motore

motore

motóre [agg. (f. -trice) e s.m. Der. del lat. motor -oris "che mette in movimento", dal part. pass. motus di movere "muovere"] [FTC] Sistema materiale capace di trasformare energia di una certa specie (cinetica o di pressione di un liquido o di un gas, elettrica di una corrente continua o alternata, ecc.) in energia meccanica di traslazione o, più spesso, di rotazione di certi organi; oltre che in base alla natura dell'energia primaria, per cui di hanno m. idraulici, pneumatici, elettrici, ecc., si distinguono anche in base a particolarità di funzionamento e costruttive (m. alternativi, a capsulismi, a getto o a reazione, a induzione, a turbina, ecc.) e in base allo scopo (m. di trazione per le motrici di treni, m. di sollevamento per argani, ecc.). ◆ [FTC] [EMG] M. elettrici: sono macchine rotanti capaci di trasformare energia elettrica in energia meccanica di rotazione dell'albero di un rotore. La coppia utile sull'albero è determinata da azioni elettrodinamiche esercitate da campi magnetici (rotanti o fissi) su conduttori percorsi da correnti (indotte o impresse) oppure, in particolari tipi di m., dall'azione di trascinamento che un campo magnetico rotante esercita su un rotore anisotropo (provvisto di espansioni polari). Un m. elettrico è caratterizzato, oltre che dalla tensione e dalla frequenza della corrente di alimentazione, anche dalla potenza nominale, definita come la potenza meccanica massima ottenibile sull'albero, e dalla corrispondente velocità (angolare) nominale; sono altresì importanti i valori della coppia di spunto e della corrente di spunto, caratteristici del funzionamento a rotore bloccato, e il valore della coppia massima che il m. può fornire. Il rendimento di un m. elettrico è definito come il rapporto tra la potenza meccanica resa e la potenza elettrica assorbita dalla rete. L'idea di utilizzare le azioni elettrodinamiche per produrre lavoro meccanico risale, comunque, alla prima metà del 1800 (esperienze di P. Barlow e di M. Faraday); per incontrare un m. efficiente bisogna arrivare fino agli anni 1860-64, quando A. Pacinotti costruì la "macchinetta elettromagnetica" con indotto ad anello e commutatore. In un saggio pubblicato sul Nuovo Cimento (1865), Pacinotti descrisse accuratamente la sua invenzione e ne specificò la capacità di funzionare anche come generatore di corrente continua. Fu però il belga Z.T. Gramme a sfruttare industrialmente l'idea e a costruire negli anni 1870-71 numerose dinamo di dimensioni commerciali e a scoprirne la reversibilità, cioè la capacità di funzionare anche da motore. I m. elettrici possono essere classificati in base a vari criteri; il più diffuso sistema di classificazione è quello in base alla natura dell'energia elettrica di alimentazione, che porta a considerare m. a, o in, corrente continua, il cui principio di funzionamento è quello della dinamo, e m. a, o in corrente alternata, il cui principio si rifà a quello dell'alternatore (per altre notizie generali, v. anche macchine elettriche). (a) M. a corrente continua. Come ora detto, sono costruttivamente identici alle dinamo; lo statore, o induttore, è bipolare solo nei m. molto veloci e per piccole potenze, altrimenti conta non meno di 4 poli; il rotore, o indotto o armatura, è a tamburo dentato; il collegamento tra lo statore e il rotore, che avviene attraverso il contatto spazzole-collettore, può essere (fig. 1) in serie, in derivazione (o parallelo) e mista, intendendosi in questo ultimo caso che una parte degli avvolgimenti dello statore è in serie al rotore e l'altra parte è in parallelo a esso. Indicando con Ke, Kn, Kc opportune costanti dimensionali, le relazioni che permettono di tracciare i diagrammi di funzionamento dei m. a corrente continua in queste varie condizioni di collegamento sono le seguenti (V, tensione ai morsetti; R', resistenza complessiva del sistema spazzole-armatura; ia, intensità della corrente nel rotore; Φ, flusso massimo d'induzione magnetica generato dai circuiti di eccitazione): [1] E=V-R'ia=KenΦ, essendo E la forza controelettromotrice; [2] n=KnE/Φ=Kn(V-R'ia)Φ, essendo n la frequenza di rotazione; [3] C=KcΦia, essendo C la coppia; [4] Pm=Eia, essendo Pm la potenza meccanica totale. Nel m. eccitato in derivazione, Φ è con ottima approssimazione costante e dalla [3] risulta che la coppia è proporzionale all'intensità della corrente nel rotore; siccome la resistenza R' è molto piccola, la caduta di tensione R'ia è trascurabile e si può concludere che all'alimentazione a tensione V costante