Thermodynamik
Leitungsstab
Wärme fließt durch den Stab mit Q/t = kAΔT/L.
Leitungsstab — interaktive Thermodynamik-Simulation. Wärme fließt durch den Stab mit Q/t = kAΔT/L. Kostenloses browserbasiertes virtuelles Physiklabor mit Live-SI-Messwerten und geführtem Tutorial.
Wärmeleitung
Wärme fließt durch den Stab mit Q/t = kAΔT/L.
Fouriers Wärmeleitungsgesetz lässt Wärme schneller fließen, wenn der Temperaturgradient größer ist, der Querschnitt größer ist oder das Material eine höhere Wärmeleitfähigkeit k hat. Die Stabgeometrie ist so gewählt, dass sich der stationäre Wärmestrom leicht aus den Endtemperaturen ablesen lässt.
- Q/t = kAΔT/L
- Fouriersches Gesetz
Untersuchungsbericht
Planen Sie die Frage, bevor Sie das Labor öffnen
Das Briefing entspricht der vorgerenderten Seite: Leitfrage, konkurrierende Vorhersagen, Variablenrollen, maßgebliche Gesetze, Aufbau sowie Analyse- und Erweiterungsaufgaben bleiben sichtbar und in dieser Reihenfolge.
Fahrfrage
Eine Kupferschiene verbindet einen heißen Körper und einen kalten Körper. Wenn Sie einen dickeren Stab (größere Querschnittsfläche) verwenden, fließt die Wärme dann schneller oder langsamer durch ihn hindurch?
Vorhersagen zum Abwägen
- Ein dickerer Stab leitet die Wärme schneller – mehr Fläche bedeutet einen breiteren Weg für den Wärmefluss.
- Ein dickerer Stab leitet die Wärme langsamer.
- Die Stabdicke hat keinen Einfluss auf die Leitungsrate.
Variable Rollen
Was Sie eingestellt haben:
- Querschnittsfläche A (m²)
Was Sie messen:
- Wärmestromrate Q̇ (W)
Wie die Untersuchung abläuft
- Öffnen Sie das Preset „Wärmeleitstab“ und drücken Sie Zurücksetzen. Ein Kupferstab (k = 401 W/(m·K), Länge 0.1 m) verbindet einen Körper bei 450 K mit einem Körper bei 300 K.
- Aktivieren Sie die Anzeige der Wärmestromrate am Leiter.
- Legen Sie die Querschnittsfläche des Balkens für jeden Versuch fest und zeichnen Sie die Wärmeflussrate auf.
Maßgebende Gleichung
Fouriers Leitungsgesetz — Q/t = k·A·ΔT / L
Wärme fließt mit einer Geschwindigkeit durch ein Material, die durch seine Leitfähigkeit, Querschnittsfläche, Temperaturdifferenz und Länge bestimmt wird: Q̇ = kAΔT/L. Eine größere Fläche oder ein größerer Temperaturunterschied beschleunigt die Leitung; ein längerer Weg verlangsamt es.
Was die Schüler auf dem druckbaren Arbeitsblatt erarbeiten müssen
- Berechnen Sie für einen Versuch Q̇ = kAΔT/L mit k = 401 W/(m·K), ΔT = 150 K, L = 0.1 m. Vergleichen Sie mit der Tabelle.
- Erklären Sie anhand des Fourierschen Gesetzes, warum eine Verdoppelung der Querschnittsfläche des Stabes die Wärmeflussrate bei fester Temperaturdifferenz und Länge verdoppelt.
Wo dies außerhalb des Labors sichtbar wird
- Ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit (wie Glas, k ≈ 0.8 W/(m·K)) leitet Wärme weitaus langsamer als Kupfer (k = 401 W/(m·K)) bei gleicher Fläche und Länge. Erklären Sie, warum bei der Hausisolierung Low-K-Materialien zum Einsatz kommen.
- Dieses Experiment variiert die Fläche, aber die Formel hat auch die Länge L im Nenner. Würde eine Verdoppelung der Stablänge die Wärmeflussrate verdoppeln oder halbieren? Erklären Sie, warum ein längerer Weg dem Wärmefluss mehr Widerstand entgegensetzt.
- 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
- Willkommen beim Wärmeleitungsstab
- Leiter auswählen
- Abspielen drücken
- Wärme durch den Stab
- Inspektor öffnen
- Geschafft!
Öffnen Sie die interaktive Simulation, um die Szene aufzubauen, drücken Sie auf Play und erkunden Sie sie mit Live-Messungen und einem geführten Tutorial.