مختبر التوصيل والحمل الحراري – قضبان فلزية وجدران متعددة الطبقات وتيارات الحمل
الفيزياءالفيزياء الحرارية والغازات17–18 سنةمختبر افتراضي
جارٍ التحميل…
سجّل الدخول للتشغيلثلاث تجارب افتراضية في انتقال الحرارة. A: سخّن أحد طرفي قضيب (نحاس أو ألومنيوم أو نحاس أصفر أو حديد أو فولاذ أو زجاج)، وسجّل زمن سقوط الدبابيس المثبتة بالشمع، وتابع توزيع درجة الحرارة والحرارة الداخلة والخارجة حتى الحالة المستقرة P = kAΔT/L. B: جدار من ثلاث طبقات على الأكثر على التوالي، مقاومته الحرارية R = e/(λA) ومعدل تدفق الحرارة فيه Φ = ΔT/R، مع درجة الحرارة عند كل سطح فاصل. C: تيارات الحمل في كأس ماء ببلورة برمنغنات البوتاسيوم، وفي صندوق دخان بشمعة، مع قياس الزمن الذي تستغرقه الصبغة أو الدخان لإكمال الدورة.
الدرس: التوصيل الحراري (قانون فورييه، المقاومة الحرارية) والحمل الحراري
ماذا تعرض
ينقل التوصيل الطاقة عبر المادة الصلبة باهتزاز جسيماتها، وفي الفلزات بحركة الإلكترونات الحرة أيضًا. ومعدل انتقال الحرارة عبر قضيب أو لوح هو P = kAΔT/L (قانون فورييه)، لذلك تكون الموصلية الحرارية k كبيرة للمواد الجيدة التوصيل. وتُجمع المقاومات الحرارية R = L/(kA) للطبقات الموصولة على التوالي كما تُجمع المقاومات في الدائرة الكهربائية. أما في المائع فتتمدد المناطق الدافئة وتقل كثافتها فترتفع، بينما يهبط المائع الأبرد: هذا هو تيار الحمل. ويحسب النموذج التوصيل الحراري على طول القضيب، وجريانًا مبسطًا للمائع في مقطع ثنائي الأبعاد.
طريقة الاستخدام
في «A. التوصيل على طول قضيب» اختر «المادة»، واضغط «ابدأ التسخين»، وسجّل لحظة سقوط كل دبوس. استخدم «تجربة جديدة» لمقارنة المواد أو «الطول L» أو «القطر d»، وألغِ تحديد «قضيب معزول (جوانب معزولة)» لترى الحرارة المفقودة من الجوانب. في «B. جدار متعدد الطبقات» اختر مادة كل طبقة وسُمكها. في «C. الحمل الحراري» اضغط «تشغيل الموقد» ثم «أسقط بلورة KMnO₄»، أو غيّر «المائع» إلى صندوق الدخان واضغط «أشعل الشمعة» ثم «أضف ورقًا يدخّن».
المعاملات القابلة للتغيير
- التجربة A. التوصيل على طول قضيب, B. جدار متعدد الطبقات, C. الحمل الحراري
- مادة القضيب النحاس, الألومنيوم, النحاس الأصفر, الحديد, الفولاذ المقاوم للصدأ, الزجاج
- طول القضيب 20–50 cm
- قطر القضيب 0.5–3 cm
- درجة حرارة الطرف الساخن 40–100 °C
- قضيب مغطى بعازل حراري
- سُمك الطبقة 2 من الجدار (العازل) 0–30 cm
- المائع ماء في كأس, هواء في صندوق دخان
- موضع مصدر الحرارة يسار, وسط, يمين
- قدرة مصدر الحرارة 20–200 W
أسئلة للاستكشاف
- لماذا يسقط الدبوس الموجود عند 5 cm أولًا، ولماذا لا تسقط بعض الدبابيس أبدًا؟
- عندما يبلغ القضيب الحالة المستقرة، لماذا تتساوى الحرارة الخارجة منه مع الحرارة الداخلة إليه؟
- لماذا ترتفع الصبغة البنفسجية فوق اللهب ثم تهبط في الجهة البعيدة من الكأس؟
