Формулы для расчета температурного поля и теплового потока в частных задачах стационарной и нестационарной теплопроводности получают исходя из математического описания (математической модели) процесса. Основу модели составляет дифференциальное уравнение теплопроводности, которое выводится с привлечением первого закона термодинамики для тел, не совершающих работы, и закона теплопроводности Фурье. Дифференциальное уравнение физического процесса обычно выводится при тех или иных допущениях, упрощающих процесс. Поэтому получаемое уравнение описывает класс процессов только в пределах принятых допущений. Каждая конкретная задача описывается соответствующими условиями однозначности. Таким образом, математическое описание процесса теплопроводности включает дифференциальное уравнение теплопроводности и условия однозначности.
Рассмотрим вывод дифференциального уравнения теплопроводности при следующих допущениях:
- а) тело однородно и анизотропно;
- б) коэффициент теплопроводности зависит от температуры;
- в) деформация рассматриваемого объема, связанная с изменением температуры, очень мала по сравнению с самим объемом;
- г) внутри тела имеются равномерно распределенные внутренние источники теплоты q v = f(x, у, z, т) = const;
- д) перемещение макрочастиц тела относительно друг друга (конвекция) отсутствует.
В теле с принятыми характеристиками выделяем элементарный объем в форме параллелепипеда с ребрами dx, dy, dz, определенно ориентированный в ортогональной системе координат (рис. 14.1). В соответствии с первым законом термодинамики для тел, не совершающих работы, изменение внутренней энергии dU вещества в выделенном объеме за время dx равно сумме теплоты, поступающей
Рис. 14.1.
в объем вследствие теплопроводности dQ x , и теплоты, выделенной внутренними источниками dQ 2 ".
Из термодинамики известно, что изменение внутренней энергии вещества в объеме dV за время dx равно
где dG = рdV - масса вещества; р - плотность; с - удельная массовая теплоемкость (для сжимаемых жидкостей c = c v (изохорной теплоемкости)).
Количество энергии, выделенное внутренними источниками,
где q v - объемная плотность внутренних источников теплоты, Вт/м 3 .
Тепловой поток, поступающий в объем теплопроводностью, разделим на три составляющих соответственно направлению осей координат:
Через противоположные грани теплота будет
отводиться в количестве соответственно Разница между количеством подведенной и отведенной теплоты эквивалентна изменению внутренней энергии вследствие теплопроводности dQ v Представим эту величину как сумму составляющих по осям координат:
Тогда в направлении оси х имеем
Поскольку -
плотности тепловых потоков на поотивоположных гоанях.
Функция q x+dx является непрерывной в рассматриваемом интервале dx и может быть разложена в ряд Тейлора:
Ограничиваясь двумя первыми членами ряда и подставляя в (14.6), получаем
Аналогичным образом получаем:
После подстановки (14.8)-(14.10) в (14.4) имеем
Подставляя (14.2), (14.3) и (14.11) в (14.1), получаем дифференциальное уравнение переноса теплоты теплопроводностью с учетом внутренних источников:
Согласно закону теплопроводности Фурье записываем выражения для проекций на оси координат плотности теплового потока:
где Х х, Х у, X z - коэффициенты теплопроводности в направлении координатных осей (тело анизотропное).
Подставляя эти выражения в (14.12), получаем
Уравнение (14.13) называют дифференциальным уравнением теплопроводности для анизотропных тел с независимыми от температуры физическими свойствами.
Если принять X = const, а тело изотропным, уравнение теплопроводности принимает вид
Здесь а = Х/(ср), м 2 /с, - коэффициент температуропроводности,
который является физическим параметром вещества, характеризующим скорость изменения температуры в процессах нагревания или охлаждения. Тела, выполненные из вещества с большим коэффициентом температуропроводности, при прочих равных условиях нагреваются и охлаждаются быстрее.
В цилиндрической системе координат дифференциальное уравнение теплопроводности для изотропного тела с постоянными физическими свойствами имеет вид
где г, z, Ф - соответственно радиальная, осевая и угловая координаты.
Уравнения (14.13), (14.14) и (14.15) описывают процесс теплопроводности в самом общем виде. Конкретные задачи отличаются условиями однозначности , т.е. описанием особенностей протекания рассматриваемого процесса.
