Siła pary

Maszyny parowe były główną siłą napędową Rewolucji Przemysłowej. Po dwóch stuleciach zostały zastąpione przez inne, bardziej wydajne i ekonomiczne maszyny. Jednak para nadal odgrywa bardzo ważną rolę w wytwarzaniu energii elektrycznej w elektrowniach cieplnych i jądrowych.

Cele dydaktyczne:

• Poznać historię przemysłowego wykorzystania pary.
• Zrozumieć, w jaki sposób energia pary może wytwarzać ruch.
• Stworzyć praktyczną symulację ruchu wytwarzanego przez siłę pary.

Słowa kluczowe: Para, Maszyna parowa, Turbina parowa, Generator

Czas trwania: 5 minut

Rozpocznij lekcję krótką dyskusją, aby wprowadzić temat:

• Czy uczniowie widzieli kiedyś lokomotywę parową lub inne urządzenie napędzane parą?
• Czy mają pomysł, jak te urządzenia działają? Co było potrzebne do ich napędu?
• Dlaczego już się ich nie używa?

Czas trwania: 10 minut

W Aleksandrii w I wieku naszej ery żył grecki matematyk i inżynier o imieniu Heron. Wynalazł on poprzednika tego, co w przyszłości nazwalibyśmy maszyną parową. Było to proste urządzenie, które nazwał Aeolipila — od greckiego imienia boga wiatrów, Aiolosa. Być może podobne maszyny istniały przed Heronem, ale to on jako pierwszy opisał swój wynalazek w książce Pneumatica, w której opisał również wiele innych urządzeń.

Aeolipila, urządzenie Herona, wykorzystywało ciepło powstałe w wyniku spalania do odparowania wody, a następnie używało gorącej pary do wytworzenia ruchu obrotowego. Ten prosty mechanizm wyprzedził późniejsze maszyny parowe, ale został zapomniany na wiele stuleci, aż został ponownie odkryty przez Takiego ad-Dina i innych naukowców w różnych częściach Europy. Jednak Corinth nie zapomniał o tym wynalazku! Aby zobaczyć wynalazek Herona, otwórz aplikację Corinth, znajdź w bibliotece Fizyki model „Aeolipila”.

Odtwórz animację modelu, aby pokazać klasie, jak działa. Płonące drewno podgrzewa wodę w naczyniu, aż zamieni się w parę. Powstałe ciśnienie powoduje obrót metalowej kuli umieszczonej na osi nad zbiornikiem. Kula ma dwa przeciwległe dysze, przez które para wydostaje się na zewnątrz. Siła uciekającej pary wprawia kulę w ruch obrotowy. Wyjaśnij uczniom ten proces i zwróć uwagę na różne części modelu!

Czas trwania: 15 minut

Wynalazek Herona został ponownie odkryty po długim okresie zapomnienia około 1500 lat później – w epoce osmańskiej – przez Takiego ad-Dina. Później, w różnych częściach Europy, w pierwszej połowie XVII wieku, pojawiły się różne wynalazki wykorzystujące moc pary. Pomysł rozwinął się dalej w drugiej połowie stulecia, kiedy pojawiły się pierwsze prototypy przyszłych maszyn w postaci pomp parowych. W XVIII wieku nadszedł prawdziwy okres rozwoju i budowy maszyn parowych. Maszyny Newcomena i Watta są najbardziej znane i najczęściej stosowane spośród wszystkich wynalazków w dziedzinie pary.

Rosnące zapotrzebowanie na energię w przemyśle, górnictwie i transporcie doprowadziło do masowego wykorzystania nowych technologii, które zastąpiły wcześniejsze źródła, takie jak siła ludzka, zwierzęca lub energia natury – wiatru i wody. Istniało wiele wariantów maszyn parowych, ale kluczową innowację przypisuje się Jamesowi Wattowi. Najważniejszymi elementami nowoczesnych maszyn parowych są tłok i cylinder oraz pojęcia próżni i ciśnienia.

W aplikacji Corinth możesz zobaczyć, jak działa prosta maszyna parowa. Otwórz bibliotekę Fizyki i znajdź model „Maszyna parowa”. Otwórz go i pokaż swoim uczniom!