corrisponde una frequenza di rotazione n praticamente costante (si dice comunem. che il m. con eccitazione in derivazione è un m. a velocità costante). La caratteristica meccanica ha l'andamento della curva a della fig. 2. Il m. eccitato in derivazione è usato ove occorra una velocità pratic. costante al variare del carico (macchine utensili, ecc.), benché abbia una coppia di spunto minore di quella del m. eccitato in serie. In quest'ultimo, il flusso Φ è proporzionale a ia e di conseguenza la coppia C, in base alla [3], risulta proporzionale al quadrato di ia fino a quando non intervengono gli effetti della saturazione magnetica; quando varia C, e quindi ia, varia anche il flusso Φ e di conseguenza varia anche la frequenza di rotazione n, come risulta dalla [1], se l'alimentazione è a tensione V costante; la caratteristica meccanica è a velocità variabile e ha l'andamento della curva b della fig. 2. Il m. eccitato in serie è molto utile per le sue caratteristiche meccaniche nel campo della trazione in quanto possiede un'elevata coppia di spunto. Nei m. a eccitazione composta si può ottenere, con un opportuno proporzionamento dell'avvolgimento in serie e di quello in derivazione, un comportamento che si avvicini più a quello del m. eccitato in serie (forte coppia di spunto, pur rimanendo la velocità contenuta in limiti non troppo estesi) o a quello del m. eccitato in derivazione, migliorandone addirittura la costanza della velocità al variare del carico; all'avviamento (n=0) l'intensità della corrente nel rotore è molto elevata in quanto, come risulta dalla relazione data in precedenza, la forza controelettromotrice E è nulla e la corrente ia è limitata solo dalla resistenza R'. Per ridurre il valore della ia, che metterebbe fuori uso l'avvolgimento del rotore, s'inserisce all'avviamento un reostato d'avviamento, Ra, in serie al rotore; per regolare il campo induttore v'è un altro reostato (reostato di campo); questi due reostati sono spesso costituiti da un commutatore che inserisce e disinserisce un certo numero di resistori, con manovra manuale oppure automatica via via che varia la velocità del rotore. (b) M. a corrente alternata asincrono. Il m. asincrono trifase (m. trifase a induzione) è il m. elettrico più diffuso per la grande semplicità e robustezza costruttive, per la facilità di avviamento e perché copre un'estesa gamma di potenze (sino a decine di migliaia di kW), con un rendimento che, dai piccoli ai grandi m., varia dal 70 al 96 %. Il principio di funzionamento su cui si basa è quello del campo magnetico rotante, scoperto da G. Ferraris, per cui questo m. è chiamato anche m. a campo rotante (v. macchine elettriche: III 510 d). La sua invenzione ha avuto un'importanza fondamentale nella diffusione dell'energia elettrica alternata trifase come sorgente di forza motrice per svariatissime applicazioni. L'avvolgimento statorico, trifase, a due o più coppie polari, è alimentato direttamente dalla linea a corrente alternata, a tensione che può arrivare fino a 10 000 V, mentre il rotore, come avviene per il secondario di un trasformatore, è sede di correnti indotte dal campo magnetico rotante statore. Nel m. asincrono monofase (m. monofase a induzione) l'avvolgimento statorico, che genera il campo induttore, è monofase; l'avvolgimento del rotore (indotto) è polifase, spesso del tipo a gabbia semplice. Mentre nei m. trifasi il campo induttore è rotante, nei m. monofasi è alternato di direzione fissa nello spazio; si può pensare comunque di decomporlo in due campi, di uguale ampiezza, rotanti con uguale frequenza in sensi opposti. A rotore fermo, per la simmetria dei due campi, la coppia motrice è nulla. Imprimendo al rotore una rotazione in un senso, muta la velocità relativa dei due campi rispetto a esso e si ha una coppia differenziale che lo tiene in rotazione in quel senso e può vincere la coppia di carico; ciò significa che, essendo nulla la coppia all'avviamento, sono necessari opportuni artifici per la messa in moto, i più usati dei quali consistono nel creare una configurazione di un virtuale m. bifase mediante un apposito avvolgimento statorico in serie al quale è un condensatore che introduce uno spostamento di 90°. (c) M. a corrente alternata a commutazione. Nel m. a commutazione monofase lo statore è analogo a quello del m. asincrono monofase; il rotore, simile a quello delle macchine a corrente continua, reca, su un piano formante un certo angolo β rispetto al piano neutro (il piano per l'asse di rotazione del rotore, perpendicolare