Условия однозначности. Исходя из физических представлений о теплопроводности можно выделить факторы, влияющие на процесс: физические свойства вещества; размеры и форма тела; начальное распределение температуры; условия теплообмена на поверхности (границе) тела. Таким образом, условия однозначности подразделяются на физические, геометрические, начальные и граничные (краевые).
Физическими условиями задаются физические параметры вещества X, с, р и распределение внутренних источников.
Геометрическими условиями задаются форма и линейные размеры тела, в котором протекает процесс.
Начальными условиями задается распределение температуры в теле в начальный момент времени t = /(х, у, z ) при т = 0. Начальные условия имеют значение при рассмотрении нестационарных процессов.
В зависимости от характера теплообмена на границе тела граничные (краевые) условия подразделяются на четыре рода.
Граничные условия первого рода. Задается распределение температуры на поверхности t n в течение процесса
В частном случае температура поверхности может оставаться постоянной (/ п = const).
Граничные условия первого рода имеют место, например, при контактном нагреве в процессах склеивания фанеры, прессования древесно-стружечных и древесно-волокнистых плит и т.п.
Граничные условия второго рода. Задается распределение значений плотности теплового потока на поверхности тела в течение процесса
В частном случае тепловой поток на поверхности может оставаться постоянным (
Граничные условия третьего рода соответствуют конвективному теплообмену на поверхности. При этих условиях должна задаваться температура жидкости, в которой находится тело, Г ж = /(т), и коэффициент теплоотдачи ос. В общем случае коэффициент теплоотдачи - переменная величина, поэтому должен задаваться закон его изменения а =/(т). Возможен частный случай: / ж = const; а = const.
Граничные условия четвертого рода характеризуют условия теплообмена тел с различными коэффициентами теплопроводности при их идеальном контакте, когда теплота передается теплопроводностью и тепловые потоки по разные стороны поверхности контакта равны:
Принятые физические допущения, уравнение, выведенное при этих допущениях, и условия однозначности составляют аналитическое описание (математическую модель) процессов теплопроводности. Успех использования полученной модели для решения конкретной задачи будет зависеть от того, насколько принятые допущения и условия однозначности адекватны реальным условиям.
Уравнения (14.14) и (14.15) решаются достаточно просто аналитически для одномерного стационарного теплового режима. Решения рассмотрены ниже. Для двумерных и трехмерных стационарных процессов применяются приближенные численные методы
Для решения уравнений (14.13)-(14.15) в условиях нестационарного теплового режима используется ряд методов, рассмотренных подробно в специальной литературе . Известны точные и приближенные аналитические методы, численные методы и др.
Численное решение уравнения теплопроводности осуществляется в основном методом конечных разностей . Выбор того или иного метода решения зависит от условий задачи. В результате решения аналитическими методами получают формулы, применимые для решения круга инженерных задач в соответствующих условиях. Численные методы дают возможность получить температурное поле t=f(x, у, z, т) в виде набора дискретных значений температуры в различных точках в фиксированные моменты времени для конкретной задачи. Поэтому использование аналитических методов предпочтительно, однако это не всегда возможно для многомерных задач и сложных граничных условий.
Решение дифференциального уравнения теплопроводности при действии мгновенного сосредоточенного источника в неограниченной среде называется фундаментальным решением.
Мгновенный точечный источник
Для бесконечного тела, в начале координат которого действует мгновенный точечный источник, решение дифференциального уравнения теплопроводности следующее:
где T - температура точки с координатами x,y,z; Q - количество тепла, выделившееся в момент t = 0 в начале координат; t - время, прошедшее с момента введения тепла; R - расстояние от начала координат, где действует источник, до рассматриваемой точки (радиус - вектор). У равнение (4) является фундаментальным решением уравнения теплопроводности при действии мгновенного точечного источника в бесконечном теле.
