Síla páry

Parní stroje byly hlavním pohonem Průmyslové revoluce. Po dvou stech letech byly nakonec většinou nahrazeny jinými, efektivnějšími a ekonomičtějšími stroji. Nicméně pára stále sehrává velmi důležitou roli při výrobě elektřiny v tepelných a jaderných elektrárnách.

Vzdělávací cíle:

• Naučit se o historii průmyslového využití páry.
• Porozumět tomu, jak může energie páry vytvářet pohyb.
• Vytvořit praktickou simulaci pohybu vytvořeného silou páry.

Klíčová slova: Pára, Parní stroj, Parní turbína, Generátor

Délka: 5 minut

Na začátek lekce proveďte krátkou diskuzi, která představí téma:

• Viděli vaši studenti někdy parní lokomotivu nebo jiný stroj poháněný párou?
• Mají nějakou představu o tom, jak tato zařízení fungují? Co bylo potřeba k jejich pohonu?
• Proč už se nepoužívají?

Délka: 10 minut

V Alexandrii prvního století našeho letopočtu žil řecký matematik a inženýr jménem Hero (nebo Heron). Vynalezl předchůdce toho, co bychom v budoucnu nazvali parním strojem. Bylo to jednoduché zařízení, které nazval Aeolipila a pochází z řeckého jména "Aiolos", boha větru. Možná byly před Heronovou Aeolipilou navrženy podobné stroje, ale on dokázal tento návrh zaznamenat v knize Pneumatica, kde jsou popsána mnohá další zařízení.

Aeolipila, Heronovo zařízení, využívá tepla vznikajícího hořením, aby vodu vypařil a poté využívá horkou vodní páru k vytvoření rotačního pohybu. Tento jednoduchý mechanismus předběhl pozdější parní stroje, ale byl zapomenut po staletí, dokud nebyl v období raného novověku oživen Taqim al-Dinem a poté dalšími vědci v různých částech Evropy. Nicméně Corinth na tento objev nezapomněl! Chcete-li vidět Heronův vynález, otevřete aplikaci Corinth, otevřete knihovnu Fyzika a vyhledejte model "Aeolipila".

Přehrajte animaci modelu, aby třídě ukázal, jak funguje. Spalování dřeva ohřívá a následně vypařuje vodu v nádobě. Vzniklá pára způsobuje zvýšení tlaku v kovové kouli umístěné na ose nad nádrží. Koule má dva protilehlé trysky, skrz které je pára uvolňována do vzduchu. Síla unikající páry způsobuje rotační pohyb koule na ose. Vysvětlete studentům tento proces a zdůrazněte různé části modelu!

Trvání: 15 minut

Vynález Herona byl znovuobjeven až po dlouhém období zapomnění nebo nezájmu na stejném místě až 1 500 let poté, v osmanské době, Taqim al-Dínem. Později se v různých částech Evropy během první poloviny 17. století objevily různé vynálezy, které pracovaly s výkonem páry. Nápad se dále rozšířil ve druhé polovině století, kdy se poprvé objevily první skutečné prototypy budoucích strojů ve formě parních čerpadel. A konečně v 18. století nastal skutečný věk vývoje a stavby parních strojů. Newcomenovy a Wattovy stroje jsou nejvíce používané a známé ze všech inovací v oblasti páry.

Rostoucí potřeba energie v průmyslu, těžbě a dopravě vedla k masivnímu využívání nových technologií k poskytnutí požadovaného výkonu a nahrazovaly tak dříve používané zdroje, jako lidskou nebo zvířecí sílu nebo sílu přírody jako vítr nebo voda. Na scénu se dostaly mnohé varianty parních strojů, ale rozhodující inovací je připisována Jamesi Wattovi. Nejdůležitějšími komponenty moderních parních strojů jsou píst a válec, spolu s konceptem vakua a tlaku.

