Termodynamiikka
Johtumistanko
Lämpö virtaa tangon läpi kaavalla Q/t = kAΔT/L.
Johtumistanko – interaktiivinen Termodynamiikka-simulaatio. Lämpö virtaa tangon läpi kaavalla Q/t = kAΔT/L. Ilmainen selaimessa toimiva virtuaalinen fysiikkalaboratorio, jossa on reaaliaikaiset SI-mittaukset ja opastettu tutoriaali.
Lämmönjohtuminen
Lämpö virtaa tangon läpi kaavalla Q/t = kAΔT/L.
Fourier'n johtumislaki lähettää lämpöä nopeammin, kun lämpötilagradientti on suurempi, poikkipinta-ala suurempi tai materiaalin lämmönjohtavuus k korkeampi. Tangon geometria on valittu niin, että vakiotilan lämpövirta on helppo lukea päiden lämpötiloista.
- Q/t = kAΔT/L
- Fourier'n laki
Tutkimustiivistelmä
Suunnittele kysymys ennen laboratorion avaamista
Tiivistelmä vastaa esirendattua sivua: tutkimuskysymys, kilpailevat ennusteet, muuttujien roolit, hallitsevat lait, kokoonpano sekä analyysi- ja laajennuskysymykset pysyvät näkyvissä tässä järjestyksessä.
Tutkimuskysymys
Kuparitanko yhdistää kuuman ja kylmän kappaleen. Jos käytät paksumpaa tankoa (suurempi poikkipinta-ala), virtaako lämpö sen läpi nopeammin vai hitaammin?
Punniteltavat ennusteet
- Paksumpi tanko johtaa lämpöä nopeammin – enemmän pinta-alaa tarkoittaa leveämmän reitin lämmönvirralle.
- Paksumpi tanko johtaa lämpöä hitaammin.
- Tangon paksuus ei vaikuta johtumisnopeuteen.
Muuttujien roolit
Mitä asetat:
- Poikkipinta-ala A (m²)
Mitä mittaat:
- Lämmönvirtausnopeus Q̇ (W)
Miten tutkimus etenee
- Avaa johtumistanko-esiasetus ja paina Nollaa. Kuparitanko (k = 401 W/(m·K), pituus 0.1 m) yhdistää 450 K kappaleen 300 K kappaleeseen.
- Ota käyttöön lämmönvirtausnopeuden lukema johdinta.
- Aseta tangon poikkipinta-ala jokaiselle suoritukselle ja kirjaa lämmönvirtausnopeus.
Hallitseva yhtälö
Fourier'n johtumislaki — Q/t = k·A·ΔT / L
Lämpö virtaa materiaalin läpi nopeudella, jonka määräävät sen johtavuus, poikkipinta-ala, lämpötilaero ja pituus: Q̇ = kAΔT/L. Suurempi pinta-ala tai lämpötilaero nopeuttaa johtumista; pidempi reitti hidastaa sitä.
Mitä tulostettava työarkki pyytää opiskelijoita selvittämään
- Yhdelle suoritukselle laske Q̇ = kAΔT/L arvoilla k = 401 W/(m·K), ΔT = 150 K, L = 0.1 m. Vertaa taulukkoon.
- Selitä Fourier'n lain avulla, miksi tangon poikkipinta-alan kaksinkertaistaminen kaksinkertaistaa lämmönvirtausnopeuden kiinteällä lämpötilaerolla ja pituudella.
Missä tämä näkyy laboratorion ulkopuolella
- Materiaalilla, jolla on matala lämmönjohtavuus (kuten lasilla, k ≈ 0.8 W/(m·K)), kestää johtaa lämpöä paljon hitaammin kuin kuparilla (k = 401 W/(m·K)) samalla pinta-alalla ja pituudella. Selitä, miksi taloeristys käyttää matalan k:n materiaaleja.
- Tämä koe vaihtelee pinta-alaa, mutta kaavassa on myös pituus L nimittäjässä. Kaksinkertaistaisiko tangon pituuden kaksinkertaistaminen vai puolittaako lämmönvirtausnopeuden? Selitä, miksi pidempi reitti vastustaa lämmönvirtausta enemmän.
- 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
- Tervetuloa johtumistankoon
- Valitse johdin
- Paina Toista
- Lämpö tangon läpi
- Avaa Ominaisuudet-paneeli
- Onnistuit!
Avaa interaktiivinen simulaatio rakentaaksesi kohtauksen, paina Toista ja tutki reaaliaikaisten mittausten ja opastetun tutoriaalin kanssa.
Avaa interaktiivinen laboratorio →