UHLÍ

Ložiska uhlí, ropy a zemního plynu jsou obrovské zásobárny zkondenzované sluneční energie, které se tvořily miliony let. Lidé je využívají k získávání tepla, potřebného pro vytápění, vaření, výrobu světla, a také k získávání mechanické energie, pro něž vynalezli parní stroj, turbínu a spalovací motory.

Rožeň Leonarda da Vinci.

Pod povrchem naší planety leží poklady, které nikdy nebyly shromaždovány do klenotnic mocných, nenašli bychom v nich ani šperky, ani zlaté mince. A přece se i o ně vedly války, umírali pro ně lidé. Jsou to ložiska uhlí, ropy a zemního plynu. O tom, jak tato ložiska vznikla a jak se těží, vyprávíme na jiném místě. Tady si povíme, k čemu nám vlastně slouží.
   Co lidé oceňují na těch na první pohled nijak zajímavých surovinách? Především to, že v sobě skrývají poměrně snadno uvolnitelnou energii.

Energii skrytou v uhlí uvolníme nejsnáze v podobě tepla. Teplo využíval člověk již od svých prvních krůčků na Zemi. A nejen využíval, bylo pro něj životně nutné. Od okamžiku, kdy ovládl oheň, vykročil na cestu z pralesa do vesmíru.

VYTÁPĚNÍ

Po dlouhá tisíciletí lidem jako jediné palivo sloužilo dřevo (nepočítáme-li výjimky, jako např. sušený trus velkých býložravců).Suché větve hořely v pravěkých ohništích, vyschlá polena vyhřívala středověké krby i pece venkovských chalup. Teprve v minulém století se začalo k vytápění běžně užívat i uhlí. Nebylo to totiž zpočátku vůbec jednoduché.
   První kamna na uhlí si dal v Praze patentovat Christoph Bergner, povoláním alchymista, roku 1766. Tak dlouho však byl svými sousedy osočován z otravování vzduchu kouřem, až mu topit uhlím tehdejší městská rada zakázala.

Bergner měl však tvrdou hlavu a topil tak dlouho, až se k němu dostavila komise, aby kamna zapečetila. Zarputilý alchymista komisi vyhnal, a když se vrátila spolu s policejním doprovodem, použil proti strážníkům dokonce pistoli. Nakonec se to obešlo bez krve, ale také bez kamen na uhlí. Pokrok musel ještě chvíli počkat i když z dnešního hlediska se nám rozhodnutí pražských radních jeví spíše jako moudré než zpátečnické.
   Od Bergnerových časů mnoho vody neuplynulo, přesto se lidé naučili topit nejen uhlím, ale i produkty z ropy a také plynem. Obyčejná kamna nahradilo ústřední a dálkové vytápění.

Aeolipile.

ÚSTŘEDNÍ A DÁLKOVÉ TOPENÍ

Abychom dali zadost rčení "nic nového pod sluncem", musíme poznamenat, že ústřední topení užívali ve svých palácích a především lázních již staří Římané před více než dvěma tisíci lety. Nejen však staří Římané či jiné vyspělé starověké civilizace v Malé Asii, Indii a jinde. Teplovzdušné vytápění bývalo ve středověku i na Pražském hradě (topilo se v něm samozřejmě výhradně dřevem).
   Moderní doba začala pro ústřední vytápění nejprve používat horkou páru. Tou byly vytápěny už v 17. století například skleníky v Anglii. Horká voda se pro přenos tepla začala používat až asi o 100 let později. K opravdovému rozmachu ústředního vytápění nepřispělo ani tak používání uhlí (i když bez něj by to nešlo, topit dřívím v mnoha velkých kotelnách by asi naše lesy nepřežily), jako spíše vynález žebrových radiátorů.
   Dnes se i ústřední topení ukazují jako málo ekonomická. Mnohem úspornější je dálkové vytápění celých sídlišť nebo měst. Topení uhlím je poměrně jednoduché a laciné, velmi však znečišťuje ovzduší. Pokud nezvolíme jiný zdroj (produkty ropy, zemní plyn, jadernou teplárnu), musíme použít buď nákladná zařízení pro zachycení zplodin hoření, nebo nějaký typ velmi dokonalého spalování. Například v ohništích s tzv. fluidním spalováním se spaluje uhlí umleté na jemný prášek vznášející se v proudu vzduchu. Shoří dokonale, bez kouře a dýmu.

HRÁTKY S TEPLEM

Už ve starověku si lidé uvědomovali, že teplo v sobě skrývá obrovskou energii. Zajímavými pokusy s teplým vzduchem se zabýval například řecký matematik a fyzik Heron Alexandrijský (okolo 150 -100 př. Kr.). Na základě poznání, že vzduch se teplem roztahuje, a pokud ho uzavřeme do neprodyšné nádoby, pak se zahříváním zvyšuje jeho tlak, sestrojil řadu důmyslných zařízení různé vodotrysky, rotující koule a také samočinné otevírání chrámových dveří, které budilo v prostých věřících doslova úžas.
   K praktičtějšímu účelu využil teplého vzduchu o mnoho staletí později Leonardo da Vinci. Pomocí vrtulky poháněné stoupajícím teplým vzduchem nad ohništěm otáčel pečení na rožni.

