Condução Térmica: Fluxo de Calor Através de uma Barra

1 · Prever

Uma barra de cobre conecta um corpo quente e um corpo frio. Se você usar uma barra mais grossa (maior área de seção transversal), o calor flui através dela mais rápido ou mais devagar?

• Uma barra mais espessa conduz o calor mais rapidamente – mais área significa um caminho mais amplo para o fluxo de calor.
• Uma barra mais grossa conduz o calor mais lentamente.
• A espessura da barra não afeta a taxa de condução.

2 · Preparar

1. Abra o preset da barra de condução e pressione Redefinir. Uma barra de cobre (k = 401 W/(m·K), comprimento 0.1 m) conecta um corpo a 450 K a um corpo a 300 K.
2. Habilite a leitura da taxa de fluxo de calor no condutor.
3. Defina a área da seção transversal da barra para cada tentativa e registre a taxa de fluxo de calor.

3 · Coletar Dados

Plote a taxa de fluxo de calor Q̇ (eixo y) em relação à área da seção transversal A (eixo x) para suas três tentativas. A linha passa direto pela origem?

4 · Analisar

1. Para uma tentativa, calcule Q̇ = kAΔT/L usando k = 401 W/(m·K), ΔT = 150 K, L = 0.1 m. Compare com a tabela.
2. Explique, usando a lei de Fourier, por que duplicar a área da seção transversal da barra duplica a taxa de fluxo de calor a uma diferença fixa de temperatura e comprimento.

5 · Aprofundar

1. Um material com baixa condutividade térmica (como o vidro, k ≈ 0.8 W/(m·K)) conduz calor muito mais lentamente que o cobre (k = 401 W/(m·K)) para a mesma área e comprimento. Explique por que o isolamento de casas usa materiais de baixo teor de k.
2. Este experimento varia de área, mas a fórmula também tem comprimento L no denominador. Dobrar o comprimento da barra dobraria ou reduziria pela metade a taxa de fluxo de calor? Explique por que um caminho mais longo resiste mais ao fluxo de calor.

A física por trás deste experimento

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