Około 62 roku n.e. Heron z Aleksandrii opisał kulę, która obracała się, gdy wydobywała się z niej para wodna, ale starożytni potraktowali ją jak ciekawostkę. Dopiero osiemnaście wieków później ten sam pomysł, czyli strumień pary zamieniony w ruch, zaczął napędzać fabryki i okręty. W tym doświadczeniu zbudujesz jego miniaturę: wąska rurka miedziana wystrzeliwuje parę prosto w śmigło, które obraca się tak długo, jak pod słoikiem pali się świeczka.

Co nam będzie potrzebne?

  • słoik szklany żaroodporny lub mała metalowa puszka z szeroką szyjką (ok. 250 ml)
  • korek gumowy z wywierconym otworem (lub korek korkowy z otworem na rurkę)
  • cienka rurka miedziana o długości ok. 20 cm i średnicy 3–4 mm
  • gwóźdź lub gruby drut na oś
  • śmigło lub łopatkowe kółko wycięte z tektury albo cienkiego plastiku
  • woda destylowana (zapobiega osadzaniu się kamienia w rurce)
  • 2–3 świeczki typu tealight albo mały palnik spirytusowy
  • podstawka z cegieł, drewnianych klocków lub statyw laboratoryjny
  • kombinerki, rękawice kuchenne i okulary ochronne

⚠️ Uwaga: Eksperyment łączy ogień, gorącą parę i naczynie pod ciśnieniem. Wykonuj go wyłącznie z dorosłymi, na niepalnej podstawie. Rurka musi być przez cały czas drożna, bo zamknięty, podgrzewany słoik może pęknąć. Strumień pary ma ponad 100°C i parzy mocniej niż wrzątek.

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Przygotowanie dyszy. Kombinerkami zegnij miedzianą rurkę pod kątem prostym, tak aby jedno ramię miało około 12 cm, a drugie około 8 cm. Zginaj powoli, łukiem, nie załamując ścianki, bo zagnieciona rurka zatka się i przestanie przepuszczać parę. Krótszy koniec będzie dyszą, z której popłynie strumień.

Krok 2: Montaż kotła. Wciśnij dłuższe ramię rurki w otwór korka, tak aby wystawało przez niego około 1 cm do wnętrza słoika. Wlej do słoika wodę do jednej trzeciej wysokości. Pusta przestrzeń nad wodą jest potrzebna, bo tam gromadzi się para. Zamknij słoik korkiem i sprawdź, czy rurka jest drożna, dmuchając w jej wolny koniec.

Krok 3: Wykonanie wirnika. Z tektury wytnij koło o średnicy około 6 cm i nacinaj jego brzeg w kilku miejscach, a powstałe łopatki lekko odgnij w jedną stronę, jak w wiatraczku. Przez środek przełóż gwóźdź i zamocuj go tak, aby wirnik mógł się swobodnie obracać. Najprościej wbić gwóźdź w drewniany klocek albo zamocować go w statywie.

Krok 4: Ustawienie układu. Postaw słoik na podstawce nad świeczkami, a wirnik ustaw tak, aby dysza kierowała strumień pary na łopatki, w odległości 1–2 cm. Upewnij się, że płomienie nie sięgają do tektury.

Krok 5: Uruchomienie. Zapal świeczki i poczekaj kilka minut. Gdy woda zacznie wrzeć, z dyszy wydobędzie się cienki, szumiący strumień pary. Wirnik zacznie się obracać, początkowo wolno, a potem coraz szybciej. Jeśli nie rusza, zmień kąt dyszy lub odgnij mocniej łopatki. Po zakończeniu zgaś świeczki i odczekaj, aż całość ostygnie, zanim dotkniesz słoika.

Wyjaśnienie naukowe

Pod wpływem ciepła cząsteczki wody poruszają się coraz szybciej, aż w temperaturze 100°C (przy normalnym ciśnieniu) ciecz zaczyna zamieniać się w gaz. Przy przejściu w parę woda zwiększa objętość około 1700 razy. W zamkniętym słoiku ta ogromna ekspansja nie ma gdzie się podziać, więc ciśnienie rośnie i wypycha parę jedyną drogą, czyli przez wąską rurkę. Zwężenie przyspiesza strumień, tak samo jak kciuk przyłożony do końcówki węża ogrodowego.