al piano dell'avvolgimento statorico eccitato), una doppia fila di spazzole che adducono al rotore una corrente che ha la stessa frequenza di quella statorica. Le spire comprese nell'angolo 2β sono sede di una forza elettromotrice di origine statica, come si verifica nei trasformatori; quelle comprese nell'angolo π-2β sono sede di una forza elettromotrice di origine dinamica, dovuta cioè alla rotazione dell'indotto. La corrente addotta al rotore attraverso le spazzole genera un campo alternativo che può essere decomposto secondo la direzione principale (componente dovuta alla parte di avvolgimento compresa nell'angolo 2β) e secondo la direzione trasversale (componente dovuta alla parte di avvolgimento compresa nell'angolo π-2β). Le spazzole possono essere chiuse in cortocircuito oppure collegate in vari modi con una sorgente esterna di forza elettromotrice, per cui questa categoria di m. offre numerose realizzazioni costruttive; tra queste, ricordiamo il cosiddetto m. serie, in cui l'avvolgimento rotorico è in serie con quello statorico, caratterizzato da ampia variazione di coppia e di frequenza di rotazione e il m. a repulsione, notevole per la forte coppia all'avviamento e per la facilità di regolarne la velocità su un ampio campo e di invertirne il senso di rotazione, le spazzole sono permanentemente chiuse in cortocircuito. Nel m. a commutazione trifase lo statore è analogo a quello di un normale m. asincrono trifase; il rotore è simile all'indotto di una macchina a corrente continua ed è pertanto munito di collettore a lamelle; sia lo statore che il rotore sono alimentati mediante un sistema trifase di correnti, in serie oppure in derivazione. (d) M. a corrente alternata sincrono. Generic. qualsiasi m., per es. a riluttanza, il cui rotore ruoti con una frequenza uguale a quella del campo magnetico rotante di statore (e quindi costante se la frequenza delle correnti di alimentazione è costante); correntemente, peraltro, per m. sincrono s'intende principalmente una macchina elettrica sincrona (v. macchine elettriche: III 510 e) quando funziona come m. e le sue caratteristiche costruttive sono uguali a quelle dell'alternatore. La coppia elettromagnetica è dovuta all'interazione tra il campo magnetico rotante generato dalle correnti alternate circolanti negli avvolgimenti statorici e il campo magnetico rotante di rotore, che viene, per così dire, trascinato; siccome il campo di rotore è generato da un avvolgimento percorso da corrente continua, tale coppia può esercitarsi solamente se il rotore ruota con la stessa velocità angolare del campo di statore (velocità di sincronismo); di conseguenza, i m. sincroni non si avviano spontaneamente; l'avviamento dev'essere effettuato ricorrendo a un m. ausiliario di lancio (con potenza 5÷10 % di quella del m. sincrono), con il quale si porta il rotore in prossimità della velocità di sincronismo; chiudendo poi l'interruttore di macchina e inviando corrente nel circuito di eccitazione, il m. si sincronizza automaticamente. Molto spesso si provvede a disporre sul rotore dei m. sincroni un avvolgimento a gabbia, per cui l'avviamento può in questi casi essere effettuato facendo funzionare temporaneamente il m. come asincrono (m. autosincrono o asincrono sincronizzato). Per la sua proprietà di assorbire, funzionando a vuoto, una corrente in quadratura rispetto alla tensione, quando è fatto funzionare in regime, sopraeccitato o sottoeccitato, ha invece diffuse applicazioni per produrre potenza reattiva. Inserito in parallelo in una rete di energia elettrica, il m. sincrono può allora compensare lo sfasamento in essa prodotto da macchine asincrone o da altri utilizzatori, regolandone sia la tensione che il fattore di potenza; se usato per questo scopo, il m. sincrono è chiamato comunem. compensatore sincrono o condensatore rotante. Il m. sincrono ha rendimento (92÷96 %) più elevato dell'asincrono e, per taluni campi di elevate potenze e di basse velocità, peso e costo meno elevati; non viene di solito adottato per potenze inferiori a 50 kVA. M. sincroni di piccola potenza (2÷50 VA), nei quali il rotore è costituito da un magnete multipolare opportunamente foggiato, sono usati in vari apparecchi e dispositivi a orologeria o come veri e propri orologi elettrici (fidando sulla costanza della frequenza della corrente di alimentazione). ◆ [FTC] [EMG] M. elettrico a isteresi: m. a corrente alternata che si avvia da asincrono e ha un funzionamento sincrono. Lo statore è in generale alimentato con tensione monofase; il rotore