V aplikaci Corinth můžete objevit, jak jednoduchý parní stroj funguje. Najděte v knihovně Fyziky model "Parní stroj". Otevřete ho a ukažte ho svým studentům!

Pokud se model nenačítá, otevřete jej v novém okně:
app.corinth3d.com/content/f_vyna_parni_stroj

Když kliknete na část "Steam Engine - Section" (Parní stroj - řez), zobrazí se vám všechny detaily vnitřního uspořádání motoru. Popište všechny jeho části a jejich funkci, zejména posouvání ventilu a pohyb pístu způsobený rozpínáním horké páry apod. Po této části lekce by studenti měli porozumět tomu, jak může být výkon páry, která vzniká zahříváním vody spálením fosilních paliv, jako je uhlí, využit k vytváření pohybu, který byl využíván průmyslovými stroji.

Trvání: 15 minut

Díky vynálezu jiných zdrojů energie se v průběhu 20. století používání parních strojů postupně snižovalo a bylo nahrazeno levnějšími a účinnějšími zdroji energie. Nicméně pára se stále používá k pohonu turbín pro výrobu elektřiny. Ty jsou součástí všech elektráren, kde se teplo přeměňuje na pohyb a následně na elektřinu, jako jsou tepelné nebo jaderné elektrárny.

K vysvětlení, jak taková turbína funguje a jak může pomoci při výrobě elektřiny, použijte modely v aplikaci Corinth! Jděte do knihovny Fyziky a otevřete model "Varný reaktor", který ukazuje, jak se v reaktoru voda zahřívá, dokud nevyprchá.

Pokud se model nenačítá, otevřete jej v novém okně:
app.corinth3d.com/content/f_vyna_jaderny_reaktor

Poté pokračujte otevřením modelu "Jaderná elektrárna", který ukazuje celý okruh vody v jaderných elektrárnách. Upozorněte studenty na různé části a vysvětlete, jak je voda přeměněna na páru, vstupuje do turbíny, způsobuje rotaci hřídele a poté opět vystupuje a kondenzuje se zpět do tekutého stavu.

Pokud se model nenačítá, otevřete jej v novém okně:
app.corinth3d.com/content/f_vyna_jaderna_elektrarna

Nakonec, pokud chcete lépe vysvětlit, jak se otáčející hřídel může generovat elektřinu, můžete to udělat s pomocí modelu "Třífázový generátor", který jednoduše ukazuje, jak lze elektřina generovat.

Pokud se model nenačítá, otevřete jej v novém okně:
app.corinth3d.com/content/f_vyna_3f_generator

Trvání: 15 minut

V tomto experimentu se pokusíte sestrojit vlastní Aeolipilu!

Potřebné nástroje:

• Nepoužitou plechovku od nápoje
• Vodu
• Laboratorní stojan
• Laboratorní hořák
• Šňůru
• Jehlu

Postup:

1. Pomocí jehly propíchněte plechovku od nápoje na jedné straně, přibližně uprostřed válce.
2. Vylijte tekutinu z plechovky. Poté plechovku propíchněte podruhé přímo proti první díře. Jehlu poté v obou dírách otočte o 90° (v obou případech na stejnou stranu, např. vpravo) a vytáhněte.
3. Plechovku naplňte vodou přes malé díry, které jste vytvořili, protože plechovka by měla zůstat uzavřená.
4. Připravte laboratorní stojan a šňůru a zavěste na něj plechovku naplněnou vodou. Pod plechovku umístěte laboratorní hořák.
5. Rozsviťte hořák a počkejte, až voda uvnitř plechovky začne vařit. Jakmile začne vypařovat, pára unikne skrz díry a začne se plechovka točit. Vaše Aeolipila funguje!

Uzavřete lekci krátkou diskusí:

• Mohli bychom nějakým způsobem nahradit roli páry v elektřině výrobě? Jak?
• Myslí si studenti, že parní vozidla nebo zařízení mají nějakou budoucnost? Proč (ne)?