Jeśli model się nie ładuje, otwórz go w nowym oknie:
app.corinth3d.com/content/f_vyna_parni_stroj

Po kliknięciu sekcji „Steam Engine – Section” („Maszyna parowa – przekrój”) zobaczysz wszystkie szczegóły wewnętrznej budowy silnika. Opisz wszystkie jego części i ich funkcje, zwłaszcza działanie zaworu i ruch tłoka spowodowany rozszerzaniem się gorącej pary. Po tej części lekcji uczniowie powinni zrozumieć, w jaki sposób moc pary – powstałej przez ogrzewanie wody za pomocą spalania paliw kopalnych, takich jak węgiel – może zostać wykorzystana do tworzenia ruchu w maszynach przemysłowych.

Czas trwania: 15 minut

Dzięki wynalezieniu innych źródeł energii użycie maszyn parowych w XX wieku stopniowo malało, a ich miejsce zajęły tańsze i bardziej wydajne technologie. Jednak para nadal jest wykorzystywana do napędzania turbin produkujących energię elektryczną. Turbiny te są częścią wszystkich elektrowni, w których ciepło przekształca się w ruch, a następnie w energię elektryczną – takich jak elektrownie cieplne lub jądrowe.

Aby wyjaśnić, jak działa taka turbina i jak pomaga w wytwarzaniu energii elektrycznej, skorzystaj z modeli w aplikacji Corinth! Przejdź do biblioteki Fizyki i otwórz model „Reaktor wrzący”, który pokazuje, jak woda w reaktorze jest podgrzewana, aż zaczyna wrzeć.

Jeśli model się nie ładuje, otwórz go w nowym oknie:
app.corinth3d.com/content/f_vyna_jaderny_reaktor

Następnie otwórz model „Elektrownia jądrowa”, który pokazuje pełny obieg wody w elektrowniach jądrowych. Zwróć uwagę uczniów na różne części i wyjaśnij, jak woda przekształca się w parę, napędza turbinę, obraca wał, a następnie ponownie się skrapla.

Jeśli model się nie ładuje, otwórz go w nowym oknie:
app.corinth3d.com/content/f_vyna_jaderna_elektrarna

Na koniec, jeśli chcesz lepiej wyjaśnić, jak obracający się wał może generować prąd, możesz użyć modelu „Trójfazowy generator”, który w prosty sposób pokazuje, jak powstaje energia elektryczna.

Jeśli model się nie ładuje, otwórz go w nowym oknie:
app.corinth3d.com/content/f_vyna_3f_generator

Czas trwania: 15 minut

W tym eksperymencie spróbujesz zbudować własną Aeolipilę!

Potrzebne materiały:

• Pusta aluminiowa puszka po napoju
• Woda
• Stojak laboratoryjny
• Palnik laboratoryjny
• Sznurek
• Igiełka

Procedura:

1. Za pomocą igły przebij puszkę z jednej strony, mniej więcej w połowie jej wysokości.
2. Wylej ciecz z puszki. Następnie zrób drugi otwór naprzeciw pierwszego. Obróć igłę o 90° w obu otworach (w tę samą stronę, np. w prawo), a następnie ją wyjmij.
3. Napełnij puszkę wodą przez zrobione otwory – puszka powinna pozostać zamknięta.
4. Przygotuj stojak laboratoryjny i sznurek, zawieś na nim puszkę wypełnioną wodą. Pod puszką ustaw palnik.
5. Zapewnij nadzór bezpieczeństwa, zapal palnik i poczekaj, aż woda w puszce zacznie wrzeć. Gdy para zacznie się wydostawać z otworów, puszka zacznie się obracać. Twoja Aeolipila działa!

Zakończ lekcję krótką dyskusją:

• Czy moglibyśmy w jakiś sposób zastąpić rolę pary w wytwarzaniu energii elektrycznej? Jak?
• Czy uczniowie uważają, że pojazdy lub urządzenia napędzane parą mają przyszłość? Dlaczego (lub dlaczego nie)?