Теплопроводность: тепловой поток сквозь стержень

1 · Прогноз

Медный стержень соединяет горячее и холодное тела. Если взять более толстый стержень (больше площадь сечения), потечёт ли теплота через него быстрее или медленнее?

• Более толстый стержень проводит теплоту быстрее — большая площадь даёт более широкий путь потоку.
• Более толстый стержень проводит теплоту медленнее.
• Толщина стержня не влияет на скорость теплопроводности.

2 · Подготовка

1. Откройте пресет conduction-bar и нажмите «Сброс». Медный стержень (k = 401 Вт/(м·К), длина 0.1 м) соединяет тело 450 K с телом 300 K.
2. Включите показание скорости теплового потока на проводнике.
3. Задайте площадь сечения стержня для каждой пробы и запишите скорость теплового потока.

3 · Сбор данных

Постройте скорость теплового потока Q̇ (ось y) против площади сечения A (ось x) для трёх проб. Линия прямая через начало координат?

4 · Анализ

1. Для одной пробы вычислите Q̇ = kAΔT/L, используя k = 401 Вт/(м·К); ΔT = 150 K; L = 0.1 м. Сравните с таблицей.
2. По закону Фурье объясните, почему удвоение площади сечения стержня удваивает скорость теплового потока при фиксированных разности температур и длине.

5 · Развитие

1. Материал с низкой теплопроводностью (например, стекло, k ≈ 0.8 Вт/(м·К)) проводит тепло намного медленнее меди (k = 401 Вт/(м·К)) при той же площади и длине. Объясните, почему для утепления домов используют низко-k материалы.
2. Этот эксперимент меняет площадь, но в формуле в знаменателе есть и длина L. Удвоение длины стержня удвоит или уполовинит скорость теплового потока? Объясните, почему более длинный путь сильнее сопротивляется потоку теплоты.

Физика этого эксперимента

← Вернуться к эксперименту