В любой момент t ? 0 температура самого источника (R = 0) отлична от нуля и с течением времени уменьшается по закону t -3/2 , оставаясь выше температур других точек тела. Вместе с удалением от источника температура понижается по закону нормального распределения exp(-R 2 /4at). Изотермическими поверхностями являются сферы с центром в источнике, и температурное поле в данный момент времени зависит лишь от радиуса. В начальный момент времени (t = 0) температура не определена (T = ?), что связано со схемой сосредоточенного источника, в котором в бесконечно малом объеме в начальный момент времени содержится конечное количество тепла Q.
На основе решения для бесконечного тела (4) можно вывести уравнение температурного поля для схемы полубесконечного тела, которая применяется для описания тепловых процессов в массивных изделиях. Пусть в полубесконечном теле, ограниченном поверхность S - S действует мгновенный точечный источник Д (рис. 4). Для массивных тел тепловые потоки внутри значительно больше потока теплоотдачи с поверхности. Поэтому поверхность полубесконечного тела можно считать адиабатической границей, для которой (см.п. 1.4)
Дополним полубесконечную область z > 0 до бесконечной, дбавив область z < 0. В образовавшемся объеме введем дополнительный (фиктивный) источник нагрева Ф(-z), идентичный действительному источнику Д(z), но расположенный симметрично по другую сторону границы S. На рис. 4 приведено распределение температур в бесконечном теле отдельно для действительного (T Д) и фиктивного (T ф) источников. Суммарная температура от обоих источников T = T Д + T ф. При этом на границе, что соответствует определению адиабатической границы (5). Если действительный источник находится на поверхности полубесконечного тела, то фиктивный с ним совпадает, и T=2T Д. Тогда температурное поле мгновенного точечного источника на поверхности полубесконечного тела
По такой же схеме моделируется и изотермическая граница (граничное условие 1-го рода) T S =0, но в этом случае T = T Д - T Ф. Следует подчеркнуть, что источник нагрева не может действовать на изотермической поверхности.
Графическое изображение температурного поля (6) требует четкого понимания пространственного положения поверхности, на которой строится распределение температуры. В декартовой системе координат (x, y, z) контрольными сечениями полубесконечного тела при действии точечного источника являются плоскости xy, xz и yz (рис. 5, а). Для полубесконечного тела изотермические поверхности являются полусферами (температура зависит от радиуса - вектора R). В плоскости xy изотермы, как сечение поверхности плоскостью
z=const, являются окружностями, а в других плоскостях - полуокружностями (рис. 5, б). Температурное поле мгновенного точечного источника в разные моменты времени представлено на рис. (6) (см. П 1.1.). На рисунке температура графически ограничена значением T=1000K|.
Температура в любой точке вне источника сначала возрастает, а затем убывает (рис.1.3). Момент достижения максимального значения температуры в данной точке найдется из условия
Дифференцируя выражение (6) по времени, получаем формулу для определения времени, когда температура максимальна
Максимальные темперы точек полубесконечного тела при действии точечного источника уменьшаются с расстоянием как R 3 .
Уравнение диффузии представляет собой частный вид дифференциального уравнения в частных производных. Бывает нестационарным и стационарным.
В смысле интерпретации при решении уравнения диффузии речь идет о нахождении зависимости концентрации вещества (или иных объектов) от пространственных координат и времени, причем задан коэффициент (в общем случае также зависящий от пространственных координат и времени), характеризующий проницаемость среды для диффузии. При решении уравнения теплопроводности речь идет о нахождении зависимости температуры среды от пространственных координат и времени, причем задана теплоёмкость и теплопроводность среды (также в общем случае неоднородной).
Физически в том и другом случае предполагается отсутствие или пренебрежимость макроскопических потоков вещества. Таковы физические рамки применимости этих уравнений. Также, представляя непрерывный предел указанных задач (то есть не более, чем некоторое приближение), уравнение диффузии и теплопроводности в общем не описывают статистических флуктуаций и процессов, близких по масштабу к длине и времени свободного пробега, также весьма сильно отклоняясь от предполагаемого точного решения задачи в том, что касается корреляций на расстояниях, сравнимых (и больших) с расстояниями, проходимыми звуком (или свободными от сопротивления среды частицами при их характерных скоростях) в данной среде за рассматриваемое время.
