La macchina a vapore: Newcomen e Watt

Il condensatore separato di James Watt, brevettato il 5 gennaio 1769, permetteva a una macchina a vapore di compiere lo stesso lavoro bruciando circa due terzi di carbone in meno.

L’acqua nelle miniere

Nel 1700 la Gran Bretagna bruciava sempre più carbone e i filoni facilmente accessibili vicino alla superficie si esaurivano. Le miniere più profonde si allagavano e pompare via l’acqua con i cavalli era lento e costoso. Nel 1698 Thomas Savery brevettò una pompa a vapore che chiamò Miner’s Friend, ma non sollevava l’acqua molto in alto e le sue caldaie erano pericolose. Thomas Newcomen, un commerciante di ferramenta di Dartmouth, nel Devon, trovò un metodo migliore. Nel 1712, insieme al socio John Calley, costruì una macchina per pompare l’acqua dalle miniere di carbone di Coneygree, vicino a Dudley, nelle West Midlands. È considerata in genere la prima macchina a vapore di questo tipo ad aver funzionato con successo, e una replica funzionante a grandezza naturale è oggi in azione al Black Country Living Museum, nella stessa tenuta.

Come funzionava la macchina di Newcomen

La macchina di Newcomen sfruttava il peso dell’aria e non la spinta del vapore. Il vapore a bassa pressione di una caldaia riempiva un grande cilindro sotto un pistone. Poi un getto di acqua fredda veniva spruzzato nel cilindro. Il vapore si condensava in poche gocce d’acqua, lasciando un vuoto parziale, e la pressione dell’atmosfera all’esterno spingeva il pistone verso il basso. Il pistone era collegato con una catena a un’estremità di un enorme bilanciere di legno; mentre scendeva, l’altra estremità saliva e sollevava un’asta di pompa nel pozzo della miniera. Si faceva entrare di nuovo il vapore, il peso dell’asta riportava indietro il bilanciere e il ciclo si ripeteva circa una dozzina di volte al minuto. Poiché il vapore era a pressione così bassa, il rischio che la caldaia scoppiasse era scarso. Alla morte di Newcomen c’erano più di cento delle sue macchine in Inghilterra e altre in Europa.

Il problema visto da Watt

James Watt era un costruttore di strumenti matematici con un’officina all’Università di Glasgow, dove il chimico Joseph Black divenne suo amico e maestro. Nell’inverno tra il 1763 e il 1764 gli fu chiesto di riparare il piccolo modello di macchina di Newcomen dell’università, che continuava a guastarsi. Watt scoprì che circa l’80% del calore del vapore serviva solo a riscaldare di nuovo il cilindro dopo che ogni spruzzo di acqua fredda lo aveva raffreddato. La soluzione, che mise a punto entro il 1765, era condensare il vapore in un altro luogo. Un condensatore separato, tenuto sempre freddo e collegato al cilindro da un tubo, aspirava il vapore e lo trasformava in acqua, mentre il cilindro restava caldo. Il 5 gennaio 1769 Watt ottenne un brevetto per «un nuovo metodo per ridurre il consumo di vapore e di combustibile nelle macchine a fuoco». Lo Science Museum lo definisce il più grande miglioramento singolo mai apportato alla macchina a vapore.

Boulton e Watt

Trasformare un modello in una macchina funzionante richiese anni e denaro. Nel 1774 Watt si trasferì a Birmingham e nel 1775 si associò al fabbricante Matthew Boulton, nelle cui officine di Soho lavoravano gli abili operai del ferro di cui Watt aveva bisogno. Le prime macchine Boulton e Watt entrarono in funzione nel 1776: una pompava l’acqua da una miniera di carbone vicino a Tipton e una soffiava aria per le ferriere di John Wilkinson a Broseley. Dal 1777 molte furono vendute alle miniere di rame e stagno della Cornovaglia, dove il carbone costava caro e risparmiare combustibile contava più di tutto. Le macchine con il condensatore di Watt bruciavano circa due terzi di carbone in meno di quelle di Newcomen. Watt progettò poi sistemi per trasformare il moto su e giù del bilanciere in rotazione, così che le macchine potessero azionare i macchinari di opifici, birrifici e ferriere, e non solo pompe. Il brevetto di Watt durò fino al 1800 e, alla sua scadenza, altri costruttori si affrettarono a usare il condensatore separato. Oggi l’unità di potenza, il watt, porta il suo nome.