Motore a vapore, macchina che utilizza la potenza del vapore per eseguire lavoro meccanico attraverso l’agenzia del calore.
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Segue una breve trattazione dei motori a vapore. Per una trattazione completa della potenza e della produzione del vapore e dei motori a vapore e delle turbine, vedi Conversione dell’energia: Motori a vapore.
In un motore a vapore, il vapore caldo, solitamente fornito da una caldaia, si espande sotto pressione, e parte dell’energia termica viene convertita in lavoro. Il resto del calore può essere lasciato uscire o, per la massima efficienza del motore, il vapore può essere condensato in un apparato separato, un condensatore, a temperatura e pressione relativamente basse. Per un’alta efficienza, il vapore deve cadere attraverso un’ampia gamma di temperature come conseguenza della sua espansione all’interno del motore. La prestazione più efficiente – cioè la massima produzione di lavoro in relazione al calore fornito – è assicurata utilizzando una bassa temperatura del condensatore e un’alta pressione della caldaia. Il vapore può essere ulteriormente riscaldato facendolo passare attraverso un surriscaldatore durante il tragitto dalla caldaia al motore. Un surriscaldatore comune è un gruppo di tubi paralleli con le loro superfici esposte ai gas caldi nel forno della caldaia. Per mezzo di surriscaldatori, il vapore può essere riscaldato oltre la temperatura alla quale è prodotto dall’ebollizione dell’acqua.
In un motore alternativo, il tipo a pistone e cilindro del motore a vapore, il vapore sotto pressione è ammesso nel cilindro da un meccanismo di valvole. Quando il vapore si espande, spinge il pistone, che di solito è collegato a una manovella su un volano per produrre movimento rotatorio. Nel motore a doppio effetto, il vapore della caldaia è ammesso alternativamente a ciascun lato del pistone. In un motore a vapore semplice, l’espansione del vapore avviene in un solo cilindro, mentre nel motore composto ci sono due o più cilindri di dimensioni crescenti per una maggiore espansione del vapore e una maggiore efficienza; il primo e più piccolo pistone è azionato dal vapore iniziale ad alta pressione e il secondo dal vapore a bassa pressione esaurito dal primo.
Nella turbina a vapore, il vapore viene scaricato ad alta velocità attraverso degli ugelli e poi scorre attraverso una serie di pale fisse e mobili, facendo muovere un rotore ad alta velocità. Le turbine a vapore sono più compatte e di solito permettono temperature più alte e rapporti di espansione maggiori rispetto ai motori a vapore alternativi. La turbina è il mezzo universale utilizzato per generare grandi quantità di energia elettrica con il vapore.
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I primi motori a vapore furono le novità scientifiche di Erone di Alessandria nel I secolo d.C., come l’eolipila, ma solo nel XVII secolo furono fatti tentativi di sfruttare il vapore per scopi pratici. Nel 1698 Thomas Savery brevettò una pompa con valvole azionate a mano per sollevare l’acqua dalle miniere grazie all’aspirazione prodotta dalla condensazione del vapore. Nel 1712 circa un altro inglese, Thomas Newcomen, sviluppò un motore a vapore più efficiente con un pistone che separava il vapore condensato dall’acqua. Nel 1765 James Watt migliorò notevolmente il motore di Newcomen aggiungendo un condensatore separato per evitare di riscaldare e raffreddare il cilindro ad ogni colpo. Watt sviluppò poi un nuovo motore che faceva ruotare un albero invece di fornire il semplice movimento su e giù della pompa, e aggiunse molti altri miglioramenti per produrre una pratica centrale elettrica.
British Crown copyright, Science Museum, Londra
Un’ingombrante carrozza a vapore per le strade fu costruita in Francia da Nicholas-Joseph Cugnot già nel 1769. Richard Trevithick in Inghilterra fu il primo ad utilizzare una carrozza a vapore su una ferrovia; nel 1803 costruì una locomotiva a vapore che nel febbraio 1804 fece una corsa di successo su un percorso a cavallo nel Galles. L’adattamento della macchina a vapore alle ferrovie divenne un successo commerciale con il Rocket dell’ingegnere inglese George Stephenson nel 1829. Il primo battello a vapore pratico fu il rimorchiatore Charlotte Dundas, costruito da William Symington e provato nel Forth and Clyde Canal, in Scozia, nel 1802. Robert Fulton applicò il motore a vapore a una nave passeggeri negli Stati Uniti nel 1807.
Library of Congress, Washington, D.C.
Anche se il motore a vapore ha ceduto il passo al motore a combustione interna come mezzo di propulsione dei veicoli, l’interesse per esso è rinato nella seconda metà del XX secolo a causa dei crescenti problemi di inquinamento atmosferico causati dalla combustione di combustibili fossili nei motori a combustione interna.
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