Śmigło obraca się dzięki przekazaniu pędu. Cząsteczki pary uderzają w łopatki i oddają im część swojego pędu, a zgodnie z zasadą zachowania pędu i trzecią zasadą dynamiki Newtona każdej sile towarzyszy równa siła przeciwna. Dokładnie taki mechanizm działa w turbinie parowej zaprojektowanej przez Charlesa Parsonsa w 1884 roku. Jego okręt „Turbinia” w 1897 roku wyprzedził na przeglądzie floty wszystkie okręty marynarki brytyjskiej, osiągając prędkość ponad 34 węzłów. Różni się to od tłokowego silnika Watta, w którym para pcha tłok tam i z powrotem, a ruch posuwisty trzeba dopiero zamieniać na obrotowy.

Dziś turbiny parowe wytwarzają większość energii elektrycznej na świecie: w elektrowniach węglowych, gazowych i jądrowych paliwo służy tylko do tego, by zagotować wodę, a para wiruje turbiną połączoną z generatorem. Ich sprawność ograniczają prawa termodynamiki, bo maksymalną sprawność silnika cieplnego wyznacza wzór Carnota, η = 1 − T_zimne / T_gorące. Nasz model ma sprawność znikomą, ponieważ większość ciepła świeczki ucieka do otoczenia, a para opuszcza dyszę bez skraplania. Prawdziwe elektrownie skraplają parę po przejściu przez turbinę, co zwiększa różnicę ciśnień i pozwala wycisnąć z niej więcej pracy.

Warianty

Wirnik reakcyjny w stylu Herona. Zamiast kierować parę na śmigło, zawieś na nitce lub osi lekką puszkę z dwiema zgiętymi rurkami skierowanymi w przeciwne strony stycznie do obwodu. Wypływająca para wprawi puszkę w obrót siłą odrzutu. To rozwiązanie zbliżone do silnika rakietowego i pierwotnej eolipili.

Prądnica z miniaturowej turbiny. Połącz oś wirnika z osią małego silniczka prądu stałego (np. z zabawki) używanego jako generator i podłącz do niego diodę LED. Przy dostatecznie szybkim obrocie dioda zaświeci się, a ty zobaczysz cały łańcuch: ciepło, para, ruch, prąd. Prostszy wariant napędu parowego znajdziesz w doświadczeniu z parowozem z puszki po napoju .

Wpływ średnicy dyszy. Przygotuj dwie rurki o różnej średnicy (np. 2 mm i 4 mm) i policz, ile obrotów wirnika zajmuje 30 sekund. Cieńsza dysza daje szybszy strumień, ale przepuszcza mniej pary, więc możesz zbadać kompromis między prędkością strumienia a jego natężeniem.

Często zadawane pytania

Czym ten model różni się od silnika parowego z puszek? W silniku parowym z puszki po napoju praca polega na rytmicznym rozszerzaniu i kurczeniu się gazu w zamkniętej komorze, który porusza membranę lub tłok. Tutaj para wypływa w sposób ciągły i napędza wirnik, jak w prawdziwej turbinie. Dzięki temu ruch jest obrotowy, a nie posuwisty, co jest znacznie wygodniejsze przy napędzaniu generatorów.

Dlaczego trzeba użyć wody destylowanej? Zwykła woda z kranu zawiera rozpuszczone sole wapnia i magnezu, które po odparowaniu wody zostają jako kamień. Osad ten zwęża, a z czasem zatyka cienką rurkę, co w układzie ogrzewanym jest groźne, bo ciśnienie nie ma wtedy ujścia. Woda destylowana jest praktycznie pozbawiona soli, więc kocioł działa długo i bezpiecznie. W prawdziwych elektrowniach wodę uzdatnia się z tego samego powodu.

Czy para wodna jest widoczna? Prawdziwa para wodna jest gazem przezroczystym i niewidzialnym, więc tuż przy wylocie dyszy zobaczysz pusty fragment strumienia. Biała chmurka, którą widzisz dalej, to skroplone w powietrzu drobne kropelki wody, powstałe, gdy para zetknęła się z chłodniejszym otoczeniem. Z tego samego powodu wydech czajnika wygląda jak mgła, a nie jak bezbarwny gaz. Inny przykład napędzania ruchu samą różnicą temperatur zobaczysz w doświadczeniu z pompą ciepła z dwóch słoików .