è costituito da uno o più anelli di materiale magnetico ad alto campo coercitivo. Durante l'avviamento il rotore subisce una magnetizzazione rotante ed è sede di perdite pari a pr=sfA (s è lo scorrimento, f la frequenza della tensione di alimentazione, A la potenza perduta per isteresi in un ciclo di magnetizzazione); siccome tale potenza deve essere pari a snoC (no è la frequenza di rotazione sincrona, C la coppia meccanica), si deduce che durante l'avviamento la coppia è costante e, di conseguenza, è costante la potenza assorbita a meno delle perdite nello statore. In prossimità della frequenza di sincronismo, gli anelli restano magnetizzati per isteresi magnetica e il rotore si sincronizza. Sono utilizzati per velocità costanti e quando non si richiedono forti coppie. ◆ [FTC] [EMG] M. elettrico a riluttanza: m. a corrente alternata che dal punto di vista costruttivo è simile a un m. asincrono; può avere l'avvolgimento statorico trifase o monofase; il rotore, del tipo a gabbia, ha però delle scanalature molto profonde, così da presentare poli salienti; quando il m. è prossimo alla frequenza di sincronismo, il rotore si sincronizza da solo perché tende a disporsi in modo da presentare la minima riluttanza al flusso magnetico rotante generato dalle correnti statoriche. Tali m. vengono costruiti per piccolissime potenze e per velocità costanti; hanno il vantaggio della grande semplicità e del basso costo. ◆ [FTC] [EMG] M. elettrico lineare: il principio di funzionamento si basa sulla generazione di un campo magnetico che varia spazialmente con moto rettilineo uniforme anziché con moto rotatorio. L'avvolgimento induttore, alimentato da corrente trifase, può essere fisso o mobile. La prima soluzione è adottata per imprimere all'indotto un moto alternativo (per es., navicella di telai) o per l'azionamento di numerosi mezzi su di un tratto di lunghezza limitata (per es., carrelli da miniera); la seconda soluzione si presta meglio a ottenere un moto su grandi distanze (per es., trazione ferroviaria). L'indotto è sempre massiccio e nel secondo caso è costituito da una terza rotaia soggetta alla forza di reazione, mentre le ruote hanno unicamente compiti portanti. L'idea del m. lineare risale ai primordi del-l'elettrotecnica, ma fino a ora le numerose e gravi difficoltà da superare ne hanno impedito l'utilizzazione su scala industriale. ◆ [FTC] [EMG] M. elettrico passo-passo, o a passo: tipo di m. impiegato negli azionamenti con comando a impulso, la cui caratteristica fondamentale è che a ogni impulso di corrente il rotore subisce uno spostamento angolare costante; per questa ragione i m. passo-passo si prestano a essere impiegati, in vario modo, nei sistemi di telecontrollo e di telecomando. Altre caratteristiche importanti sono la velocità alla quale possono essere ripetuti cicli completi avviamento-arresto (la durata di un passo è del-l'ordine di alcuni millisecondi), la velocità alla quale il rotore può effettuare correttamente una serie di passi (esistono m. che consentono di effettuare oltre 10 000 passi al secondo) e la precisione con la quale il m. mantiene una posizione angolare di riposo, indipendentemente da variazioni nel valore della coppia resistente. Sono stati realizzati diversi tipi di m. passo-passo. In un tipo, piuttosto diffuso, denominato m. a riluttanza variabile, lo statore e il rotore sono divisi assialmente in tre parti e sono provvisti di un ugual numero di grandi denti; le tre parti rotoriche sono rotate tra loro di un terzo del passo di dentatura, mentre le tre parti statoriche hanno i denti allineati e sono magnetizzate ciascuna da un avvolgimento; le condizioni di equilibrio si hanno quando il rotore presenta i suoi denti di fronte ai denti della parte magnetizzata dello statore (posizione di minima riluttanza e di massima energia del campo magnetico); eccitando successiv. le tre fasi statoriche si ha una serie di tre posizioni di equilibrio, alla fine della quale il rotore ha rotato di un passo di dentatura e il ciclo può ripetersi. ◆ [FTC] [EMG] M. elettrico superconduttore: particolare tipo di m. con avvolgimenti superconduttori, a temperatura di qualche K, ottenuta con circolazione di elio liquido. In un m. del genere non si hanno perdite per effetto Joule e la generazione di campi magnetici non richiede altro che un impulso d'avvio (si possono così raggiungere induzioni molto elevate, rinunciando a nuclei ferromagnetici); in definitiva, si possono realizzare macchine di grande potenza e di piccole dimensioni. Date le