreddato ad ogni ciclo. Questo inconveniente sarà eliminato da James Watt con l’introduzione del condensatore separato.

La macchina di Newcomen rappresentò comunque un notevole progresso in campo tecnologico e si diffuse rapidamente nonostante gli ingenti investimenti necessari all’installazione. Pare che ne furono costruite in Inghilterra e in Europa oltre 100 solo nel primo terzo del Settecento mentre il loro numero raggiunse le oltre 1400 unità prima del 1800. Esse furono impiegate essenzialmente per azionare le pompe utilizzate per prosciugare quelle miniere che sino ad allora erano state difficilmente sfruttabili. Fu invece difficile modificarle in modo da trasformare il moto alternativo del bilanciere in moto rotatorio capace di muovere altre macchine quali telai o macchine utensili. Passo questo che fu invece possibile con le macchine a doppio effetto di Watt.

I progressitecnologici nelle macchine tecniche avvennero inizialmente per via empirica. James Watt, che all’università di Glasgow venne in contatto con Joseph Black al tempo impegnato negli studi sul calore latente, contribuì a indurre criteri più specifici nella progettazione della sua macchina a vapore.

Un incontro fra Watt e Black, immaginato e riprodotto in una incisione ottocentesca.

Le prime macchine a vapore di Watt erano dotate di una innovazione fondamentale: il condensatore separato. Erano però ancora di tipo “atmosferico” e senza sistemi per la trasformazione del moto.

Officina per la costruzione di macchine a vapore.

Disegno della macchina a vapore da manuale ottocentesco.

Successivamente Watt introdusse la macchina a vapore a doppio effetto ottenendo così notevoli vantaggi quantoa efficienza. I sistemi per la trasformazione del moto (parallelogramma e biella – manovella) e il regolatore furono altri fondamentali perfeionamenti introdotti da Watt.

Macchina a vapore di Watt a doppio effetto

Nel XIX secolo i modelli di macchine erano comuni nei gabinetti scientifici di scuole e università dove venivano utilizzati per mostrare le applicazioni pratiche di leggi e fenomeni fisici.
Il modello nel video riproduce, in scala, una macchina a vapore di Watt di tipo fisso a doppio effetto. I cilindri sono in vetro per consentire l’osservazione del moto dei pistoni.

Il vapore sotto pressione proviene da una caldaia (qui non visibile) ed è immesso nel cassetto di distribuzione. Il cassetto ha un movimento alternativo regolato da un eccentrico e convoglia il vapore sopra e sotto il pistone facendolo muovere in alto e in basso. Il movimento del pistone è trasferito al bilanciere tramite il parallelogramma di Watt. Il moto oscillante del bilanciere è trasformato nel movimento rotatorio del volano grazie ad un sistema di biella e manovella. Il volano, che accumula energia meccanica, assicura alla macchina una marcia regolare.

Il regolatore di Watt, che permette di mantenere costante la velocità regolandola automaticamente, si compone essenzialmente di una coppia di pesanti sfere metalliche imperniate tramite bracci mobili, su un asse verticale rotante collegato alla macchina a vapore. Se la sua velocità aumenta la forza centrifuga che agisce sulle sfere tende ad allontanarle dall’asse e i bracci mobili, tramite un sistema di leve, agiscono sulla valvola di immissione del vapore chiudendola. La macchina, in questo caso, rallenta. Se la velocità però diminuisce eccessivamente le sfere tendono ad avvicinarsi all’asse rotante e il sistema tende a riaprire la valvola del vapore. In questo caso la macchina accelera la sua marcia. Il regolatore permette dunque di mantenere costante la velocità della macchina e rappresenta uno dei primi sistemi di “feedback” (controreazione) meccanico.

Nella macchina a vapore di Watt il vapore passa dal cilindro al condensatore separato nel quale, mediante un getto di acqua fredda, viene condensato.
La macchina è munita di tre pompe: la prima serve a immettere acqua fredda nel condensatore, la seconda estrae da esso l’acqua surriscaldata dalla condensazione del vapore e la terza serve a iniettare l’acqua nella caldaia.

La figura mostra gli elementi principali della macchina.