Это в подавляющей части случаев сразу же означает и то, что уравнения диффузии и теплопроводности по области применимости далеки от тех областей, где становятся существенными квантовые эффекты или конечность скорости света, то есть в подавляющей части случаев не только по своему выводу, но и принципиально, ограничиваются областью классической ньютоновской физики.
- В задачах диффузии или теплопроводности в жидкостях и газах, находящихся в движении, вместо уравнения диффузии применяется уравнение переноса , расширяющее уравнение диффузии на тот случай, когда пренебрежением макроскопическим движением недопустимо.
- Ближайшим формальным, а во многом и содержательным, аналогом уравнения диффузии является уравнение Шрёдингера , отличающееся от уравнения диффузии множителем мнимая единица перед производной по времени. Многие теоремы о решении уравнения Шрёдингера и даже некоторые виды формальной записи его решений прямо аналогичны соответствующим теоремам об уравнении диффузии и его решениях, однако качественно их решения различаются очень сильно.
Общий вид
Уравнение обычно записывается так:
|
∂ φ (r , t) ∂ t = ∇ ⋅ [ D (φ , r) ∇ φ (r , t) ] , {\displaystyle {\frac {\partial \varphi (\mathbf {r} ,t)}{\partial t}}=\nabla \cdot {\big [}D(\varphi ,\mathbf {r})\ \nabla \varphi (\mathbf {r} ,t){\big ]},} |
где φ(r , t ) - плотность диффундирующего вещества в точке r и во время t и D (φ, r ) - обобщённый коэффициент диффузии для плотности φ в точке r ; ∇ - оператор набла . Если коэффициент диффузии зависит от плотности - уравнение нелинейно, в противном случае - линейно.
Если D - симметричный положительно определённый оператор , уравнение описывает анизотропную диффузию:
|
∂ φ (r , t) ∂ t = ∑ i = 1 3 ∑ j = 1 3 ∂ ∂ x i [ D i j (φ , r) ∂ φ (r , t) ∂ x j ] . {\displaystyle {\frac {\partial \varphi (\mathbf {r} ,t)}{\partial t}}=\sum _{i=1}^{3}\sum _{j=1}^{3}{\frac {\partial }{\partial x_{i}}}\left.} |
Если D постоянное, то уравнение сводится к линейному дифференциальному уравнению:
∂ ϕ (r , t) ∂ t = D ∇ 2 ϕ (r , t) , {\displaystyle {\frac {\partial \phi (\mathbf {r} ,t)}{\partial t}}=D\nabla ^{2}\phi (\mathbf {r} ,t),}История происхождения
Нестационарное уравнение
Нестационарное уравнение диффузии классифицируется как параболическое дифференциальное уравнение . Оно описывает распространение растворяемого вещества вследствие диффузии или перераспределение температуры тела в результате теплопроводности .
Одномерный случай
В случае одномерного диффузионного процесса с коэффициентом диффузии (теплопроводности) D {\displaystyle D} уравнение имеет вид:
∂ ∂ t c (x , t) = ∂ ∂ x D ∂ ∂ x c (x , t) + f (x , t) . {\displaystyle {\frac {\partial }{\partial t}}c(x,\;t)={\frac {\partial }{\partial x}}D{\frac {\partial }{\partial x}}{c(x,\;t)}+f(x,\;t).}При постоянном D {\displaystyle D} приобретает вид:
∂ ∂ t c (x , t) = D ∂ 2 ∂ x 2 c (x , t) + f (x , t) , {\displaystyle {\frac {\partial }{\partial t}}c(x,\;t)=D{\frac {\partial ^{2}}{\partial x^{2}}}{c(x,\;t)}+f(x,\;t),}где c (x , t) {\displaystyle c(x,\;t)} - концентрация диффундирующего вещества, a f (x , t) {\displaystyle f(x,\;t)} - функция, описывающая источники вещества (тепла).
