La macchina a vapore di Watt - Parte I

Seconda parte, terza parte

Il consumo globale di energia nel 2013 ha superato i 13 miliardi di TPE (tonnellate di petrolio equivalente). L'anno precedente abbiamo toccato quota 12,5 miliardi, consumati principalmente da Asia (5 miliardi di TPE), Nord America (2,4 MTPE) ed Europa (1,9 MTPE). Il mercato delle fonti primarie era così suddiviso:

• petrolio 33,1%
• carbone 29,9%
• gas naturale 23,9%
• energia idrica 6,7%
• nucleare 4,5%
• rinnovabili (solare, eolica, geotermica, biomasse) 1,9%

Il 97% circa dell'energia primaria veniva trasformata in energia utilizzabile attraverso la produzione di calore.

La termodinamica, la scienza del calore, fu un passo decisivo nell'industrializzazione della scienza, e su questa si basavano i motori, dalla turbina a vapore di una centrale elettrica al motore di un autoveicolo, dai turboreattori degli aerei ai motori dei natanti. Sono proprio questi ultimi che, forse, meglio illustrano lo sviluppo della termodinamica nel tempo.

Nel 1837 fu varato il transatlantico Great Western, fratello maggiore del Great Eastern che quasi trent'anni dopo portò al successo la posa del cavo tra USA e Gran Bretagna; nel 1907 i cantieri Cunard di Glasgow, città di Lord Kelvin, vararono la Lusitania, il più grande transatlantico esistente all'epoca; la nave da crociera Queen Mary 2, costata 700 milioni di euro fu varata nel 2003 e oggi compie i suoi primi dieci anni. In 170 anni il rendimento dei motori marini è salito dal 3 al 44%, migliorando di quasi 15 volte.

I concetti di "lavoro" e "forza" in fisica

La termodinamica e la teoria dei rendimenti, ossia il concetto di lavoro utile e calore sprecato, sono figlie della società industriale. L'industria e i trasporti mossi dalle macchine a vapore portarono gli ingegneri, i matematici, i fisici a concepire la trasformazione del calore in lavoro.

Nel periodo 1805-1816 all'École Polytechnique di Parigi ci fu un corso di "scienza delle macchine", al quale erano associati anche Claude Burdin (1788-1873), Sadi Carnot (1796-1832) e Coriolis (1792-1843). L'ingegnere Burdin contribuì allo sviluppo delle turbine ad acqua e sostenne la necessità di legare la meccanica all'economia politica con l'obiettivo di indottrinare gli ingegneri verso la scelta di tecniche produttive più economiche. Il lavoro in fisica, indicato nei libri inglesi, francesi e tedeschi come "W" (abbreviazione di work in inglese, inteso come lavoro manuale, diverso dal più astratto labour) era una grandezza utilizzata dagli ingegneri prima che Coriolis lo introdusse nel 1829 nel glossario della fisica.

Senza industria e commercio dove sarebbe la scienza della natura? Persino questa scienza "pura" della natura ottiene il suo scopo, così come ottiene il suo materiale, soltanto attraverso il commercio e l'industria, attraverso l'attività pratica degli uomini.

L'ideologia tedesca, 1846, Karl Marx e Friedrich Engels

Il cavo atlantico fu la base materiale dello sviluppo della scienza elettrica, mentre la macchina a vapore quello della scienza termodinamica. L'industrializzazione della scienza è in simbiosi con l'evoluzione delle forme produttive, dall'artigianato alla cooperazione, dalla manifattura alla grande industria. La macchina a vapore nasce come creazione artigianale per diventare motore della grande industria. Con la macchina a vapore, la scienza del calore esce dai laboratori artigianali e si industrializza.

Il Seicento non fu solo il secolo delle rivoluzioni astronomiche di Giovanni Keplero (1571-1630), Galileo Galilei (1564-1642), René Descartes (1596-1650), Isaac Newton (1642-1727), ma fu anche il secolo di Evangelista Torricelli (1608-1647), Blaise Pascal (1623-1662), Vincenzo Viviani (1622-1703), Otto von Guericke (1602-1686), Robert Boyle (1627-1691). In quel periodo non si scoprì solo che la Terra ruota attorno al Sole. Il fisico nostrano Evangelista Torricelli, ad esempio, nel 1643 dimostrò l'esistenza del vuoto, che portò poi alla scoperta dell'atmosfera, piuttosto che alla costruzione dei termometri. Così come il tedesco Otto von Guericke sette anni dopo inventò la pompa per creare quel vuoto scoperto dal Torricelli, a conferma della dimostrazione del suo collega.

Illustrazione dell'esperimento di Magdeburgo del fisico Otto von Guericke

La scoperta dell'atmosfera, così potente da sconfiggere la forza degli otto cavalli utilizzati nell'esperimento di von Guericke con gli emisferi di Magdeburgo, fu strabiliante, ma pose un nuovo paletto: come utilizzare questa forza immensa? L'idea era tanto semplice quanto difficile da realizzare a livello tecnologico: se si creava il vuoto in un cilindro, l'atmosfera avrebbe poi spinto dentro un pistone. In quel secolo si ragionava ancora in termini di "forza" e non di "energia" o "lavoro".

Ci vorranno altri tre scienziati prima che James Watt (1736-1819) metta a punto la sua macchina ed entri a pieno titolo tra i giganti della nostra specie.