การนำความร้อน ความร้อนไหลผ่านแท่งโลหะ

1 · ทำนาย

แท่งทองแดงเชื่อมวัตถุร้อนกับวัตถุเย็น ถ้าใช้แท่งที่หนากว่า (พื้นที่หน้าตัดมากกว่า) ความร้อนจะไหลผ่านเร็วขึ้นหรือช้าลง

• แท่งที่หนากว่านำความร้อนได้เร็วกว่า — พื้นที่มากกว่าคือทางผ่านความร้อนที่กว้างกว่า
• แท่งที่หนากว่านำความร้อนได้ช้ากว่า
• ความหนาของแท่งไม่กระทบอัตราการนำความร้อน

2 · จัดเตรียม

1. เปิดพรีเซ็ท conduction-bar แล้วกดรีเซ็ต แท่งทองแดง (k = 401 W/(m·K), ยาว 0.1 m) เชื่อมวัตถุ 450 K กับวัตถุ 300 K
2. เปิดค่าแสดงอัตราการไหลของความร้อนบนตัวนำ
3. ตั้งพื้นที่หน้าตัดของแท่งในแต่ละรอบแล้วบันทึกอัตราการไหลของความร้อน

3 · เก็บข้อมูล

พล็อตอัตราการไหลของความร้อน Q̇ (แกน y) กับพื้นที่หน้าตัด A (แกน x) จากสามรอบการทดลอง เส้นตรงผ่านจุดกำเนิดหรือไม่

4 · วิเคราะห์

1. สำหรับหนึ่งรอบ จงคำนวณ Q̇ = kAΔT/L โดยใช้ k = 401 W/(m·K), ΔT = 150 K, L = 0.1 m เทียบกับตาราง
2. ใช้กฎของฟูริเยอร์อธิบายว่าเหตุใดการเพิ่มพื้นที่หน้าตัดของแท่งเป็นสองเท่า จึงเพิ่มอัตราการไหลของความร้อนเป็นสองเท่าที่ความต่างอุณหภูมิและความยาวคงที่

5 · ต่อยอด

1. วัสดุที่มีสภาพนำความร้อนต่ำ (เช่น แก้ว k ≈ 0.8 W/(m·K)) นำความร้อนช้ากว่าทองแดง (k = 401 W/(m·K)) มากที่พื้นที่และความยาวเดียวกัน จงอธิบายว่าทำไมฉนวนบ้านจึงใช้วัสดุ k ต่ำ
2. การทดลองนี้เปลี่ยนพื้นที่หน้าตัด แต่สูตรยังมีความยาว L อยู่ในตัวส่วน ถ้าความยาวแท่งเพิ่มเป็นสองเท่า อัตราการไหลของความร้อนจะเพิ่มหรือลดครึ่งหนึ่ง อธิบายว่าเหตุใดเส้นทางที่ยาวกว่าจึงต้านทานการไหลของความร้อนมากกว่า

ฟิสิกส์เบื้องหลังการทดลองนี้

← กลับไปการทดลอง