Трёхмерный случай
В трёхмерном случае уравнение приобретает вид:
∂ ∂ t c (r → , t) = (∇ , D ∇ c (r → , t)) + f (r → , t) , {\displaystyle {\frac {\partial }{\partial t}}c({\vec {r}},\;t)=(\nabla ,\;D\nabla c({\vec {r}},\;t))+f({\vec {r}},\;t),}где ∇ = (∂ x , ∂ y , ∂ z) {\displaystyle \nabla =(\partial _{x},\;\partial _{y},\;\partial _{z})} - оператор набла , а (,) {\displaystyle (\;,\;)} - скалярное произведение. Оно также может быть записано как
∂ t c = d i v (D g r a d c) + f , {\displaystyle \partial _{t}c=\mathbf {div} \,(D\,\mathbf {grad} \,c)+f,}а при постоянном D {\displaystyle D} приобретает вид:
∂ ∂ t c (r → , t) = D Δ c (r → , t) + f (r → , t) , {\displaystyle {\frac {\partial }{\partial t}}c({\vec {r}},\;t)=D\Delta c({\vec {r}},\;t)+f({\vec {r}},\;t),}где Δ = ∇ 2 = ∂ 2 ∂ x 2 + ∂ 2 ∂ y 2 + ∂ 2 ∂ z 2 {\displaystyle \Delta =\nabla ^{2}={\frac {\partial ^{2}}{\partial x^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}}{\partial y^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}}{\partial z^{2}}}} - оператор Лапласа .
n -мерный случай
N {\displaystyle n} -мерный случай - прямое обобщение приведенного выше, только под оператором набла, градиентом и дивергенцией, а также под оператором Лапласа надо понимать n {\displaystyle n} -мерные версии соответствующих операторов:
∇ = (∂ 1 , ∂ 2 , … , ∂ n) , {\displaystyle \nabla =(\partial _{1},\;\partial _{2},\;\ldots ,\;\partial _{n}),} Δ = ∇ 2 = ∂ 1 2 + ∂ 2 2 + … + ∂ n 2 . {\displaystyle \Delta =\nabla ^{2}=\partial _{1}^{2}+\partial _{2}^{2}+\ldots +\partial _{n}^{2}.}Это касается и двумерного случая n = 2 {\displaystyle n=2} .
Мотивация
A.
Обычно уравнение диффузии возникает из эмпирического (или как-то теоретически полученного) уравнения, утверждающего пропорциональность потока вещества (или тепловой энергии) разности концентраций (температур) областей, разделённых тонким слоем вещества заданной проницаемости, характеризуемой коэффициентом диффузии (или теплопроводности):
Φ = − ϰ ∂ c ∂ x {\displaystyle \Phi =-\varkappa {\frac {\partial c}{\partial x}}} (одномерный случай), j = − ϰ ∇ c {\displaystyle \mathbf {j} =-\varkappa \nabla c} (для любой размерности),в сочетании с уравнением непрерывности, выражающим сохранение вещества (или энергии):
∂ c ∂ t + ∂ Φ ∂ x = 0 {\displaystyle {\frac {\partial c}{\partial t}}+{\frac {\partial \Phi }{\partial x}}=0} (одномерный случай), ∂ c ∂ t + d i v j = 0 {\displaystyle {\frac {\partial c}{\partial t}}+\mathrm {div} \,\mathbf {j} =0} (для любой размерности),с учетом в случае уравнения теплопроводности ещё теплоёмкости (температура = плотность энергия / удельная теплоемкость).
- Здесь источник вещества (энергии) в правой части опущен, но он, конечно же, может быть легко туда помещён, если в задаче есть приток (отток) вещества (энергии).
- Также предполагается, что на поток диффундирующего вещества (примеси) не действуют никакие внешние силы, в том числе сила тяжести (пассивная примесь).
B.
Кроме того, оно естественно возникает как непрерывный предел аналогичного разностного уравнения, возникающего в свою очередь при рассмотрении задачи о случайном блуждании на дискретной решётке (одномерной или n {\displaystyle n} -мерной). (Это простейшая модель; в более сложных моделях случайных блужданий уравнение диффузии также возникает в непрерывном пределе). Простейшей интерпретацией функции c {\displaystyle c} в этом случае служит количество (или концентрация) частиц в данной точке (или вблизи неё), причём каждая частица движется независимо от остальных без памяти (инерции) своего прошлого (в несколько более сложном случае - с ограниченной по времени памятью).
