Sila pary

Parné stroje boli hlavnou hnacou silou priemyselnej revolúcie. Po dvoch storočiach ich nakoniec nahradili iné, efektívnejšie a hospodárnejšie stroje. Para však stále zohráva veľmi dôležitú úlohu pri výrobe elektriny v tepelných a jadrových elektrárňach.

Vzdelávacie ciele:

• Naučiť sa o histórii priemyselného využitia pary.
• Pochopiť, ako môže energia pary vytvárať pohyb.
• Vytvoriť praktickú simuláciu pohybu vytvoreného silou pary.

Kľúčové slová: Para, Parný stroj, Parná turbína, Generátor

Trvanie: 5 minút

Začnite hodinu krátkou diskusiou, ktorá predstaví tému:

• Videli vaši žiaci niekedy parnú lokomotívu alebo iné zariadenie poháňané parou?
• Majú predstavu, ako tieto zariadenia fungovali? Čo bolo potrebné na ich pohon?
• Prečo sa už dnes nepoužívajú?

Trvanie: 10 minút

V Alexandrii v 1. storočí nášho letopočtu žil grécky matematik a inžinier menom Herón. Vynašiel predchodcu toho, čo by sme dnes nazvali parným strojom. Bolo to jednoduché zariadenie, ktoré nazval Aeolipila – podľa gréckeho mena boha vetra Aiola. Možno existovali podobné stroje ešte pred Herónom, ale on ako prvý svoj vynález zapísal v knihe Pneumatica, kde opísal aj mnohé ďalšie zariadenia.

Aeolipila, Herónovo zariadenie, využívalo teplo vznikajúce horením na odparenie vody a potom horúcu paru na vytvorenie rotačného pohybu. Tento jednoduchý mechanizmus predbehol neskoršie parné stroje, ale bol na stáročia zabudnutý, kým ho znovu neobjavil Taqi ad-Din a ďalší vedci v Európe. Corinth však na tento vynález nezabudol! Ak ho chcete vidieť, otvorte aplikáciu Corinth, otvorte knižnicu Fyzika a vyhľadajte model „Aeolipila“.

Spustite animáciu modelu, aby ste triede ukázali, ako funguje. Horenie dreva ohrieva vodu v nádobe, až sa zmení na paru. Vznikajúci tlak spôsobí otáčanie kovovej gule umiestnenej na osi nad nádobou. Guľa má dve protismerné trysky, cez ktoré para uniká. Sila unikajúcej pary spôsobuje rotáciu gule. Vysvetlite žiakom tento proces a poukážte na rôzne časti modelu!

Trvanie: 15 minút

Herónov vynález bol znovuobjavený až po dlhom období zabudnutia približne o 1 500 rokov neskôr – v Osmanskej ríši – Taqimom ad-Dinom. Neskôr sa v rôznych častiach Európy počas prvej polovice 17. storočia objavili rôzne vynálezy, ktoré pracovali so silou pary. Myšlienka sa ďalej rozvíjala v druhej polovici storočia, keď sa prvýkrát objavili skutočné prototypy budúcich strojov vo forme parných čerpadiel. A napokon v 18. storočí nastal skutočný vek rozvoja a stavby parných strojov. Newcomenove a Wattove stroje patria medzi najznámejšie a najpoužívanejšie inovácie v oblasti pary.

Rastúca potreba energie v priemysle, baníctve a doprave viedla k masívnemu využívaniu nových technológií, ktoré nahradili staršie zdroje, ako napríklad ľudskú alebo zvieraciu silu či prírodné zdroje ako vietor alebo voda. Na scénu prišlo mnoho variantov parných strojov, ale rozhodujúca inovácia sa pripisuje Jamesovi Wattovi. Najdôležitejšími komponentmi moderných parných strojov sú piest a valec spolu s pojmom vákua a tlaku.

