martedì 12 gennaio 2016

La Macchina a Vapore

Ciao a tutti amanti della fisica!
 La settimana scorsa abbiamo parlato della tecnologia degli schermi LCD, e qualche tempo prima della scienza dei laser. Oggi ci occupiamo invece di qualcosa di ancora più fondamentale: le macchine. Siamo letteralmente circondati da macchine: lo stesso dispositivo su cui leggete quest'articolo è una macchina, e non c'è certo bisogno che vi faccia notare l'infinità di congegni che utilizziamo quotidianamente. Ma quasi tutti hanno un antenato in comune: la Macchina a Vapore.


La Macchina a Vapore duemila anni fa

 Se si escludono rari esempi, come la moka da caffè, oggi sono davvero pochi i dispositivi azionati dal vapore acqueo. Ma non è stato sempre così, anzi il primo congegno a vapore risale persino al primo secolo dopo Cristo! 

Schema di funzionamento dell'Eolipila
 L'Eolipila, la prima Macchina a Vapore della storia, fu inventata da Erone di Alessandria, ricordato per la Formula che porta il suo nome e per aver dato vita al primo distributore automatico di cui si abbia notizia. Oggi non sappiamo esattamente a cosa servisse il dispositivo di Erone: probabilmente veniva utilizzato per aprire le porte del templi, o semplicemente per far girare delle sfere, ma ciò non toglie che moltissimo tempo fa qualcuno aveva già scoperto dei potenziali utilizzi tecnologici del vapore acqueo.

 Purtroppo il mondo antico declinò rapidamente e la prima Macchina a Vapore passò inosservata, anche perché a quel tempo si poteva fare affidamento su un gran numero di schiavi a cui far svolgere i lavori più pesanti. Se solo gli usi del vapore acqueo fossero stati scoperti anche un secolo prima, forse oggi la Macchina a Vapore avrebbe potuto contare ben duemila anni! Per non parlare poi dell'incredibile progresso che avrebbe portato al tempo... Ma le cose non sono andate così, e ora non ha molto senso chiedersi come sarebbe il mondo oggi se ci fosse stato un James Watt greco.

 Ad ogni modo, bisognerà aspettare il XVII secolo per i successivi sviluppi verso la Macchina a Vapore.

La Forza del Vuoto

L'Esperimento di Von Guericke
 Era il 1650, e Otto von Guericke, un fisico tedesco, aveva da poco inventato una pompa pneumatica in grado di estrarre l'aria da un recipiente chiuso. Per testare la nuova creazione progettò un esperimento stupefacente:
  1. Innanzitutto fece costruire due calotte semisferiche metalliche perfettamente combacianti. Possiamo immaginarcele come due scodelle identiche dalla forma particolarmente arrotondata.
  2. Fece combaciare i bordi delle due calotte metalliche ed estrasse l'aria dal loro interno con la pompa pneumatica *(che era azionata manualmente) .
  3. Radunò quindi 16 cavalli da tiro e ne legò 8 a ciascuna scodella.
  4. Infine fece ordinare loro di tirare le due calotte per separarle...
...e magicamente le due rimanevano attaccate.

 Nonostante la forza combinata di 16 cavalli, il vuoto aveva la meglio. A voler essere più precisi, il vuoto non esercita alcuna forza; è la pressione atmosferica a tenere unite le due calotte. Se von Guericke avesse avuto la possibilità di ripetere l'esperimento nello spazio - in assenza di atmosfera - le due scodelle non si sarebbero mai unite così saldamente.

La Macchina a Vapore di Savery
 La notizia dell'esperimento di von Guericke raggiunse rapidamente ogni angolo della Germania. Dispositivi simili erano già utilizzati per pompare l'acqua fuori dalle miniere dopo un acquazzone, ma era la prima volta che qualcuno mostrava così chiaramente cosa era possibile fare creando il vuoto.

