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LA MACCHINA DI ERONE
Notizie storiche
La macchina di Erone fu inventata in Grecia nel I secolo d.C. da
Erone il vecchio. La si può considerare come uno dei primi esempi
di macchina a vapore della storia. Essa veniva utilizzata per
l'apertura scenografica delle porte di un tempio e di cui siamo a
conoscenza grazie al trattato di Erone sulla Pneumatica.
Questa macchina
provocava l'apertura automatica delle porte del
tempio quando il sacerdote
accendeva il fuoco
sull'altare antistante. Il
fuoco infatti scaldava
l'aria all'interno
dell'altare, provocandone
l'espansione nel serbatoio
sottostante ripieno
d'acqua. Mediante un sifone, l'acqua veniva
spinta in un secchio appeso
ad una fune collegata ai
cardini delle porte. Il
peso crescente
dell'acqua provocava
l'abbassamento del
secchio e quindi,
attraverso l'azione di un
contrappeso, si aveva
l'apertura delle porte. Il tubo del sifone si
estendeva fin quasi al fondo del secchio per cui, quando il fuoco
veniva spento e l'aria si contraeva raffreddandosi, l'acqua
veniva risucchiata nel serbatoio e l'azione del contrappeso
faceva chiudere le porte.
Funzionamento:
Al posto del fuoco tradizionale utilizzato dallo stesso Erone
abbiamo utilizzato, come sorgente di energia termica un
recipiente colmo d’acqua sopra un fornellino che ne mantiene elevata la temperatura;
1) Processo diretto. all’ interno del recipiente verrà inserito un
condensatore pieno d’aria, collegato ad un primo recipiente
(pallone codato chiuso ermeticamente) tramite un tubicino; in
questa prima fase aumenta la pressione all’interno del primo
recipiente pieno d’acqua, la quale, non avendo altri sbocchi è
spinta a salire attraverso un secondo tubicino, andando ad
accumularsi all’interno di un secondo recipiente (o secchio).
Quest’ultimo in un primo momento era sospeso in equilibrio
grazie all’azione di un contrappeso; adesso, man mano che va aumentando la sua massa, tende a scendere provocando
l’apertura delle porte grazie ad un sistema di cardini cui sono
collegati i due pesi.
2) Processo inverso. estraendo il condensatore dalla sorgente
calda accade che l’acqua accumulatasi nel secondo recipiente
tende a risalire per il tubo con una rapidità pari alla differenza
di temperatura tra la sorgente calda (che raggiunge circa i 100
°C, cioè la temperatura dell’acqua bollente) e l’ambiente esterno ( circa 22°C); se addirittura mettiamo il condensatore a
contatto col ghiaccio (0 °C circa), l’ acqua risalirà per il tubo
velocissima andando a ristabilire la situazione d partenza.
Spiegazione del processo fisico:
Ciò è dovuto alla stretta connessione tra calore e pressione: una
certa quantità di calore provoca l’aumento della temperatura del
sistema all’interno del quale è stata immessa e secondo la legge
dei gas perfetti un aumento di temperatura provoca anche una
variazione di pressione e/o volume(dipende dalle situazioni).
PV = nRT
Nel nostro caso l’aumento di volume è possibile, anzi necessario
per raggiungere un nuovo equilibrio ma provoca la risalita
dell’acqua all’interno del tubicino (secondo principi fisici noti fin
dai tempi di Archimede).
Nel processo inverso, invece, il calore è negativo e pressione e
volume diminuiscono innescando un effetto contrario a quello
precedente.
Perché le porte non si richiudono?
Per quanto riguarda la parte termodinamica la nostra macchina funziona perfettamente e il processo è reversibile;
i problemi sorgono nella parte meccanica perché, sebbene la
massa del primo recipiente arrivi ad essere nuovamente uguale a
quella del contrappeso, la forza d’attrito è di un ordine di
grandezza di gran lunga superiore a quello delle differenze di
massa che siamo in grado di raggiungere col processo
termodinamico.
Inoltre mentre nel processo diretto noi applichiamo una forza
via via più intensa con l’aumentare dell’ acqua nel recipiente (e
quindi della sua massa),
e quindi un impulso, nel percorso inverso manca proprio questo impulso che inneschi il risalire del secondo recipiente.
A cura di: Liceo Scientifico Cannizzaro
Scuola secondaria di secondo grado
Fisica
Temperatura e calore