Macchine termiche.

32. Macchina a vapore. — Gli organi essenziali di una macchina a vapore sono la caldaia, il cilindro e il condensatore. Nella prima si vaporizza dell’acqua sotto una pressione elevata; il vapore ottenuto passa al cilindro, spinge lo stantuffo, che trasmette il suo moto all’albero della macchina, e si liquefà, infine, nel condensatore, dal quale una pompa riporta l’acqua ottenuta nella caldaia.

Per esaminare più davvicino il funzionamento della macchina consideriamo la fig. 33, che ne dà un modello schematico.

La caldaia C, ove l’acqua bolle a temperatura elevata T e il vapore ha una pressione di alquante atmosfere, comunica coi due estremi del cilindro, attraverso i rubinetti a e c. E così il refrigerante R, ove l’acqua è tenuta a una bassa temperatura t, comunica pure col cilindro per mezzo dei tubi portanti i rubinetti b e d.

Quando, come nella figura, sono aperte le comunicazioni a e b e chiuse le c e d, sulle due facce dello stantuffo S si eserciteranno le pressioni H e h eguali alle tensioni massime del vapor d’acqua alle temperature T e t; e in totale lo stantuffo sarà spinto verso destra. Quando lo stantuffo è giunto all’estremo della sua corsa, chiudiamo a e b e apriamo c e d. Il vapore, che aveva invaso il cilindro a sinistra di S, si condenserà, attraverso d, in R, e acquisterà subito la pressione h per il principio della parete fredda; mentre il vapore proveniente dalla caldaia eserciterà la pressione H sulla faccia a destra di S; quindi lo stantuffo si sposterà verso sinistra con forza costante. Si potrà quindi, con la manovra descritta, produrre un moto alternativo dello stantuffo, che, per mezzo di opportune trasmissioni articolate, potrà divenire moto rotatorio di un asse, ed essere così utilizzato come sorgente di lavoro meccanico.

Nella macchina descritta il vapore che ha accompagnato lo stantuffo fino all’estremo della sua corsa, e che ha la pressione elevata H, si precipita nel refrigerante alla successiva manovra dei rubinetti; ma è chiaro che se, nella posizione della figura, noi chiudiamo il rubinetto a mentre lo stantuffo è a metà della corsa, il vapore accumulato alla sua sinistra continuerà a espandersi, raffreddandosi, e fornendo del lavoro che era prima inutilizzato. La forza propulsiva del vapore sarà minore nella seconda metà della corsa, rispetto al caso precedente; ma se anche fosse, in media, solo la metà, il lavoro totale nell’intera corsa sarà i tre quarti di prima, mentre il consumo di vapore sarà divenuto metà. E poichè la produzione del vapore richiede il consumo di combustibile, il secondo procedimento sarà più economico. Questo avviene appunto nelle macchine a espansione.

La massima economia si otterrebbe se il vapore, prima di condensarsi in R, si espandesse tanto da acquistare la temperatura e la pressione del condensatore. Ma anche in tal caso, nel moto retrogrado dello stantuffo, si liqueferebbe sempre in R, perdendo così le calorie di vaporizzazione, che dovrà poi riprendere in C. Adunque il calore fornito da noi alla caldaia non può in nessun caso essere interamente utilizzato, ma una parte sarà sempre ceduta al refrigerante R di temperatura più bassa, come richiede il secondo principio della Termodinamica [§ 14].