Parallelogramma di Watt

Regolatore di Watt

istema di biella e manovella

A partire dall’Inghilterra le nuove macchine si diffusero a,piamente. Prendeva avvio la Rivoluzione Industriale che comportò enormi cambiamenti sui sistemi produttivi, dei trasporti, sull’economia e sulla società.

Le officine meccanica Borsig a Berlino 1847.

Sistemi di trasmissione a cinghie per la comunicazione del movimento alle macchine.

Durante buona parte della Rivoluzione Industriale le teorie scientifiche relative alla natura del calore, fra le quali dominava quella del “calorico”, non erano ancora arrivate a inquadrare correttamente tutti i fenomeni.
Negli anni ’80 del XVIII secolo Antoine Laurent de Lavoisier, con la collaborazione di Pierre Simon Laplace, fornà contributi fondamentali allo studio del calore grazie anche al loro calorimetro a ghiaccio che permette di misurare i calori specifici, i calori latenti o quelli prodotti da una reazione chimica.
Lo strumento è composto da tre recipienti concentrici: nel più interno si colloca il corpo in esame; in quello intermedio il ghiaccio; in quello più esterno si colloca dell’altro ghiaccio che funge da isolante evitando che il calore dell’ambiente esterno sciolga il ghiaccio del recipiente intermedio. Il calore ceduto dal corpo in esame fonde una certa quantità di ghiaccio nel recipiente intermedio: la quantità d’acqua così  rodotta permette ad esempio di calcolare il calore specifico di detto corpo.

Calorimetro a ghiaccio.

Nonostante il radicamento della teoria del “calorico”, gli studi, le esperienze e le osservazioni pratiche di scienziati quali Benjamin Thompson, Humphry Davy e Thomas Young suggerivano interpretazioni diverse della natura del calore.

Alesatura dei cannoni

Nel XIX secolo i modelli di macchine erano comuni nei gabinetti scientifici di scuole e università dove venivano utilizzati per mostrare le applicazioni pratiche di leggi e fenomeni fisici.
Il modello nel video riproduce, in scala, una macchina a vapore di Watt di tipo fisso a doppio effetto. I cilindri sono in vetro per consentire l’osservazione del moto dei pistoni.

Il vapore sotto pressione proviene da una caldaia (qui non visibile) ed è immesso nel cassetto di distribuzione. Il cassetto ha un movimento alternativo regolato da un eccentrico e convoglia il vapore sopra e sotto il pistone facendolo muovere in alto e in basso. Il movimento del pistone è trasferito al bilanciere tramite il parallelogramma di Watt. Il moto oscillante del bilanciere è trasformato nel movimento rotatorio del volano grazie ad un sistema di biella e manovella. Il volano, che accumula energia meccanica, assicura alla macchina una marcia regolare.

Il regolatore di Watt, che permette di mantenere costante la velocità regolandola automaticamente, si compone essenzialmente di una coppia di pesanti sfere metalliche imperniate tramite bracci mobili, su un asse verticale rotante collegato alla macchina a vapore. Se la sua velocità aumenta la forza centrifuga che agisce sulle sfere tende ad allontanarle dall’asse e i bracci mobili, tramite un sistema di leve, agiscono sulla valvola di immissione del vapore chiudendola. La macchina, in questo caso, rallenta. Se la velocità però diminuisce eccessivamente le sfere tendono ad avvicinarsi all’asse rotante e il sistema tende a riaprire la valvola del vapore. In questo caso la macchina accelera la sua marcia. Il regolatore permette dunque di mantenere costante la velocità della macchina e rappresenta uno dei primi sistemi di “feedback” (controreazione) meccanico.

Nella macchina a vapore di Watt il vapore passa dal cilindro al condensatore separato nel quale, mediante un getto di acqua fredda, viene condensato.
La macchina è munita di tre pompe: la prima serve a immettere acqua fredda nel condensatore, la seconda estrae da esso l’acqua surriscaldata dalla condensazione del vapore e la terza serve a iniettare l’acqua nella caldaia.

La figura mostra gli elementi principali della macchina.

Il lavoro di alesatura dei cannoni suggerì una importante esperienza a B. Thompson, conte Rumford.

L’apparecchio di Tyndall per mostrare come il lavoro meccanico può essere trasformato in calore.