Решение
c (x , t) = ∫ − ∞ + ∞ c (x ′ , 0) c f (x − x ′ , t) d x ′ = ∫ − ∞ + ∞ c (x ′ , 0) 1 4 π D t exp (− (x − x ′) 2 4 D t) d x ′ . {\displaystyle c(x,\;t)=\int \limits _{-\infty }^{+\infty }c(x",\;0)c_{f}(x-x",\;t)\,dx"=\int \limits _{-\infty }^{+\infty }c(x",\;0){\frac {1}{\sqrt {4\pi Dt}}}\exp \left(-{\frac {(x-x")^{2}}{4Dt}}\right)\,dx".}Физические замечания
Так как приближение, реализуемое уравнениями диффузии и теплопроводности, принципиально ограничивается областью низких скоростей и макроскопических масштабов (см. выше), то неудивительно, что их фундаментальное решение на больших расстояниях ведёт себя не слишком реалистично, формально допуская бесконечное распространение воздействия в пространстве за конечное время; надо при этом заметить, что величина этого воздействия так быстро убывает с расстоянием, что этот эффект как правило в принципе ненаблюдаем (например, речь идёт о концентрациях много меньше единицы).
Впрочем, если речь идёт о ситуациях, когда могут быть экспериментально измерены столь маленькие концентрации, и это для нас существенно, нужно пользоваться по меньшей мере не дифференциальным, а разностным уравнением диффузии, а лучше - и более подробными микроскопической физической и статистической моделями, чтобы получить более адекватное представление о реальности в этих случаях.
Стационарное уравнение
В случае, когда ставится задача по нахождению установившегося распределения плотности или температуры (например, в случае, когда распределение источников не зависит от времени), из нестационарного уравнения выбрасывают члены уравнения, связанные со временем. Тогда получается стационарное уравнение теплопроводности , относящееся к классу эллиптических уравнений . Его общий вид:
− (∇ , D ∇ c (r →)) = f (r →) . {\displaystyle -(\nabla ,\;D\nabla c({\vec {r}}))=f({\vec {r}}).} Δ c (r →) = − f (r →) D , {\displaystyle \Delta c({\vec {r}})=-{\frac {f({\vec {r}})}{D}},} Δ c (r →) = 0. {\displaystyle \Delta c({\vec {r}})=0.}Постановка краевых задач
- Задача с начальными условиями (задача Коши) о распределении температуры на бесконечной прямой
Если рассматривать процесс теплопроводности в очень длинном стержне, то в течение небольшого промежутка времени влияние температур на границах практически отсутствует, и температура на рассматриваемом участке зависит лишь от начального распределения температур.
и , удовлетворяющее условию
u
(x
,
t
0)
=
φ
(x)
(−
∞
<
x
<
+
∞)
{\displaystyle u(x,\;t_{0})=\varphi (x)\quad (-\infty
- Первая краевая задача для полубесконечного стержня
Если интересующий нас участок стержня находится вблизи одного конца и значительно удалён от другого, то мы приходим к краевой задаче, в которой учитывается влияние лишь одного из краевых условий.
Найти решение уравнения теплопроводности в области − ∞ ⩽ x ⩽ + ∞ {\displaystyle -\infty \leqslant x\leqslant +\infty } и t ⩾ t 0 {\displaystyle t\geqslant t_{0}} , удовлетворяющее условиям
{ u (x , t 0) = φ (x) , (0 < x < ∞) u (0 , t) = μ (t) , (t ⩾ t 0) {\displaystyle \left\{{\begin{array}{l}u(x,\;t_{0})=\varphi (x),\quad (0где φ (x) {\displaystyle \varphi (x)} и μ (t) {\displaystyle \mu (t)} - заданные функции.
- Краевая задача без начальных условий
Если момент времени который нас интересует достаточно удалён от начального, то имеет смысл пренебречь начальными условиями, поскольку их влияние на процесс с течением времени ослабевает. Таким образом, мы приходим к задаче, в которой заданы краевые условия и отсутствуют начальные.
Найти решение уравнения теплопроводности в области
0
⩽
x
⩽
l
{\displaystyle 0\leqslant x\leqslant l}
и
−
∞
<
t
{\displaystyle -\infty
где и - заданные функции.