caratteristiche dei materiali disponibili, le prime realizzazioni sono state quelle di m. omopolari a corrente continua, con avvolgimento (induttore) statorico in lega superconduttrice e con conduttori di rame nel rotore, con potenze dell'ordine di qualche MW. ◆ [FTC] [EMG] M. elettrico universale: m. dotato di avvolgimento di eccitazione in serie e di circuito magnetico completamente laminato con i poli salienti, che può funzionare sia con corrente continua sia (ma con minore rendimento) con corrente alternata. È dotato di una forte coppia di spunto ed è molto diffuso per piccolissime potenze (comando di piccole macchine, di apparecchi elettrodomestici, ecc.). ◆ [FTC] [EMG] M. idraulici: in senso lato, macchine motrici a fluido nelle quali l'energia posseduta da un liquido è ceduta a un organo meccanico in movimento; il lavoro meccanico raccolto su tale organo è trasmesso all'albero motore; se l'organo meccanico è costituito da una schiera di pale disposte alla periferia di una ruota, questi m. sono denominati più propr. turbine idrauliche (v. turbina). In senso ristretto, si chiamano comunem. m. idraulici i m. nei quali il fluido agisce su uno stantuffo, denominati m. a colonna fluida; si tratta di m. nei quali un liquido sotto pressione (tipic., acqua od olio) agisce alternativamente sulle due facce (m. a doppio effetto) o più raram. su una sola faccia (m. a semplice effetto) di uno stantuffo mobile in moto alternativo, a tenuta, nell'interno di un cilindro; un opportuno sistema di distribuzione provvede alla fine di ciascuna corsa a chiudere la luce di scarico e ad aprire contemporaneamente la luce di introduzione in una camera e viceversa nell'altra camera (doppio effetto). Sono impiegati ancora, e solamente per modeste potenze, alimentati dalle reti di acquedotto o più frequentemente come m. secondari, cioè m. che trasformano energia idraulica ottenuta per mezzo di pompe. Rientrano in questo secondo tipo i torchi, le presse idrauliche e gli accumulatori idraulici, nei quali lo stantuffo si comporta contemporaneamente come stantuffo motore e come stantuffo operatore per la pompa di alimentazione. Questi m. trovano applicazioni notevoli nel campo delle trasmissioni idrauliche, in partic. oleodinamiche (per frenatura di veicoli, per macchine utensili), dei servomotori per la regolazione delle turbine, ecc. ◆ [GFS] M. ionosferico: nel modello elettrodinamico della ionosfera terrestre, la regione F, come sede di correnti elettriche longitudinali prodotte dal campo elettromotore che nasce nella sottostante regione E: v. ionosfera: III 306 a. ◆ [FTC] [MCF] M. pneumatici ad aria compressa: l'aria compressa adoperata come fluido m. agisce per lo più su uno stantuffo mobile a tenuta in un cilindro (m. alternativi), più raram. sulle pale di una ruota (turbine ad aria compressa); lo stantuffo, per mezzo di biella e manovella, trasmette il movimento all'albero motore. L'aria, proveniente da una condotta o da bombole alimentate da un compressore, è introdotta nel cilindro per una parte della corsa dello stantuffo, per espandersi successiv. nella rimanente parte (m. a espansione). Nella corsa di ritorno l'aria è scaricata al-l'esterno. Fissati due assi cartesiani e riportati i volumi V generati dallo stantuffo in ascisse e le pressioni assolute P nel cilindro in ordinate, si ottiene il diagramma delle pressioni come nella fig.; tale diagramma è costituito dalle seguenti trasformazioni; AB, fase di introduzione dell'aria, teoricamente a pressione costante P₁; BC, fase di espansione (adiabatica, o quasi); DE, fase di scarico. Il segmento CD rappresenta l'abbassamento di pressione al valore P₂ che si ha a fine espansione all'apertura della luce di scarico; il segmento EA rappresenta l'innalzamento di pressione, sino al valore P₁, a causa dell'apertura della valvola d'immissione. L'area del diagramma ABCDE dà, in scala adatta, il lavoro motore ogni due corse in ciascuna camera, mentre l'area CDF rappresenta lavoro inutilizzabile per l'impossibilità di realizzare una espansione completa data la limitazione della corsa dello stantuffo. L'espansione dell'aria non avviene mai a temperatura costante, poiché non è possibile pratic. fornire all'aria nel cilindro durante la trasformazione tanto calore da compensare il lavoro compiuto; si verifica, quindi, sempre un abbassamento di temperatura più o meno rilevante; un ulteriore raffreddamento si ha in corrispondenza della caduta di pressione nel tratto CD. Se l'aria è introdotta nel m. alla temperatura ordinaria, l'abbassamento di