Física·Calor·Gas/Principios y Exploración
Conducción térmica en una barra: principios y exploración
La distribución de temperatura de la varilla entre los lados frío y caliente cambia con el tiempo. Al cambiar el material, la longitud y la temperatura en ambos extremos, comparamos el proceso de transferencia de calor y el estado después de que haya pasado suficiente tiempo. Lea por separado la velocidad a la que se transfiere el calor y la forma de la distribución de temperatura final.
¿Cómo funciona?
El calor se propaga a través de las diferencias de temperatura y, después de un tiempo suficiente, se acerca a una distribución lineal.
∂T/∂t = α ∂²T/∂x² · r = αΔt/Δx² ≤ 0.5
Prueba esta investigación
- El depósito de temperatura en ambos extremos permanece constante. El interior comienza a 20 °C y las franjas de colores muestran cómo se propaga el calor. Comprime 1200 s de tiempo real en 10 s de tiempo de pantalla.
- Presione el botón de condiciones estándar, ejecútelo y registre cada valor de medición.
- Los materiales cambian la velocidad a la que se propaga el calor. A temperaturas finales constantes, la distribución lineal final es independiente del material. Es menos probable que las varillas más largas alcancen el equilibrio incluso en 1200 s.
Interpretación de resultados
A medida que aumenta la difusividad térmica, ¿cuánto tiempo se tarda en alcanzar el equilibrio en la misma longitud?
El tiempo característico es proporcional a L²/α, por lo que cuanto mayor es la difusividad térmica, más corta se vuelve.
Supuestos y limitaciones
Suponga una barra unidimensional uniforme y una difusividad térmica constante. No hay pérdida de calor lateral ni resistencia de contacto. Calcule FTCS con 31 cuadrículas y mantenga r≤0,45 con partición de tiempo interna. La temperatura en ambos extremos es fija.