- Краевые задачи для ограниченного стержня
Рассмотрим следующую краевую задачу:
u t = a 2 u x x + f (x , t) , 0 < x < l , 0 < t ⩽ T {\displaystyle u_{t}=a^{2}u_{xx}+f(x,\;t),\quad 0Если f (x , t) = 0 {\displaystyle f(x,\;t)=0} , то такое уравнение называют однородным , в противном случае - неоднородным .
u (x , 0) = φ (x) , 0 ⩽ x ⩽ l {\displaystyle u(x,\;0)=\varphi (x),\quad 0\leqslant x\leqslant l} - начальное условие в момент времени t = 0 {\displaystyle t=0} , температура в точке x {\displaystyle x} задается функцией φ (x) {\displaystyle \varphi (x)} . u (0 , t) = μ 1 (t) , u (l , t) = μ 2 (t) , } 0 ⩽ t ⩽ T {\displaystyle \left.{\begin{array}{l}u(0,\;t)=\mu _{1}(t),\\u(l,\;t)=\mu _{2}(t),\end{array}}\right\}\quad 0\leqslant t\leqslant T} - краевые условия. Функции μ 1 (t) {\displaystyle \mu _{1}(t)} и μ 2 (t) {\displaystyle \mu _{2}(t)} задают значение температуры в граничных точках 0 и l {\displaystyle l} в любой момент времени t {\displaystyle t} .В зависимости от рода краевых условий, задачи для уравнения теплопроводности можно разбить на три типа. Рассмотрим общий случай ( α i 2 + β i 2 ≠ 0 , (i = 1 , 2) {\displaystyle \alpha _{i}^{2}+\beta _{i}^{2}\neq 0,\;(i=1,\;2)} ).
α 1 u x (0 , t) + β 1 u (0 , t) = μ 1 (t) , α 2 u x (l , t) + β 2 u (l , t) = μ 2 (t) . {\displaystyle {\begin{array}{l}\alpha _{1}u_{x}(0,\;t)+\beta _{1}u(0,\;t)=\mu _{1}(t),\\\alpha _{2}u_{x}(l,\;t)+\beta _{2}u(l,\;t)=\mu _{2}(t).\end{array}}}Если α i = 0 , (i = 1 , 2) {\displaystyle \alpha _{i}=0,\;(i=1,\;2)} , то такое условие называют условием первого рода , если β i = 0 , (i = 1 , 2) {\displaystyle \beta _{i}=0,\;(i=1,\;2)} - второго рода , а если α i {\displaystyle \alpha _{i}} и β i {\displaystyle \beta _{i}} отличны от нуля, то условием третьего рода . Отсюда получаем задачи для уравнения теплопроводности - первую, вторую и третью краевую.
Принцип максимума
Пусть функция в пространстве D × [ 0 , T ] , D ∈ R n {\displaystyle D\times ,\;D\in \mathbb {R} ^{n}} , удовлетворяет однородному уравнению теплопроводности ∂ u ∂ t − a 2 Δ u = 0 {\displaystyle {\frac {\partial u}{\partial t}}-a^{2}\Delta u=0} , причем D {\displaystyle D} - ограниченная область. Принцип максимума утверждает, что функция u (x , t) {\displaystyle u(x,\;t)} может принимать экстремальные значения либо в начальный момент времени, либо на границе области D {\displaystyle D} .
Примечания
Теплопроводность - это один из видов теплопередачи. Передача тепла может осуществляться с помощью различных механизмов.
Все тела излучают электромагнитные волны. При комнатной температуре это в основном излучение инфракрасного диапазона. Так происходит лучистый теплообмен .
При наличии поля тяжести еще одним механизмом теплопередачи в текучих средах может служить конвекция . Если к сосуду, содержащему жидкость или газ, тепло подводится через днище, в первую очередь прогреваются нижние порции вещества, их плотность уменьшается, они всплывают вверх и отдают часть полученного тепла верхним слоям.
При теплопроводности перенос энергии осуществляется в результате непосредственной передачи энергии от частиц (молекул, атомов, электронов), обладающих большей энергией, частицам с меньшей энергией.
В нашем курсе будет рассматриваться передача теплоты путем теплопроводности.