temperatura può dare luogo a congelamento del lubrificante, formazione di ghiaccio dovuta all'umidità atmosferica e conseguente ostruzione di condotti, attriti e logoramenti; per ridurre tale inconveniente, conviene preriscaldare l'aria che deve essere inviata al motore. I m. ad aria compressa possono essere a semplice o a doppio effetto, a uno o più cilindri, a espansione semplice o frazionata (compound); funzionano in genere a pressioni non maggiori di 10 atm e trovano varie utilizzazioni, in partic. in magli, martelli pneumatici, macchine perforatrici (lo stantuffo agisce direttamente come organo percussore contro la testa del maglio o del martello o contro l'utensile perforatore) e nelle trasmissioni pneumatiche. Oltre a m. di tipo alternativo a stantuffo esistono anche m. di tipo rotativo a capsulismi, di costruzione analoga ai compressori. ◆ [FTC] [MCF] M. pneumatici ad aria rarefatta: differiscono dai m. ad aria compressa in quanto il cilindro comunica con una tubazione nella quale l'aria è mantenuta, per mezzo di un aspiratore a una pressione minore di quella atmosferica; sulla faccia dello stantuffo opposta a quella comunicante con la tubazione in depressione agisce la pressione atmosferica per tutta o parte della corsa; l'aria atmosferica, dopo avere lavorato, si scarica nella condotta di aspirazione. Sono m. partic. adoperati negli impianti di posta pneumatica a rarefazione e presentano il vantaggio che il relativ. piccolo salto di pressione (circa 0.75 atm) rende meno sensibile la variazione di temperatura durante l'espansione. ◆ [FTC] [TRM] M. termici: in essi avviene la conversione di energia termica in energia meccanica, mediante una successione di trasformazioni (ciclo) di un mezzo aeriforme (denominato fluido operante o attivo o fluido m.). Questo fluido, che costituisce il mezzo termodinamico di accumulo e di trasporto del-l'energia, in molti casi è disponibile sia allo stato ordinario sia a uno stato già utilizzabile, cioè caldo e compresso (soffioni boraciferi o sottoprodotti industriali); in molti altri casi dev'essere opportunamente generato (per es., il vapore acqueo) o preparato (miscele d'aria con combustibili liquidi e gassosi che vengono successiv. combusti). Il più semplice ciclo di un m. termico è costituito da una fase d'innalzamento di pressione e di temperatura, da una fase di ricezione d'energia termica, con svariate modalità di somministrazione, da una fase di espansione in cui l'energia termica è trasformata in energia meccanica e che rappresenta dunque la fase utile, infine, da una fase di restituzione, a temperatura minore, di parte del-l'energia ricevuta, anch'essa con varie modalità e realizzazioni pratiche. Per il secondo principio della termodinamica, che regola la trasformazione del calore in lavoro, è impossibile trasformare la totalità dell'energia termica fornita al fluido; parte di questa è restituita in condizioni tali di temperatura e pressione da non poter più essere riutilizzata ai fini del m. (in taluni m. termici, il calore restituito dal fluido attivo può essere utilizzato per altri fini: di riscaldamento, ecc.). L'energia termica è fornita al fluido attivo in condizioni e con modalità caratteristiche di ogni tipo di m.; tale calore è originar. contenuto in adatte sostanze (combustibili) sotto forma di energia chimica potenziale e si libera per combustione quasi sempre di miscele aeriformi aria-combustibile opportunamente dosate. Per una classe di m. (m. a combustione interna o endotermici) la liberazione dell'energia termica avviene, per combustione, all'interno del fluido attivo stesso. In alcuni m. (per es., in quelli a ciclo Otto sia a carburazione che a iniezione nei condotti di alimentazione) il fluido è già combustibile all'inizio del ciclo; in altri m. (per es., nei m. a ciclo Diesel o a ciclo Otto a iniezione diretta, o nelle turbine a gas a ciclo aperto) esso diviene atto a bruciare solo al termine della compressione. Esiste invece un'altra classe di m. nei quali miscela combustibile e fluido attivo sono mezzi aeriformi distinti e separati, l'uno preposto alla reazione chimica, l'altro alla ricezione e trasformazione del calore; questo, derivante dalla liberazione dell'energia chimica, viene trasferito dai gas combusti al fluido attivo (gas, vapori) mediante scambio termico attraverso adatte superfici (scambiatori, caldaie, ecc.): sono i m. a combustione esterna (impianti a vapore, turbine a gas a ciclo chiuso). La tab. mostra una classificazione di massima dei m. termici. La conversione in