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【趣味物理题】两块板的热传导

2021-11-17 15:07 作者:AoiSTZ23  | 我要投稿

郑涛(Tao Steven Zheng)著

【问题】

考虑两个板(图 1),各板的截面面积是 A。右边的板宽度为 %20L_1,左边的板宽度为 L_2,各自的热导率常数(thermal conductivity constant)为 k_1k_2


题一: 根据图 1,如果左边的温度大于右边的温度(T_H%20%3E%20T_C),计算两块板之间的温度 T_m

题二:如果 %20k_1%20%3D%20k_2%20%3D%20k%20L_1%20%3D%20L_2%20%3D%20L,计算出 T_m

图 1

【题解】

题一

热量(heat)自然地从较高温度流向较低温度。根据图 1,因为左边的温度大于右边的温度(T_H%20%3E%20T_C),热量从左边到右边的流动。

%5Cfrac%7BdQ%7D%7Bdt%7D%20%3D%20%5Cfrac%7BA%20k_2%7D%7BL_2%7D(T_h%20-%20T_m)

%20%5Cfrac%7BdQ%7D%7Bdt%7D%20%3D%20%5Cfrac%7BA%20k_1%7D%7BL_1%7D(T_m%20-%20T_c)

所以,

%5Cfrac%7BA%20k_2%7D%7BL_2%7D(T_h%20-%20T_m)%20%3D%20%5Cfrac%7BA%20k_1%7D%7BL_1%7D(T_m%20-%20T_c)

%20%5Cfrac%7Bk_2%7D%7BL_2%7DT_h%20-%20%5Cfrac%7Bk_2%7D%7BL_2%7DT_m%20%3D%20%5Cfrac%7Bk_1%7D%7BL_1%7DT_m%20-%20%5Cfrac%7Bk_1%7D%7BL_1%7DT_c%20

%5Cfrac%7Bk_1%7D%7BL_1%7DT_m%20%2B%20%5Cfrac%7Bk_2%7D%7BL_2%7DT_m%20%3D%20%5Cfrac%7Bk_2%7D%7BL_2%7DT_h%20%2B%20%5Cfrac%7Bk_1%7D%7BL_1%7DT_c%20


%5Cleft(%5Cfrac%7Bk_1%7D%7BL_1%7D%20%2B%20%5Cfrac%7Bk_2%7D%7BL_2%7D%5Cright)T_m%20%3D%20%5Cfrac%7Bk_2%7D%7BL_2%7DT_h%20%2B%20%5Cfrac%7Bk_1%7D%7BL_1%7DT_c

因此,

%20T_m%20%3D%20%5Cfrac%7B%5Cfrac%7Bk_2%7D%7BL_2%7DT_h%20%2B%20%5Cfrac%7Bk_1%7D%7BL_1%7DT_c%7D%7B%5Cfrac%7Bk_1%7D%7BL_1%7D%20%2B%20%5Cfrac%7Bk_2%7D%7BL_2%7D%7D%20

题二

如果 k_1%20%3D%20k_2%20%3D%20k%20L_1%20%3D%20L_2%20%3D%20L,

T_m%20%3D%20%5Cfrac%7B%5Cfrac%7Bk_2%7D%7BL_2%7DT_h%20%2B%20%5Cfrac%7Bk_1%7D%7BL_1%7DT_c%7D%7B%5Cfrac%7Bk_1%7D%7BL_1%7D%20%2B%20%5Cfrac%7Bk_2%7D%7BL_2%7D%7D%20

变成

T_m%20%3D%20%5Cfrac%7B%5Cfrac%7Bk%7D%7BL%7DT_h%20%2B%20%5Cfrac%7Bk%7D%7BL%7DT_c%7D%7B%5Cfrac%7Bk%7D%7BL%7D%20%2B%20%5Cfrac%7Bk%7D%7BL%7D%7D

从分子、分母分解出 %5Cfrac%7Bk%7D%7BL%7D%20

T_m%20%3D%20%5Cfrac%7B%5Cfrac%7Bk%7D%7BL%7D(T_h%20%2B%20T_c)%7D%7B%5Cfrac%7Bk%7D%7BL%7D(1%2B1)%7D

所以,

T_m%20%3D%20%5Cfrac%7BT_h%20%2B%20T_c%7D%7B2%7D





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