الديناميكا الحرارية
قضيب توصيل
تتدفق الحرارة عبر القضيب بمعدل Q/t = kAΔT/L.
قضيب توصيل — محاكاة الديناميكا الحرارية تفاعلية. تتدفق الحرارة عبر القضيب بمعدل Q/t = kAΔT/L. مختبر فيزياء افتراضي مجاني يعمل في المتصفح مع قياسات حية بوحدات النظام الدولي وشرح موجّه.
توصيل الحرارة
تتدفق الحرارة عبر القضيب بمعدل Q/t = kAΔT/L.
يرسل قانون فورييه للتوصيل الحرارة أسرع حين يكبر أصل درجات الحرارة أو المقطع العرضي أو حين تكون موصلية المادة الحرارية k أعلى. اختيرت هندسة القضيب بحيث يسهل قراءة التيار الحراري المستقر من درجتي الطرفين.
- Q/t = kAΔT/L
- قانون فورييه
موجز التحقيق
خطط للسؤال قبل فتح المختبر
تعكس المقدمة الصفحة المُصيّرة مسبقًا: سؤال القيادة، والتوقعات المتنافسة، وأدوار المتغيرات، والقوانين الحاكمة، والتجهيز، والتحليل، وأسئلة التوسع تبقى مرئية وبهذا الترتيب.
السؤال القائد
قضيب نحاسي يصل جسمًا ساخنًا بآخر بارد. إذا استخدمت قضيبًا أسمك (مقطع عرضي أكبر)، فهل تتدفق الحرارة عبره أسرع أم أبطأ؟
توقعات للموازنة
- القضيب الأسمك يوصل الحرارة أسرع — مساحة أكبر تعني مسارًا أوسع لتدفق الحرارة.
- القضيب الأسمك يوصل الحرارة أبطأ.
- سماكة القضيب لا تؤثر في معدل التوصيل.
أدوار المتغيرات
ما تضبطه:
- المقطع العرضي A (m²)
ما تقيسه:
- معدل تدفق الحرارة Q̇ (W)
كيف يجري التحقيق
- افتح مسبق قضيب التوصيل واضغط إعادة الضبط. قضيب نحاس (k = 401 W/(m·K)، طوله 0.1 m) يصل جسمًا بدرجة 450 K بجسم بدرجة 300 K.
- فعّل قراءة معدل تدفق الحرارة على الموصل.
- اضبط المقطع العرضي للقضيب لكل تجربة وسجل معدل تدفق الحرارة.
المعادلة الحاكمة
قانون فورييه للتوصيل — Q/t = k·A·ΔT / L
تتدفق الحرارة عبر مادة بمعدل تحدده موصليتها ومساحة مقطعها وفرق درجة الحرارة وطولها: Q̇ = kAΔT/L. مساحة أكبر أو فرق حرارة أكبر يسرعان التوصيل؛ مسار أطول يبطئه.
ما يطلب من الطلاب استخراجه في ورقة العمل القابلة للطباعة
- لمحاولة واحدة، احسب Q̇ = kAΔT/L باستخدام k = 401 W/(m·K) و ΔT = 150 K و L = 0.1 m. قارن بالجدول.
- بقانون فورييه، اشرح لماذا تضاعف المقطع العرضي يضاعف معدل تدفق الحرارة عند فرق درجات وطول ثابتين.
أين يظهر هذا خارج المختبر
- مادة منخفضة الموصلية الحرارية (كالزجاج، k ≈ 0.8 W/(m·K)) توصل الحرارة أبطأ بكثير من النحاس (k = 401 W/(m·K)) للمساحة والطول نفسيهما. اشرح لماذا يستخدم عزل المنازل مواد منخفضة k.
- تغير هذه التجربة المساحة، لكن للصيغة أيضًا الطول L في المقام. أيتضاعف طول القضيب يضاعف معدل التدفق أم ينصفه؟ اشرح لماذا يقاوم المسار الأطول تدفق الحرارة أكثر.
- AP Physics 2 — Unit 9: Thermodynamics
- IB Physics — B.1 Thermal energy transfers
- General High School Physics — Heat, temperature & gas laws
- NGSS High School Physics — Thermal energy transfer
- Middle School Physical Science — Controlling heat transfer
- Middle School Physical Science — Energy transfer between materials
- أهلًا بك في قضيب التوصيل
- حدد الموصل
- اضغط تشغيل
- حرارة عبر القضيب
- افتح لوحة الخصائص
- أحسنت!
افتح المحاكاة التفاعلية لبناء المشهد، واضغط تشغيل، واستكشف بقياسات حية وشرح موجّه.