Termodynamikk
Varmeledningsstav
Varmen strømmer gjennom staven med Q/t = kAΔT/L.
Varmeledningsstav — interaktiv Termodynamikk-simulering. Varmen strømmer gjennom staven med Q/t = kAΔT/L. Gratis virtuell fysikk-lab i nettleseren med SI-målinger i sanntid og en veiledet gjennomgang.
Varmeledning
Varmen strømmer gjennom staven med Q/t = kAΔT/L.
Fouriers varmeledningslov sender varme raskere når temperaturgradienten er større, tverrsnittet større, eller materialet har høyere varmeledningsevne k. Stavgeometrien er valgt slik at den stasjonære varmestrømmen er enkel å lese av endetemperaturene.
- Q/t = kAΔT/L
- Fouriers lov
Undersøkelsesgrunnlag
Planlegg spørsmålet før du åpner labben
Oppgavegrunnlaget speiler den forhåndsgenererte siden: problemstilling, konkurrerende prediksjoner, variabelroller, styrende lover, oppsett, analyse og videreutviklingsoppgaver forblir synlige og i denne rekkefølgen.
Problemstilling
En kobberstaver forbinder et varmt legeme og et kaldt legeme. Hvis du bruker en tykkere stav (større tverrsnittsareal), flyter varmen gjennom den raskere eller saktere?
Prediksjoner å veie
- En tykkere stav leder varme raskere — mer areal betyr en bredere bane for varmestrømmen.
- En tykkere stav leder varme saktere.
- Stavtykkelsen påvirker ikke ledningshastigheten.
Variabelroller
Hva du setter:
- Tverrsnittsareal A (m²)
Hva du måler:
- Varmestrømningshastighet Q̇ (W)
Hvordan undersøkelsen foregår
- Åpne varmeledningsstav-forhåndsinnstillingen og trykk Nullstill. En kobberstaver (k = 401 W/(m·K), lengde 0,1 m) forbinder et legeme ved 450 K med et legeme ved 300 K.
- Aktiver varmestrømningshastighet-avlesningen på lederen.
- Sett stavens tverrsnittsareal for hvert forsøk og registrer varmestrømningshastigheten.
Styrende likning
Fouriers varmeledningslov — Q/t = k·A·ΔT / L
Varmen flyter gjennom et materiale med en hastighet satt av dets ledningsevne, tverrsnittsareal, temperaturdifferanse og lengde: Q̇ = kAΔT/L. Større areal eller temperaturdifferanse akselererer ledningen; en lengre bane sakker den ned.
Hva det utskrivbare arbeidsarket ber elevene finne ut
- For ett forsøk, beregn Q̇ = kAΔT/L med k = 401 W/(m·K), ΔT = 150 K, L = 0,1 m. Sammenlign med tabellen.
- Forklar, med Fouriers lov, hvorfor dobling av stavens tverrsnittsareal dobler varmestrømningshastigheten ved fast temperaturdifferanse og lengde.
Hvor dette dukker opp utenfor labben
- Et materiale med lav varmeledningsevne (som glass, k ≈ 0,8 W/(m·K)) leder varme langt saktere enn kobber (k = 401 W/(m·K)) for samme areal og lengde. Forklar hvorfor husisolasjon bruker lav-k-materialer.
- Dette eksperimentet varierer areal, men formelen har også lengden L i nevneren. Ville dobling av stavens lengde doble eller halvere varmestrømningshastigheten? Forklar hvorfor en lengre bane motstår varmestrøm mer.
- 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
- Velkommen til Varmeledningsstav
- Velg lederen
- Trykk Spill av
- Varme gjennom staven
- Åpne Egenskaper-panelet
- Du klarte det!
Åpne den interaktive simuleringen for å bygge scenen, trykk Spill av, og utforsk med målinger i sanntid og en veiledet gjennomgang.