energia meccanica talora appare direttamente come lavoro conferito a un albero rotante, mosso direttamente o mediante interposti meccanismi; altre volte appare come incremento di energia cinetica conferita a masse aeriformi espulse a elevata velocità, masse che risultano pertanto accelerate e per reazione sviluppano spinte propulsive. Riguardo al moto degli organi meccanici raccoglienti il lavoro, da cui risulta condizionato poi il modo di operare del fluido nella macchina, i m. termici possono distinguersi principalmente in: (a) m. volumetrici, nei quali l'organo mobile è uno stantuffo in traslazione alternativa che, nella sua corsa, definisce volumi variabili entro un cilindro; il fluido deve essere introdotto all'inizio del ciclo ed espulso alla fine, per cui anche il suo moto d'insieme risulta alternativo intermittente e nel cilindro quindi si susseguono tutte le fasi di lavoro; l'accensione della miscela combustibile può avvenire mediante scintilla (m. alternativi Otto) o spontaneamente per l'alta temperatura dovuta all'elevata compressione (m. alternativi Diesel); in recenti tipi di m. il ciclo si sviluppa sempre in una camera a volume variabile, ma questa rimane definita dalla configurazione relativa che istante per istante descrivono due organi, uno fisso e l'altro rotante, opportunamente sagomati (m. volumetrici rotativi tipo Wankel e derivati); (b) m. a turbina, nei quali l'organo mobile è una girante, a foggia di disco o di tamburo, munita perifericamente di una o più corone di palette disposte radialmente, che, istante per istante, definiscono canali entro cui corre il fluido in moto continuo e, mediamente, permanente; le palette hanno sezione a forma di profilo alare e il lavoro viene da esse raccolto tramite forze di natura aerodinamica che si sviluppano allorché il fluido le lambisce; (c) m. a getto, nei quali l'intera struttura del m. è propulsa per reazione dai getti dei gas stessi combusti e poi eiettati ad altissima velocità (razzi, se entrambi i componenti della miscela combustibile sono contenuti nel-l'involucro, autoreattori o propulsori se il comburente, cioè l'aria, è prelevato dall'esterno). ◆ [FTC] [TRM] M. termici a combustione esterna: sono costituiti dalle turbine a gas a ciclo chiuso, dalla grande famiglia degli impianti con turbine a vapore e, ma con un'importanza oggi assai modesta, dalle motrici a vapore alternative. (a) Le turbine a gas a ciclo chiuso (percorso in molti casi da aria ma, in molte applicazioni, anche da elio e gas nobili) si sono affermate per la loro convenienza negli impianti solari e soprattutto nelle centrali nucleari, con rendimenti alti (circa il 50 %) e potenze installate notevoli (centinaia di MW). (b) Il m. a combustione esterna di maggiore importanza è però costituito dalla turbina a vapore che, dalla versione più semplice (macchina a contropressione con solo disco ad azione) fino alla configurazione più avanzata (surriscaldamenti in espansione ripetuti, più corpi di giranti per gli stadi di alta, media e bassa pressione, rigenerazione del calore con la tecnica degli spillamenti, l'uso del condensatore, ecc.) copre un estesissimo campo di potenze, da decine di kW per le piccole giranti a contropressione per usi industriali, a decine di MW per grosse turbonavi e a centinaia di MW delle gigantesche turbine delle grandi centrali termoelettriche, dominio esclusivo di tali motori. Il rendimento degli impianti più complessi può raggiungere e superare il 40÷45 % e possono esservi consumati combustibili di ogni tipo. ◆ [FTC] [TRM] M. termici a combustione interna alternativi. Sono quelli più usati in m. di piccola e media potenza, per il loro grande rendimento (il rendimento termico globale dei m. Diesel arrivano al 40 %). (a) Classificazione. Non vi è un m. a combustione interna alternativo "universale", atto cioè a funzionare con qualsiasi combustibile (solido, liquido, gassoso) e ugualmente adattabile per qualsiasi applicazione, fissa o mobile. Ciascun tipo di m. è adatto a uno specifico impiego. La classificazione può essere fatta in base al numero dei "tempi" del ciclo di funzionamento (2, 4 o 6), il numero dei cilindri (m. monocilindrici, pluricilindrici), il tipo del ciclo di funzionamento (Otto, Diesel, ecc.), la disposizione dei cilindri (verticali, diritti e invertiti; orizzontali; a semplice effetto; a doppio effetto; in linea; ecc.), il tipo di combustibile impiegato (benzina, gasolio, metano, ecc.), e altro. I criteri di classificazione più seguiti sono però in base al sistema di introduzione