V aplikácii Corinth môžete objaviť, ako funguje jednoduchý parný stroj. Otvorte knižnicu Fyzika a vyhľadajte model „Parný stroj“. Otvorte ho a ukážte svojim žiakom!

Ak sa model nenačíta, otvorte ho v novom okne:
app.corinth3d.com/content/f_vyna_parni_stroj

Keď kliknete na časť „Steam Engine – Section“ („Parný stroj – rez“), zobrazia sa všetky detaily vnútorného usporiadania motora. Opíšte všetky jeho časti a ich funkcie, najmä posúvanie ventilu a pohyb piestu spôsobený rozpínaním horúcej pary. Po tejto časti hodiny by mali žiaci pochopiť, ako môže byť výkon pary – vznikajúcej zohrievaním vody spaľovaním fosílnych palív, ako je uhlie – využitý na vytváranie pohybu, ktorý používali priemyselné stroje.

Trvanie: 15 minút

Vďaka objaveniu iných zdrojov energie sa v priebehu 20. storočia používanie parných strojov postupne znižovalo a nahradili ich lacnejšie a účinnejšie zdroje energie. Para sa však stále používa na pohon turbín na výrobu elektriny. Tieto turbíny sú súčasťou všetkých elektrární, kde sa teplo premieňa na pohyb a následne na elektrinu – napríklad tepelných alebo jadrových elektrární.

Na vysvetlenie, ako takáto turbína funguje a ako môže pomáhať pri výrobe elektriny, použite modely v aplikácii Corinth! Prejdite do knižnice Fyzika a otvorte model „Varný reaktor“, ktorý ukazuje, ako sa voda v reaktore ohrieva, až začne vrieť.

Ak sa model nenačíta, otvorte ho v novom okne:
app.corinth3d.com/content/f_vyna_jaderny_reaktor

Potom otvorte model „Jadrová elektráreň“, ktorý ukazuje celý cyklus vody v jadrových elektrárňach. Upozornite žiakov na jednotlivé časti a vysvetlite, ako sa voda premieňa na paru, vstupuje do turbíny, otáča hriadeľom a potom sa znovu skvapalňuje.

Ak sa model nenačíta, otvorte ho v novom okne:
app.corinth3d.com/content/f_vyna_jaderna_elektrarna

Nakoniec, ak chcete lepšie vysvetliť, ako sa otáčajúci hriadeľ môže použiť na výrobu elektriny, môžete to urobiť pomocou modelu „Trojfázový generátor“, ktorý jednoducho ukazuje, ako možno elektrinu generovať.

Ak sa model nenačíta, otvorte ho v novom okne:
app.corinth3d.com/content/f_vyna_3f_generator

Trvanie: 15 minút

V tomto experimente sa pokúsite zostrojiť vlastnú Aeolipilu!

Potrebné nástroje:

• Prázdna hliníková plechovka od nápoja
• Voda
• Laboratórny stojan
• Laboratórny horák
• Šnúra
• Ihla

Postup:

1. Pomocou ihly prepichnite plechovku z jednej strany, približne v polovici výšky valca.
2. Vylejte tekutinu z plechovky. Potom ju prepichnite druhýkrát priamo oproti prvej diere. Ihlu v oboch dierach otočte o 90° (v rovnakom smere, napr. doprava) a vyberte.
3. Plechovku naplňte vodou cez malé otvory, ktoré ste vytvorili. Plechovka musí zostať uzavretá.
4. Pripravte laboratórny stojan a šnúru, zavesenú plechovku naplnenú vodou upevnite nad horák.
5. Zapaľte horák a počkajte, kým voda vo vnútri plechovky nezačne vrieť. Keď začne para unikať cez otvory, plechovka sa začne otáčať. Vaša Aeolipila funguje!

Ukončite hodinu krátkou diskusiou:

• Mohli by sme nejako nahradiť úlohu pary pri výrobe elektriny? Ako?
• Myslia si žiaci, že parné vozidlá alebo zariadenia majú budúcnosť? Prečo (nie)?