 Non ci volle molto perché numerosi inventori si chiedessero se c'erano metodi più pratici per aspirare tutta l'aria da un recipiente. In effetti, 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!

Un modello della Macchina a Vapore di Newcomen
 La Macchina a Vapore di Savery venne migliorata qualche anno più tardi da Thomas Newcomen, un fabbro inglese. Questi introdusse l'uso di un pistone o, in parole povere, adoperò un recipiente con una faccia in grado di scorrere sulle altre pareti in modo da far variare il volume interno. Il moto del pistone, ossia della faccia mobile, era azionato da cicli di riscaldamento-raffreddamento del vapore acqueo contenuto nel recipiente. Infine, il moto del pistone poteva essere trasferito a qualunque altro dispositivo.

 Ad ogni modo, anche la Macchina a Vapore di Newcomen richiedeva di raffreddare e riscaldare continuamente il recipiente, richiedendo dunque un enorme dispendio di combustibile.

La Macchina a Vapore di James 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!

 Il funzionamento della macchina di Watt può quindi essere riassunto così:
  1. Viene inserita dell'acqua nella camera di ebollizione per creare vapore acqueo.
  2. Raggiunta una certa pressione, viene aperta una valvola che consente al vapore di passare in una seconda camera, fredda, chiamata camera di condensazione. Tale camera è dotata di un pistone (una faccia che può scorrere sulle altre pareti, come quella incontrata poco fa)
  3. All'interno della camera di condensazione la pressione aumenta e il pistone viene spinto verso l'esterno.
  4. Dato che la camera di condensazione rimane sempre fredda, il vapore condensa rapidamente. Di conseguenza la pressione della camera cala e il pistone viene risucchiato dal recipiente di condensazione.
  5. La camera viene svuotata dall'acqua formatasi a seguito della condensazione e viene immesso altro vapore per iniziare un nuovo ciclo.
 Il moto del pistone può dunque essere trasferito ad altri dispositivi. Da notare che non si è mai richiesto che la camera di condensazione venisse riscaldata. Questo, insieme ad altri piccoli miglioramenti, consentì a Watt di creare una Macchina a Vapore almeno tre volte più efficente di quella di Newcomen!
Un Modello della Macchina a Vapore di James Watt

 Col tempo anche la Macchina di Watt venne migliorata, anche in virtù del fatto che in quegli anni venne sviluppata la Termodinamica. Un risultato importante previsto da quest'ultima è che il lavoro massimo estraibile da una macchina di questo tipo è proporzionale alla differenza di temperatura tra la camera di ebollizione e quella di condensazione. Ciò ovviamente permise di costruire macchine sempre più efficienti, che portarono il mondo alla Prima Rivoluzione Industriale.
Conclusioni

 Si potrebbe continuare ancora per molto elencando tutti i dispositivi che sfruttavano i principi della Macchina a Vapore di Watt. Macchine per l'industria tessile, battelli a vapore, locomotive a vapore,... Sono davvero tanti i congegni che sfruttano quest'idea rivoluzionaria, ma sarebbe estremamente riduttivo cercare di stiparli tutti quanti in questo articolo. Mi auguro che il post ti sia piaciuto,
Grazie per aver letto fin qui,
Giulio



Immagini tratte da:
http://www.raiday.com/Progetti/SottoSiti/Tesina%20Maturit%E0/Dati/macchina_a_vapore.htm
http://www.fmboschetto.it/Utopiaucronia/Fanta_Erone.htm
www.emaze.com 
http://www.vittorininet.it/supporto/multimedia/rivoluzioneindustriale/Macchina%20a%20vapore/savery.htm
http://www.museoscienza.org/dipartimenti/catalogo_collezioni/scheda_oggetto.asp?idk_in=ST110-00009&arg=Energia
www.glogster.com
http://www.museoscienza.org/dipartimenti/catalogo_collezioni/scheda_oggetto.asp?idk_in=ST110-00010&arg=Energia

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