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Macchina a vapore Motore termico alternativo a combustione esterna, che si basa sull'espansione e sul successivo raffreddamento del vapore generato in una caldaia. La macchina a vapore trasforma energia termica in energia meccanica con un rendimento generalmente basso, per cui nella maggior parte delle applicazioni destinate alla produzione di forza motrice è stata sostituita dalla turbina a vapore.

2 Cenni storici

La prima rudimentale macchina a vapore fu inventata nel 1690 dal francese Denis Papin e venne usata per il pompaggio dell'acqua. La 'pentola di Papin' era poco più di una curiosità: 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.

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.

Partendo dall'idea di migliorare il motore di Newcomen, lo scozzese James Watt realizzò una serie di importanti invenzioni, che portarono allo sviluppo della moderna macchina a vapore. La prima di tali invenzioni fu un motore dotato di una camera di condensazione del vapore separata, mediante la quale si riuscivano a ridurre la perdite di vapore che si verificavano nell'alternarsi di riscaldamenti e raffreddamenti del cilindro. Nel motore di Watt, infatti, il cilindro era isolato e rimaneva alla temperatura del vapore. La camera di condensazione separata veniva raffreddata ad acqua ed era dotata di una pompa, utilizzata sia per creare una depressione sufficiente ad aspirare il vapore dal cilindro sia per rimuovere l'acqua dalla camera stessa.

Un'altra radicale innovazione dei primi motori di Watt consisteva nel fatto che in essi era la pressione del vapore, e non la pressione atmosferica, a compiere lavoro utile. Watt inventò anche il modo di trasformare il moto rettilineo alternativo dello stantuffo nel moto rotatorio continuo di un volano, utilizzando dapprima un sistema di ruote dentate, e poi con un sistema biella-manovella simile a quello delle macchine a vapore moderne. Introdusse inoltre il principio del doppio effetto, secondo il quale il vapore viene immesso alternativamente all'una o all'altra estremità del cilindro, in modo da azionare lo stantuffo sia nella corsa di andata sia in quella di ritorno, e dotò il motore di una valvola di regolazione, comandata da un meccanismo a retroazione (noto ancor oggi come regolatore di Watt), per mantenere costante la velocità di rotazione del volano.

Il successivo importante sviluppo della macchina a vapore fu l'introduzione dei motori senza condensatore, il cui principio fu 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.

All'incirca nello stesso periodo, il britannico Arthur Woolf costruiva le prime macchine a doppia espansione, o 'compound': il vapore ad alta pressione veniva immesso in un cilindro e, una volta espanso con conseguente riduzione della pressione, passava in un secondo cilindro dove subiva un'ulteriore espansione. I motori di Woolf erano a due cilindri, ma in seguito furono costruite anche macchine a tripla e a quadrupla espansione. Il vantaggio nel combinare due o più cilindri consiste in un risparmio di energia per quanto riguarda il riscaldamento delle pareti del cilindro, aumentando di conseguenza il rendimento della macchina.

Steam engine Engine thermal alternative external combustion, which is based on the expansion and subsequent cooling of the steam generated in a boiler. The steam engine converts heat energy into mechanical energy with a generally low yield, so in most applications for the production of motive power has been replaced by a steam turbine.

2 History

The first crude steam engine was invented in 1690 by the Frenchman Denis Papin and was used for pumping water. The 'pot Papin' was little more than a curiosity: the actual work was performed from more than by the pressure of steam. Consisted of a single cylinder carrying the boiler function: at the bottom you enter a small amount of water which was heated to produce a partial evaporation, the pressure of the steam produced raised a plunger that flowed into the cylinder, and finally, when the heat source was removed, the vapor condenses and the plunger is no longer supported by the underlying pressure, was pushed down by its weight and the atmospheric pressure.

More efficient was the so-called atmospheric engine, invented in 1705 by Thomas Newcomen and UK consists of a vertical cylinder with a plunger equipped with a counterweight. The steam injected at low pressure from the bottom of the cylinder pushing up the plunger, relieved by rest. When the piston reached the top of the cylinder, it automatically opens a valve and inside the cylinder was sprayed a jet of cold water: the temperature was lowered to condense the steam and air pressure pushing down the plunger. The arm, tilting on a fixed pivot, the connecting rod of the piston and the counterweight is extended with a bar, rising and lowering the second movement of the piston driven pump. Although it is not very efficient, the Newcomen engine was found to be quite practical and was widely used for pumping water out of coal mines.

Starting from the idea of improving the Newcomen engine, the Scotsman James Watt carried out a series of important inventions, which led to the development of the modern steam engine. The first of these inventions was an engine equipped with a chamber separate vapor condensation, by which it could reduce the loss of steam that occurred of the interplay of heating and cooling of the cylinder. In the Watt engine, the cylinder was isolated and remained at the temperature of steam. The separate condensing chamber was cooled with water and was equipped with a pump, is used to create a vacuum sufficient to draw vapor from the cylinder is to remove the water from the chamber.

Another radical innovation of the first Watt engines was that they had the pressure of steam, and not the atmospheric pressure, to do useful work. Watt also invented a way to transform the alternative rectilinear motion of the piston in continuous rotary motion of a fly, using a system of first gear wheels, and then with a rod-crank system similar to that of the modern steam engines. Also introduced the principle of double effect, whereby the steam is injected alternately to one or the other end of the cylinder, so as to actuate the plunger is in the race is going to return, and gave the engine a valve controlled by a feedback mechanism (known today as the governor of watts), to maintain the speed of rotation of the flywheel.

The next major development of the steam engine was the introduction of engines without the condenser, the principle of which was sensed but not produced by Watt. At the beginning of the nineteenth century the British Richard Trevithick and Oliver Evans U.S. ottimi conceive without capacitor motors that employed high pressure steam. Trevithick used this type of machine to operate the first locomotive of history.

At about the same time, Arthur Woolf, the British built the first machines with double expansion, or 'compound': the high pressure steam was injected into a cylinder and, when expanded with a consequent reduction in pressure, passed in a second cylinder which suffered a further expansion. Woolf engines had two cylinders, but later machines were built even triple and quadruple expansion. The advantage of combining two or more cylinders is a saving of energy with respect to the heating of the walls of the cylinder, consequently increasing the efficiency of the machine.