del combustibile (m. a carburazione e m. a iniezione) e al sistema di accensione del combustibile (m. ad accensione a scintilla elettrica e m. ad accensione spontanea). L'accensione a scintilla è tipica dei m. a carburazione a ciclo Otto che possono perciò chiamarsi m. a carburazione con accensione a scintilla; l'accensione spontanea è tipica dei m. a iniezione a ciclo Diesel che possono perciò chiamarsi m. a iniezione con accensione spontanea; vi sono però anche m. a iniezione con accensione a scintilla. (b) Combustibili. Devono soddisfare alla condizione di poter formare con l'aria comburente una miscela intima e omogenea, tale da assicurare una combustione completa e rapida. Del tutto eccezionale è l'impiego di combustibili solidi (per es., polverino di carbone) mentre è generalizzato l'uso di combustibili liquidi, quali benzine, benzene, alcoli, eteri per i m. con accensione a scintilla, gasoli per i m. con accensione spontanea, e di combustibili gassosi quali metano, gas di petrolio liquefatti, gas di città, gas povero, gas d'altoforno, ecc. (c) Cicli di funzionamento. La trasformazione in lavoro meccanico utile dell'energia termica dei prodotti della combustione avviene attraverso una successione di operazioni (o trasformazioni o fasi) detta ciclo termodinamico del m.; i cicli teorici fondamentali dei m. alternativi sono il ciclo Otto o ciclo Beau de Rochas per i m. ad accensione a scintilla e il ciclo Diesel per quelli ad accensione spontanea, nonché il ciclo misto o Sabathé, per i quali v. cicli termodinamici: I 588 b. I cicli reali rispecchiano le reali condizioni di funzionamento di un m. e possono quindi essere rappresentati dalle pressioni misurabili nel cilindro in funzione delle varie posizioni dello stantuffo; essi si discostano da quelli ideali, che non possono essere pratic. realizzabili, per le seguenti ragioni principali: il calore specifico dei gas aumenta con l'aumentare della temperatura e ciò dà luogo a una diminuzione delle temperature di fine compressione e di fine combustione; avviene una parziale dissociazione dei gas durante la combustione, avendosi corrisp. assorbimento di calore e diminuzione di temperatura, accentuata dal fatto che la combustione non è, in genere, completa; si ha una sottrazione di calore alle pareti del cilindro dovuta alla necessità della refrigerazione del m., per cui le fasi di compressione e di espansione divengono delle politropiche e non sono più delle adiabatiche, e di conseguenza diminuiscono la temperatura massima del ciclo (la quale risulta in pratica circa il 40 % di quella teorica), il lavoro utile e, naturalmente, il rendimento termico; la somministrazione di calore non può avvenire né in un tempo nullo, tale da potere ritenere il volume costante, né a pressione rigorosamente costante, ma segue una legge intermedia, cosicché la combustione comincia prima della fine della fase di compressione e termina durante la fase di espansione. La fig. mostra un ciclo medio ideale e il corrispondente ciclo reale di un m. Diesel e di un m. a ciclo Otto. ◆ [FTC] [TRM] M. termici a combustione interna rotativi, o a turbina. Quelli a schema semplice (compressore, combustore, espansore; per il loro ciclo termodinamico, v. cicli termodinamici: I 587 d) trovano larghissima applicazione nei m. aeronautici, ove suo compito è quello di muovere un'elica (turboeliche) o di accelerare gas (turboreattori) per i notevoli e specifici vantaggi sul m. alternativo: l'assenza di masse in moto alterno o vario, l'assenza di sistemi di raffreddamento del cilindro, il minore ingombro frontale, la potenza a unità di massa all'incirca doppia; il consumo specifico è però alquanto maggiore e, spec., è minore il rendimento (15÷20 %), a causa del forte assorbimento di potenza richiesto dal compressore e della necessità di ridurre la velocità di rotazione rispetto a quella di utilizzazione; il rendimento migliora innalzando la temperatura massima del ciclo che è tuttavia limitata dalla resistenza ad alte temperature dei materiali; frazionando la compressione in più stadi con refrigerazione intermedia, e similmente l'espansione con riscaldamenti intermedi, e recuperando parte del calore contenuto nei gas di scarico per preriscaldare l'aria compressa prima che entri nel combustore, il rendimento cresce (fino al 30÷35 %) ma la complessità dell'impianto (il maggior numero di compressori e di turbine, gli scambiatori) ne limita la destinazione solo a grandi centrali elettriche e ad altre installazioni di potenza elevata (decine di MW).