Conducción térmica: flujo de calor a través de una barra

1 · Predecir

Una barra de cobre conecta un cuerpo caliente y un cuerpo frío. Si usa una barra más gruesa (más área de sección transversal), ¿el calor fluye a través de ella más rápido o más lento?

• Una barra más gruesa conduce el calor más rápido; más área significa un camino más amplio para el flujo de calor.
• Una barra más gruesa conduce el calor más lentamente.
• El espesor de la barra no afecta la velocidad de conducción.

2 · Configurar

1. Abra el preajuste de la barra de conducción y presione Restablecer. Una barra de cobre (k = 401 W/(m·K), longitud 0.1 m) conecta un cuerpo a 450 K con un cuerpo a 300 K.
2. Habilite la lectura del flujo de calor en el conductor.
3. Establezca el área de la sección transversal de la barra para cada prueba y registre la tasa de flujo de calor.

3 · Recopilar Datos

Grafique la tasa de flujo de calor Q̇ (eje y) contra el área de la sección transversal A (eje x) para sus tres pruebas. ¿La recta pasa por el origen?

4 · Analizar

1. Para una prueba, calcule Q̇ = kAΔT/L usando k = 401 W/(m·K), ΔT = 150 K, L = 0.1 m. Compare con la tabla.
2. Explique, utilizando la ley de Fourier, por qué al duplicar el área de la sección transversal de la barra se duplica la tasa de flujo de calor con una diferencia de temperatura y una longitud fijas.

5 · Ampliar

1. Un material con baja conductividad térmica (como el vidrio, k ≈ 0.8 W/(m·K)) conduce el calor mucho más lentamente que el cobre (k = 401 W/(m·K)) para la misma área y longitud. Explique por qué el aislamiento de una casa utiliza materiales de baja k.
2. Este experimento varía el área, pero la fórmula también tiene una longitud L en el denominador. ¿Duplicar la longitud de la barra duplicaría o reduciría a la mitad la tasa de flujo de calor? Explique por qué un camino más largo resiste más el flujo de calor.

La física detrás de este experimento

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