SÍLA = PÁRA

Získat z uhlí teplo je snadné. Jak však převést teplo na zdroj síly, na mechanickou energii? K tomu nám pomůže pára.
   O tom, že horká pára je účinný zdroj síly, věděl už Archimedes (287 - 212 př. Kr.), který navrhl dokonce i jakési parní dělo. Na skutečné využití páry si však lidstvo muselo počkat až do 17. století. Tehdy sestrojil profesor univerzity v Marburgu Denis Papin (1647 - 1712) stroj, který už můžeme nazvat parní. Jeho stroj konal užitečnou práci jenom při pohybu pístu směrem dolů, tj. tehdy, když na něj působil atmosférický tlak vzduchu. Proto jsou stroje pracující na tomto principu nazývány atmosférickými.

Papinovy zásluhy o vynález parního stroje jsou nezpochybnitelné, kuriózní ovšem je, že se daleko více proslavil mnohem prozaičtějším objevem dodnes široce užívaným tlakovým hrncem neboli "papiňákem".

PŘEDCHŮDCI PARNÍHO STROJE

Přes četné nedostatky se atmosférické parní stroje začaly šířit zejména v hornictví při čerpání vody. Osvědčil se tu zejména "ohňový stroj" anglického inženýra Thomase Saveryho (1650-1715), nazývaný "přítel horníků".

Papinův atmosférický stroj. Z parního kotle 1 se vede pára do válce 2, kde tlačí na horní plochu pístu 5 a pohybem směrem k dolnímu konci válce vytlačuje z pod pístu vodu potrubím 3 do nádržky 4. V dolní úvrati zavře ventil 7 přívod páry, otevře se ventil 6, pára z válce unikne do vzduchu, tím vznikne ve válci podtlak, do válce vnikne nová dávka vody a vytlačí píst vzhůru. Uzavře se ventil 6, otevře ventil 7 - přívod páry a celý děj se opakuje.

   O vzniku Saveryho stroje se vypráví zajímavá historka. Inženýr jednou s přáteli popíjel víno a prázdnou láhev odhodil do zapáleného krbu. Zrovna v tu chvíli mu přinesli mísu s vodou, aby si mohl umýt ruce. Pro zábavu svých přátel vytáhl z krbu horkou láhev a ponořil její hrdlo do umývadla. K překvapení celé společnosti se láhev rychle naplnila vodou. Vysvětlení není složité: v horké láhvi vznikl podtlak a voda se do ní hrnula působením vnějšího (atmosférického) tlaku vzduchu na hladinu vody v umývadle. Na stejném principu pracoval i Papinův stroj.
   Pokračovatelem Saveryho se stal další Angličan, Thomas Newcomen (1663-1729). "Ohňové stroje" znal důvěrně, byl strojníkem na dole, kde byly zavedeny. Z jeho mnoha zlepšení je jedno zásadní. Zatímco Savery dosahoval kondenzace páry poléváním válce studenou vodou (tím se snížil ve válci tlak páry a píst mohl působením tlaku vzduchu sestoupit do dolní polohy), Newcomen zavedl vstřikování studené vody přímo do válce. To bylo mnohem rychlejší a účinnější.
   Atmosférické stroje našly v 18. století v hornictví velké uplatnění. Na území tehdejší habsburské monarchie se užívaly v banskoštiavnickém revíru, kde působil J. K. Hell ( 1713 - 1789). Tento nadaný technik zkonstruoval nejdříve pro pohon čerpadel několik tzv. vodosloupových strojů, o něco později pak teplovzdušný stroj. Nakonec vybavil zdejší doly atmosférickými stroji Newcomenova typu, které však sám postavil. Na evropském kontinentě byly ojedinělé, a tak banskoštiavnické doly mohly směle soutěžit s tehdy nejvyspělejším anglickým hornictvím.

Newcomenův atmosférický stroj. Z kotle je vpuštěna pára do válce nad ním. Když vytlačila píst vyvážený protizávažím k hornímu konci válce, stlačilo vahadlo píst důlní pumpy. V témže okamžiku se uzavřel přívod páry do válce, otevřel se kohout v potrubí od nádrže s vodou a do válce vstříkla studená voda. Tím se pára srazila ve vodu, tlak ve válci se snížil pod atmosférický tlak, venkovní vzduch srazil píst ve válci dolů a vahadlo se závažím zvedlo píst důlní pumpy. Tak se to střídavě opakovalo a pumpa čerpala vodu z dolu.

