التوصيل الحراري: تدفق الحرارة عبر قضيب

1 · توقّع

قضيب نحاسي يصل جسمًا ساخنًا بآخر بارد. إذا استخدمت قضيبًا أسمك (مقطع عرضي أكبر)، فهل تتدفق الحرارة عبره أسرع أم أبطأ؟

• القضيب الأسمك يوصل الحرارة أسرع — مساحة أكبر تعني مسارًا أوسع لتدفق الحرارة.
• القضيب الأسمك يوصل الحرارة أبطأ.
• سماكة القضيب لا تؤثر في معدل التوصيل.

2 · التجهيز

1. 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.
2. فعّل قراءة معدل تدفق الحرارة على الموصل.
3. اضبط المقطع العرضي للقضيب لكل تجربة وسجل معدل تدفق الحرارة.

3 · اجمع البيانات

ارسم معدل تدفق الحرارة Q̇ (المحور y) مقابل المقطع العرضي A (المحور x) لتجاربك الثلاث. هل الخط مستقيم يمر بالأصل؟

4 · حلّل

1. لمحاولة واحدة، احسب Q̇ = kAΔT/L باستخدام k = 401 W/(m·K) و ΔT = 150 K و L = 0.1 m. قارن بالجدول.
2. بقانون فورييه، اشرح لماذا تضاعف المقطع العرضي يضاعف معدل تدفق الحرارة عند فرق درجات وطول ثابتين.

5 · وسّع

1. 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.
2. 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.

الفيزياء خلف هذه التجربة

← عودة إلى التجربة