Dal Fuoco all'Atomo

Papin e le Macchine Termiche

Con l'invenzione della macchina a vapore l'uomo iniziò a liberarsi dalla schiavitù della fatica, innescando quel processo innovativo chiamato "Rivoluzione Industriale"
Già nell'antichità ci furono dei tentativi di utilizzare la forza del vapore mediante invenzioni dall'uso più o meno pratico. Nel 287 a.C. Archimede pare avesse sperimentato una sorta di cannone a vapore che lanciava proiettili sferici contro il nemico, utilizzando l'energia del vapore d'acqua.La prima macchina a vapore fu inventata nel 1690 dal francese Denis Papin e fu usata per pompare l'acqua. La "pentola di Papin" 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.
intuì la possibilità di utilizzare il calore per produrre il vuoto.

T.Newcomen nel 1712 dopo 10 anni e più di lavoro sperimentale, costruì la sua prima macchina efficiente, che era costituita da una piccola caldaia che produceva vapore alla pressione atmosferica, il bilanciere vibrava 12 volte al minuto e ad ogni corsa lo stantuffo della pompa aspirava 45 litri di acqua che venivano poi sollevati a 46 metri di altezza. La potenza della macchina era di circa 5,5 cavalli vapore. La salita del pistone della macchina era dovuta alla discesa della pesante asta e del pesante stantuffo della pompa.
Il vapore che era immesso nel cilindro serviva a fare un vuoto parziale sotto il pistone mediante la condensazione del vapore prodotta con un getto di acqua fredda.
Il vuoto risultante consentiva alla pressione atmosferica di spingere lo stantuffo verso il basso con conseguente salita del pistone della pompa. L'acqua di condensazione veniva espulsa attraverso un tubo e una valvola a chiusura idraulica.
Il suo rendimento termico era solo dell'1%, cioè ogni 100 Kg di carbone bruciati solo 1 veniva utilizzato per far muovere la pompa. Nonostante questi gravi difetti la macchina non ebbe rivali nelle miniere inglesi per circa 60 anni.
Tutta la storia successiva dei motori a vapore è stata una ricerca senza fine di maggiore efficienza.

Nel 1764 James Watt mentre cercava di riparare un motore a vapore ebbe l'idea di come migliorarne la resa: pensò di far condensare il vapore al di fuori del cilindro nel quale veniva compiuto il lavoro.
Il calore ricavato bruciando il combustibile viene usato per produrre vapore ad alta temperatura e alta pressione. Il vapore caldo compresso, attraverso la valvola A entra nel cilindro e spinge il pistone compiendo lavoro meccanico.
Il pistone è collegato ad un volano, oppure alla ruota di una locomotiva; il moto circolare del volano può essere usato per azionare un telaio tessile od un tornio. Quando il combustibile brucia produce calore, quando il pistone si muove in avanti compie lavoro.
Però una sola corsa del pistone non è sufficiente a dare un lavoro veramente utile, occorre riuscire a spostare il pistone diverse volte, per ottenere questo un meccanismo chiude la valvola A quando il pistone è spinto in avanti, e contemporaneamente apre la valvola B così il vapore viene liberato nell'atmosfera, a questo punto l'intero processo può ricominciare ed abbiamo un motore che funziona.

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Una parte del calore ottenuto bruciando combustibile si trasforma in lavoro ma una frazione deve sempre essere ceduta all'ambiente per ricondensare il vapore.
Il motore a vapore appartiene ad una classe di macchine dette motori termici.
Tutti i motori termici iniziano con una fonte di calore ad alta temperatura, convertono parte dell'energia in lavoro e cedono parte del calore a bassa temperatura per poter poter ricominciare il ciclo.
Tra i motori termici si possono ricordare: I motori a scoppio, i motori Diesel, i motori a turbina ed il motore Stirling.
Anche il frigorifero è un motore termico che funziona al contrario: il lavoro viene fornito dal motore elettrico, il calore viene estratto dai cibi e ceduto all'ambiente, assieme al lavoro, sotto forma di calore ad una temperatura più alta.
I motori elettrici non sono, invece, motori termici, non hanno bisogno di cedere inutilizzabile all'ambiente, per questo motivo possono avere un rendimento vicino al 100 %, ossia tutta l'energia elettrica è convertibile in lavoro meccanico.