อุณหพลศาสตร์
แท่งนำความร้อน
ความร้อนไหลผ่านแท่งวัสดุด้วยอัตรา Q/t = kAΔT/L
แท่งนำความร้อน — การจำลองอุณหพลศาสตร์แบบโต้ตอบ ความร้อนไหลผ่านแท่งวัสดุด้วยอัตรา Q/t = kAΔT/L ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์เสมือนบนเบราว์เซอร์ที่ใช้ฟรี พร้อมการวัด SI แบบสดและบทแนะนำ
การนำความร้อน
ความร้อนไหลผ่านแท่งด้วยอัตรา Q/t = kAΔT/L
กฎการนำความร้อนของฟูริเยร์ทำให้ความร้อนไหลเร็วขึ้นเมื่อความชันของอุณหภูมิมากขึ้น พื้นที่หน้าตัดใหญ่ขึ้น หรือวัสดุมีสภาพนำความร้อน k สูงขึ้น รูปทรงของแท่งถูกเลือกให้อ่านกระแสความร้อนที่สภาวะคงตัวได้ง่ายจากอุณหภูมิปลายทั้งสองข้าง
- Q/t = kAΔT/L
- กฎของฟูริเยร์
สรุปการสืบสวน
วางแผนคำถามก่อนเปิดห้องแล็บ
บทสรุปสะท้อนหน้าที่เรนเดอร์ล่วงหน้า คำถามขับเคลื่อน คำทำนายที่ขัดแย้งกัน บทบาทตัวแปร กฎที่ควบคุม การตั้งค่า การวิเคราะห์ และโจทย์ต่อยอดยังแสดงและเรียงตามลำดับนี้
คำถามขับเคลื่อน
แท่งทองแดงเชื่อมวัตถุร้อนกับวัตถุเย็น ถ้าใช้แท่งที่หนากว่า (พื้นที่หน้าตัดมากกว่า) ความร้อนจะไหลผ่านเร็วขึ้นหรือช้าลง
คำทำนายที่ต้องชั่งใจ
- แท่งที่หนากว่านำความร้อนได้เร็วกว่า — พื้นที่มากกว่าคือทางผ่านความร้อนที่กว้างกว่า
- แท่งที่หนากว่านำความร้อนได้ช้ากว่า
- ความหนาของแท่งไม่กระทบอัตราการนำความร้อน
บทบาทของตัวแปร
สิ่งที่คุณตั้ง:
- พื้นที่หน้าตัด A (m²)
สิ่งที่คุณวัด:
- อัตราการไหลของความร้อน Q̇ (W)
การสืบสวนดำเนินไปอย่างไร
- เปิดพรีเซ็ท conduction-bar แล้วกดรีเซ็ต แท่งทองแดง (k = 401 W/(m·K), ยาว 0.1 m) เชื่อมวัตถุ 450 K กับวัตถุ 300 K
- เปิดค่าแสดงอัตราการไหลของความร้อนบนตัวนำ
- ตั้งพื้นที่หน้าตัดของแท่งในแต่ละรอบแล้วบันทึกอัตราการไหลของความร้อน
สมการควบคุม
กฎการนำความร้อนของฟูริเยอร์ — Q/t = k·A·ΔT / L
ความร้อนไหลผ่านวัสดุด้วยอัตราที่กำหนดโดยสภาพนำ พื้นที่หน้าตัด ผลต่างอุณหภูมิ และความยาว: Q̇ = kAΔT/L พื้นที่หรือผลต่างอุณหภูมิที่ใหญ่ขึ้นทำให้นำความร้อนเร็วขึ้น เส้นทางที่ยาวขึ้นทำให้ช้าลง
สิ่งที่ใบงานพิมพ์ได้ให้นักเรียนคิด
- สำหรับหนึ่งรอบ จงคำนวณ Q̇ = kAΔT/L โดยใช้ k = 401 W/(m·K), ΔT = 150 K, L = 0.1 m เทียบกับตาราง
- ใช้กฎของฟูริเยอร์อธิบายว่าเหตุใดการเพิ่มพื้นที่หน้าตัดของแท่งเป็นสองเท่า จึงเพิ่มอัตราการไหลของความร้อนเป็นสองเท่าที่ความต่างอุณหภูมิและความยาวคงที่
สิ่งนี้ปรากฏที่ใดนอกห้องแล็บ
- วัสดุที่มีสภาพนำความร้อนต่ำ (เช่น แก้ว k ≈ 0.8 W/(m·K)) นำความร้อนช้ากว่าทองแดง (k = 401 W/(m·K)) มากที่พื้นที่และความยาวเดียวกัน จงอธิบายว่าทำไมฉนวนบ้านจึงใช้วัสดุ k ต่ำ
- การทดลองนี้เปลี่ยนพื้นที่หน้าตัด แต่สูตรยังมีความยาว L อยู่ในตัวส่วน ถ้าความยาวแท่งเพิ่มเป็นสองเท่า อัตราการไหลของความร้อนจะเพิ่มหรือลดครึ่งหนึ่ง อธิบายว่าเหตุใดเส้นทางที่ยาวกว่าจึงต้านทานการไหลของความร้อนมากกว่า
- 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
- ยินดีต้อนรับสู่ แท่งนำความร้อน
- เลือกตัวนำ
- กดเล่น
- ความร้อนผ่านแท่ง
- เปิดแผงคุณสมบัติ
- คุณทำได้แล้ว!
เปิดการจำลองแบบโต้ตอบเพื่อสร้างฉาก กดเล่น แล้วสำรวจพร้อมการวัดสดและบทแนะนำ