Conduzione termica: flusso di calore in una barra
1 · Prevedi
Una barra di rame collega un corpo caldo e uno freddo. Se usi una barra più spessa (più sezione), il calore scorre più in fretta o più lentamente?
- Più in fretta: più sezione è un percorso più largo per il flusso.
- Una barra più spessa conduce più lentamente.
- Lo spessore non influenza la portata.
2 · Configurazione
- Apri il preset conduction-bar e premi Reset. Una barra di rame (k = 401 W/(m·K), lunghezza 0.1 m) collega un corpo a 450 K a un corpo a 300 K.
- Attiva la lettura della portata termica sul conduttore.
- Imposta la sezione della barra per ogni prova e registra la portata.
3 · Raccogli dati
| Sezione A (m²) | Portata termica Q̇ (W) |
|---|---|
| 5.00e-4 | |
| 1.00e-3 | |
| 2.00e-3 |
Traccia Q̇ (asse y) contro A (asse x) per le tre prove. La linea è retta per l'origine?
4 · Analizza
- Per una prova, calcola Q̇ = kAΔT/L usando k = 401 W/(m·K); ΔT = 150 K; L = 0.1 m. Confronta con la tabella.
- Con la legge di Fourier, spiega perché raddoppiare la sezione raddoppia la portata a differenza di temperatura e lunghezza fisse.
5 · Estendi
- Un materiale a bassa conducibilità termica (come il vetro, k ≈ 0.8 W/(m·K)) conduce il calore molto più lentamente del rame (k = 401 W/(m·K)) a pari area e lunghezza. Spiega perché l'isolamento delle case usa materiali a bassa k.
- Questo esperimento varia l'area, ma la formula ha anche la lunghezza L al denominatore. Raddoppiare la lunghezza raddoppia o dimezza la portata? Spiega perché un percorso più lungo resiste di più al flusso.
La fisica dietro questo esperimento
Legge di Fourier della conduzione
Il calore fluisce attraverso un materiale a un ritmo fissato dalla sua conducibilità, dall'area della sezione, dalla differenza di temperatura e dalla lunghezza: Q̇ = kAΔT/L. Area o differenza di temperatura maggiori accelerano la conduzione; un percorso più lungo la rallenta.