Термодинаміка

Стрижень теплопровідності

Теплота тече крізь стрижень як Q/t = kAΔT/L.

Стрижень теплопровідності — інтерактивне моделювання: Термодинаміка. Теплота тече крізь стрижень як Q/t = kAΔT/L. Безкоштовна браузерна віртуальна фізична лабораторія з живими вимірюваннями в СІ та керованим заняттям.

Теплопровідність

Теплота тече крізь стрижень як Q/t = kAΔT/L.

Закон теплопровідності Фур'є жене теплоту швидше, коли температурний градієнт більший, переріз більший чи матеріал має вищу теплопровідність k. Геометрію стрижня обрано так, щоб сталий тепловий струм легко зчитувався з кінцевих температур.

• Q/t = kAΔT/L
• Закон Фур'є

Короткий опис дослідження

Сплануйте запитання, перш ніж відкрити лабораторію

Короткий відповідає передрендереній сторінці: рушійне запитання, конкуруючі прогнози, ролі змінних, керівні закони, установка, аналіз і підсилення лишаються видимими та в цьому порядку.

Рушійне запитання

Мідний стрижень з'єднує гаряче й холодне тіло. Якщо взяти товщий стрижень (більша площа перерізу), теплота тече крізь нього швидше чи повільніше?

Прогнози для зважування

• Товщий стрижень проводить теплоту швидше — більша площа означає ширший шлях для потоку.
• Товщий стрижень проводить теплоту повільніше.
• Товщина стрижня не впливає на швидкість провідності.

Ролі змінних

Що ви задаєте:

• Площа перерізу A (m²)

Що ви вимірюєте:

• Швидкість потоку теплоти Q̇ (W)

Як проходить дослідження

1. Відкрийте пресет стрижня теплопровідності та натисніть «Скинути». Мідний стрижень (k = 401 W/(m·K), довжина 0.1 м) з'єднує тіло 450 K із тілом 300 K.
2. Увімкніть показ швидкості потоку теплоти на провіднику.
3. Задайте площу перерізу стрижня для кожного заміру та запишіть швидкість потоку теплоти.

Керівне рівняння

Закон теплопровідності Фур'є — Q/t = k·A·ΔT / L

Теплота тече крізь матеріал зі швидкістю, заданою його провідністю, площею перерізу, різницею температур і довжиною: Q̇ = kAΔT/L. Більша площа чи різниця температур прискорює провідність; довший шлях сповільнює її.

Що друкований робочий аркуш пропонує учням обчислити

• Для одного заміру обчисліть Q̇ = kAΔT/L з k = 401 W/(m·K), ΔT = 150 K, L = 0.1 м. Порівняйте з таблицею.
• Поясніть, використовуючи закон Фур'є, чому подвоєння площі перерізу стрижня подвоює швидкість потоку теплоти за фіксованої різниці температур і довжини.

Де це трапляється за межами лабораторії

• Матеріал із низькою теплопровідністю (як скло, k ≈ 0.8 W/(m·K)) проводить теплоту значно повільніше за мідь (k = 401 W/(m·K)) за тієї самої площі й довжини. Поясніть, чому домашня ізоляція використовує матеріали з низьким k.
• Цей експеримент змінює площу, але у формулі є й довжина L у знаменнику. Подвоєння довжини стрижня подвоїло чи уполовинило швидкість потоку теплоти? Поясніть, чому довший шлях чинить більший опір потоку теплоти.

• 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

1. Вітаємо у стрижні теплопровідності
2. Виберіть провідник
3. Натисніть «Запустити»
4. Теплота крізь стрижень
5. Відкрийте панель властивостей
6. У вас вийшло!

Відкрийте інтерактивне моделювання, щоб зібрати сцену, натиснути «Запустити» та дослідити з живими вимірюваннями й керованим заняттям.

Відкрити інтерактивну лабораторію →

Завантажити лабораторний аркуш →

Теплота та калориметрія