물리 · 열·기체 / 원리와 탐구
막대의 열전도 실험 해설
뜨거운 쪽과 차가운 쪽 사이에서 막대의 온도 분포는 시간이 지나며 달라집니다. 재질·길이·양 끝 온도를 바꾸어 열이 전달되는 과정과 충분히 시간이 지난 상태를 비교합니다. 열이 전달되는 빠르기와 최종 온도 분포의 모양을 따로 읽어 보세요.
어떤 원리인가요?
열은 온도 차이로 퍼지고, 충분한 시간이 지나면 선형 분포에 가까워져요.
핵심 관계
∂T/∂t = α ∂²T/∂x² · r = αΔt/Δx² ≤ 0.5
이렇게 관찰해 보세요
- 양 끝은 온도 저장고가 일정하게 유지해요. 내부는 20 °C에서 시작하고, 색띠가 열이 퍼지는 과정을 보여 줘요. 실제 시간 1200 s를 화면 10 s로 압축해요.
- 기준 조건 버튼을 누르고 실행한 뒤 측정값을 각각 기록해요.
- 재질은 열이 퍼지는 속력을 바꿔요. 일정한 양 끝 온도에서 최종 선형 분포는 재질과 무관해요. 긴 막대는 1200 s에도 평형에 덜 도달할 수 있어요.
결과를 읽는 기준
열확산율이 클수록 같은 길이에서 평형에 도달하는 시간은?
특성 시간은 L²/α에 비례하므로 열확산율이 클수록 짧아져요.
모형의 범위와 한계
균일한 1차원 막대와 일정한 열확산율을 가정해요. 측면 열손실과 접촉 저항은 없어요. 31개 격자로 FTCS를 계산하고 내부 시간 분할로 r≤0.45를 유지해요. 양 끝의 온도는 고정해요.