NA SCÉNU PŘICHÁZÍ WATT

Za vynálezce parního stroje je obecně považován James Watt (1736 - 1819). Jeho zásluhy jsou nesporné, ale už teď vidíme, že díky svým předchůdcům měl na co navazovat. S modelem Newcomenova atmosférického stroje se Watt seznámil na glasgowské univerzitě, kde byl zaměstnán jako mechanik: Model nefungoval a Wattovi dalo mnoho práce, než se mu ho podařilo uvést do chodu. Tím se ale také mnoho naučil. První důležité zlepšení, které zavedl byl kondenzátor. Stroj teď pracoval hospodárněji. Další problém spočíval v utěsnění pístu. Vyzkoušel mnoho materiálů, až přišel na jednoduché, ale o to geniálnější řešení uzavřel válec nahoře i dole a obklopil píst po obou stranách párou. Změnil tak atmosférický stroj na opravdu parní. K praktickému využívání stroje ve všech možných oborech zbývalo vyřešit ještě spoustu "drobností", se všemi si však nakonec Watt poradil. Roku 1782 udělal pak další zcela zásadní krok: získal patent na dvojčinný parní stroj. Do té doby byla pára přiváděna jen na jednu stranu pístu a jeho stlačením vykonala využitelnou práci. U dvojčinného stroje se pára přivádí střídavě na obě strany pístu. Množství využitelné práce se tak vlastně zdvojnásobuje.
   Parní stroj se začal prosazovat ve všech možných oborech. Vypráví se, jak si jistý majitel pivovaru v Anglii objednal u Watta parní stroj. Měl však podmínku - stroj musel zastat stejně velkou práci jako dosud pivovarníkův kůň. Ten dokázal vyčerpat ze studny v průměru za 1 sekundu 500 liber vody do výše 1 stopy. Watt zhotovil stroj, který za stejnou dobu a do stejné výšky vyčerpal dokonce 550 liber vody. Obchod byl uzavřen, ale kvůli tomu by asi příběh do dějin fyziky nevstoupil. Dodnes se traduje proto, že zmiňovaný výkon stroje se stal na dlouhou dobu jednotkou pro měření výkonu. Angličané ji nazývali horse-power, což (ne úplně přesně) odpovídá koňským silám našich dědečků.

Schéma pohonu hnací nápravy parní lokomotivy.

Dnes už si těžko dovedeme představit, co ve své době vynález parního stroje znamenal. Musíme si však uvědomit, že před ním vlastně neexistoval žádný dostatečně mohutný a zároveň na přírodních podmínkách nezávislý zdroj energie. Jen díky parnímu stroji se mohly rozvíjet továrny vybavené mnoha stroji, železnice mohly spojit města i státy a parníky překonávat moře i oceány. Snad nejlépe to vystihuje nápis na Wattově náhrobku ve Westminsterském opatství: "Zdroje své země rozšířil, člověka moc rozmnožil a povznesl se tak do předních řad mezi nejslavnější vědce a skutečné dobrodince lidstva."

Lavalova parní turbína.

PARNÍ TURBÍNY

Energii ukrytou v palivu převádí parní stroj zjednodušeně řečeno na mechanický pohyb pístu. Ten můžeme popsat jako vratný přímočarý. Při použití stroje k čerpání vody to bylo docela výhodné, brzy se však ukázalo, že v mnoha případech, například pro pohon jiných strojů by byl vhodnější pohyb rotační. Různé převodové mechanismy měly svá úskalí, a tak se hledaly jiné cesty. Jedna vedla k rotačnímu parnímu stroji, druhá k parním turbínám. Ta první cesta se časem ukázala slepou, po té druhé kráčíme dodnes.

S principy parní turbíny se znovu setkáváme již v daleké historii, třeba u řeckého učence Herona. Roku 1629 vyšla kniha Le Machine, ve které její autor, italský inženýr G. Branca, popisuje jakési parní kolo, ve skutečnosti pravzor turbíny. První moderní parní turbínu představil veřejnosti roku 1884 anglický konstruktér Charles Parsons ( I 854 -1931 ). Turbína měla na společném hřídeli upevněnou řadu lopatkových kol uzavřených ve válci. Z trysek rozváděcích věnců přicházela na lopatky pára z parního kotle a roztáčela je. Na konci celého systému odcházela pára ven, takřka beze zbytku využitá.
   První Parsonsovy turbíny dosahovaly až 18 000 otáček za minutu, což bylo nevýhodné. Trvalo 15 let, než se je vynálezci podařilo snížit na optimálních 1 500 za minutu.

Brancovo parní kolo se dalo použít mnoha způsoby.

Dalším kdo stál u zrodu parních turbín, byl švédský vynálezce Gustav Laval (1845 - 1913). Původně vynalezl odstředivku na mléko a v parní turbíně hledal pro ni vhodný pohon: Na rozdíl od přetlakové Parsonsovy turbíny byla Lavalova rovnotlaká (tlak páry je v celém systému stejný, pohyb způsobuje pouze rychlost páry).
   Výhodou parních turbín oproti parním strojům je především vyšší účinnost. To znamená, že turbíny dokážou využít větší část energie dodané v palivu. A tak, jestliže se s parním strojem můžeme dnes setkat prakticky jen v muzeu, patří turbíny plně do věku moderní techniky. Neobešla by se bez nich žádná z našich tepelných nebo jaderných elektráren, kde slouží jako "motor" pro výrobu elektrické energie.