STEP #04 - Il principio fisico

 Il motore a vapore

Come tutte le macchine a vapore, anche nel battello (o piroscafo) il principio fisico alla base del funzionamento è la produzione di lavoro meccanico a spese dell'energia termica, immagazzinata nel vapore.

 

I motori a vapore sono stati i primi motori propriamente detti a riscuotere un discreto successo e furono il traino della rivoluzione industriale per la loro versatilità.

 Nell'atto pratico, un motore a vapore può essere suddiviso in diverse fasi, la prima delle quali consiste nel riscaldare l'acqua fino almeno ad ebollizione. Si distingue allora in questo caso il vapore saturo (in equilibrio, cioè, con il suo liquido) e il vapore surriscaldato: quest'ultimo è il prodotto al quale ci si vuole avvicinare di più in quanto contiene più energia termica, che è la "moneta" che si spende per avere in cambio energia meccanica all'albero.

Semplificando, per un momento, la trattazione e considerando il vapore d'acqua come un gas perfetto governato dalla legge:

pV = nRT

dove:

p = pressione

V = volume

n = numero di moli

R = costante dei gas perfetti

T = temperatura

 notiamo come pressione e temperatura siano direttamente proporzionali: più energia termica si avrà nel sistema e più questo sarà in grado, ad esempio, di espandere un pistone collegato a dei meccanismi meccanici come quello a biella-manovella: è proprio qui che si assiste al passaggio dall'energia termica del vapore all'energia meccanica che, nel caso del battello a vapore, è trasferita alle ruote calettate tramite un albero.

Il passaggio dall'idealità alla realtà si ottiene considerando le eventuali perdite lungo l'intera linea: a partire da quando l'acqua è trasformata in vapore, infatti, si può assistere ad una non adiabaticità della camera di combustione con conseguente perdita di parte del calore che finirà qundi in ambiente e non a scaldare il fluido di processo, nonchè ad una ovvia perdita di efficienza nella linea meccanica dovuta ad attriti tra parti ed ingraggi.

Un ideale ciclo Rankine, come mostrato in figura, risulterà piuttosto come la parte tratteggiata nel seguente:

 

 

 

 

Possiamo infatti notare come nel diagramma Pressione - volume, per le varie trasformazioni:

AB e DC non siano effettivamente isobare, cioè condotte a pressione costante

AD non sia isocora

BC non sia adiabatica, ma che abbia infatti delle perdite di calore

Si indica perciò spesso il rendimento, ovvero quanto distanti ci troviamo dall'idealità del sistema:

η = L/Q

dove L è il lavoro meccanico che la macchina termica può produrre e Q è il calore del fluido di processo: il vapore nel caso della macchina di Watt utilizzata nel battello di Fulton.

Bibliografia e siti

https://www.chimica-online.it/fisica/macchina-a-vapore.htm <ultimo accesso 17/11/2021>

https://it.wikipedia.org/wiki/Macchina_a_vapore_di_James_Watt <ultimo accesso 17/11/2021>

https://www.youmath.it/lezioni/fisica/termodinamica/3633-rendimento-macchina-termica.html  <ultimo accesso 17/11/2021>