Сила пари

Парові машини були основною рушійною силою Промислової революції. Через два століття їх поступово замінили інші, більш ефективні й економічні машини. Проте пара все ще відіграє дуже важливу роль у виробництві електроенергії на теплових і атомних електростанціях.

Навчальні цілі:

• Дізнатися про історію промислового використання пари.
• Зрозуміти, як енергія пари може створювати рух.
• Створити практичну симуляцію руху, спричиненого силою пари.

Ключові слова: Пара, Парова машина, Парова турбіна, Генератор

Тривалість: 5 хвилин

Почніть урок з короткої дискусії, щоб представити тему:

• Чи бачили учні коли-небудь паровоз або іншу машину, що працює на парі?
• Чи мають вони уявлення, як працюють такі пристрої? Що потрібно для їхньої роботи?
• Чому їх більше не використовують?

Тривалість: 10 хвилин

В Александрії в I столітті нашої ери жив грецький математик і інженер на ім’я Герон. Він винайшов попередника того, що згодом ми назвали б паровою машиною. Це був простий пристрій, який він назвав Aeolipila — від грецького імені «Айол», бога вітру. Можливо, подібні пристрої існували ще до Герона, але саме він першим описав цей винахід у своїй книзі Pneumatica, де пояснював багато інших механізмів.

Aeolipila, пристрій Герона, використовував тепло від спалювання палива для випаровування води, а потім застосовував гарячу пару, щоб створити обертальний рух. Цей простий механізм передбачив пізніші парові машини, але був забутий на багато століть, доки його не відродили Такі ад-Дін та інші науковці в різних частинах Європи. Проте Corinth не забув про цей винахід! Щоб побачити винахід Герона, відкрийте додаток Corinth, знайдіть у бібліотеці фізики модель «Aeolipila».

Запустіть анімацію моделі, щоб показати класу, як вона працює. Палаюче дерево нагріває воду в посудині, перетворюючи її на пару. У результаті тиск у металевій кулі, розміщеній на осі над резервуаром, зростає. Куля має дві протилежні сопла, через які пара виходить у повітря. Сила пари змушує кулю обертатися навколо осі. Поясніть цей процес учням і підкресліть різні частини моделі!

Тривалість: 15 хвилин

Винахід Герона було знову відкрито після довгого періоду забуття приблизно через 1500 років — в османську епоху, завдяки Такі ад-Діну. Пізніше, у різних частинах Європи під час першої половини XVII століття, з’явилися різні винаходи, що використовували силу пари. Ідея поширилася далі у другій половині століття, коли з’явилися перші справжні прототипи майбутніх машин у вигляді парових насосів. Нарешті, XVIII століття стало справжнім періодом розвитку та будівництва парових двигунів. Машини Ньюкомена і Ватта є найбільш відомими та широко використовуваними інноваціями у галузі пари.

Зростаюча потреба в енергії у промисловості, гірництві та транспорті призвела до масового використання нових технологій для забезпечення необхідної потужності, замінюючи попередні джерела — людську або тваринну силу, а також природні сили, як вітер чи вода. Існувало багато варіантів парових машин, але ключову інновацію приписують Джеймсу Ватту. Найважливішими компонентами сучасних парових машин є поршень і циліндр, а також концепції вакууму й тиску.

У додатку Corinth можна побачити, як працює проста парова машина. Відкрийте бібліотеку фізики та знайдіть модель «Парова машина». Відкрийте її і покажіть своїм учням!

Якщо модель не завантажується, відкрийте її в новому вікні:
app.corinth3d.com/content/f_vyna_parni_stroj

Коли ви натиснете на частину «Steam Engine – Section» («Парова машина – розріз»), ви побачите всі деталі внутрішнього устрою двигуна. Опишіть усі його частини та їхні функції — зокрема, як рухається клапан і як рух поршня спричиняється розширенням гарячої пари. Після цієї частини уроку учні повинні зрозуміти, як енергія пари, створена нагріванням води шляхом спалювання викопного палива (наприклад, вугілля), може бути використана для створення руху, який застосовувався у промислових машинах.

Тривалість: 15 хвилин

Завдяки винайденню інших джерел енергії використання парових машин у XX столітті поступово зменшувалося, і їх замінили дешевші та ефективніші джерела енергії. Проте пара все ще використовується для обертання турбін, що виробляють електроенергію. Ці турбіни є частиною всіх електростанцій, де тепло перетворюється на рух, а потім — на електрику, наприклад, у теплових або атомних електростанціях.

Щоб пояснити, як така турбіна працює та як вона допомагає у виробництві електроенергії, скористайтеся моделями в додатку Corinth! Перейдіть до бібліотеки фізики та відкрийте модель «Киплячий реактор», яка показує, як вода в реакторі нагрівається, поки не починає випаровуватися.

Якщо модель не завантажується, відкрийте її в новому вікні:
app.corinth3d.com/content/f_vyna_jaderny_reaktor

Потім відкрийте модель «Атомна електростанція», яка демонструє весь водяний цикл у ядерних електростанціях. Зверніть увагу учнів на різні частини та поясніть, як вода перетворюється на пару, потрапляє в турбіну, викликає обертання вала, а потім знову конденсується у рідину.

Якщо модель не завантажується, відкрийте її в новому вікні:
app.corinth3d.com/content/f_vyna_jaderna_elektrarna

Нарешті, якщо ви хочете краще пояснити, як обертання вала може створювати електроенергію, скористайтеся моделлю «Трифазний генератор», яка наочно демонструє, як можна виробляти електрику.

Якщо модель не завантажується, відкрийте її в новому вікні:
app.corinth3d.com/content/f_vyna_3f_generator

Тривалість: 15 хвилин

У цьому експерименті ви спробуєте створити власну Aeolipila!

Необхідні інструменти:

• Невикористана алюмінієва банка від напою
• Вода
• Лабораторна стійка
• Лабораторний пальник
• Шнур
• Голка

Процедура:

1. За допомогою голки проколіть банку з одного боку приблизно посередині циліндра.
2. Вилийте рідину з банки. Потім зробіть другий отвір навпроти першого. Поверніть голку на 90° в обох отворах (в один бік, наприклад, праворуч) і вийміть її.
3. Налийте воду в банку через зроблені отвори — банка має залишитися закритою.
4. Підготуйте лабораторну стійку та шнур, підвісьте на неї банку з водою. Під банку поставте пальник.
5. Запаліть пальник і зачекайте, поки вода всередині банки закипить. Коли почне випаровуватися, пара вийде через отвори, і банка почне обертатися. Ваша Aeolipila працює!

Завершіть урок короткою дискусією:

• Чи могли б ми якось замінити роль пари у виробництві електроенергії? Як?
• Чи вважають учні, що парові транспортні засоби або пристрої мають майбутнє? Чому (або чому ні)?