Рассмотрим сначала одномерный случай, когда температура зависит только от одной координаты х . Пусть две среды разделены плоской перегородкой толщины l (рис. 23.1). Температуры сред Т 1 и Т 2 поддерживаются постоянными. Опытным путем можно установить, что количество тепла Q , переданное через участок перегородки площадью S за время t равно
, (23.1)
где коэффициент пропорциональности k зависит от материала стенки.
При Т 1 > Т 2 тепло переносится в положительном направлении оси х , при Т 1 < Т 2 – в отрицательном. Направление распространения тепла можно учесть, если в уравнении (23.1) заменить (Т 1 - Т 2)/l на (- dT /dx ). В одномерном случае производная dT /dx представляет собой градиент температуры . Напомним, что градиент – это вектор, направление которого совпадает с направлением наиболее быстрого возрастания скалярной функции координат (в нашем случае Т ), а модуль равен отношению приращения функции при малом смещении в этом направлении к расстоянию, на котором это приращение произошло.
Чтобы придать уравнениям, описывающим перенос тепла, более общий и универсальный вид, ведем в рассмотрение плотность потока тепла j - количество тепла, переносимое через единицу площади в единицу времени
Тогда соотношение (23.1) можно записать в виде
Здесь знак «минус» отражает тот факт, что направление теплового потока противоположно направлению градиента температуры (направлению ее возрастания). Таким образом, плотность потока тепла является векторной величиной. Вектор плотности потока тепла направлен в сторону уменьшения температуры.
Если температура среды зависит от всех трех координат, то соотношение (23.3) принимает вид
где 
, - градиент температуры (е
1 , е
2 , е
3 - орты осей координат).
Соотношения (23.3) и (23.4) представляют основной закон теплопроводности (закон Фурье): плотность потока тепла пропорциональна градиенту температуры. Коэффициент пропорциональности k называется коэффициентом теплопроводности (или просто теплопроводностью). Т.к. размерность плотности потока тепла [j ] = Дж/(м 2 с), а градиента температуры [dT/dx ] = К/м, то размерность коэффициента теплопроводности [k] = Дж/(м×с×К).
В общем случае температура в различных точках неравномерно нагретого вещества меняется с течением времени. Рассмотрим одномерный случай, когда температура зависит только от одной пространственной координаты х и времени t ,и получим уравнение теплопроводности - дифференциальное уравнение, которому удовлетворяет функция T = T (x ,t ).
Выделим мысленно в среде малый элемент объема в виде цилиндра или призмы, образующие которого параллельны оси х
, а основания перпендикулярны (рис 23.2). Площадь основания S
, а высота dx
. Масса этого объема dm
= rSdx
, а его теплоемкость c×dm
где r - плотность вещества, с
- удельная теплоемкость. Пусть за малый промежуток времени dt
температура в этом объеме изменилась на dT
. Для этого вещество в объеме должно получить количество тепла, равное произведению его теплоемкости на изменение температуры: 
. С другой стороны, dQ
можно может поступить в объем только через основания цилиндра: (плотности потоков тепла j
могут быть как положительными, так и отрицательными). Приравнивая выражения для dQ
, получим
.
Заменяя отношения малых приращений соответствующими производными, придем к соотношению
. (23.5)
Подставим в формулу (23.5) выражение (23.3) для плотности потока тепла
. (23.6)
Полученное уравнение называется уравнением теплопроводности . Если среда однородна, и теплопроводность k не зависит от температуры, уравнение принимает вид
, (23.7)
где постоянная называется коэффициентом температуропроводности среды.
Уравнениям (23.6) – (23.8) удовлетворяет бесчисленное множество функций T = T (x ,t ).
Для выделения единственного решения уравнения теплопроводности необходимо к уравнению присоединить начальные и граничные условия.
Начальное условие состоит в задании распределения температуры в среде Т (х ,0) в начальный момент времени t = 0.
Граничные условия могут быть различными в зависимости от температурного режима на границах. Чаще всего встречаются ситуации, когда на границах заданы температура или плотность потока тепла как функции времени.
В ряде случаев в среде могут оказаться источники тепла. Теплота может выделяться в результате прохождения электрического тока, химических или ядерных реакций. Наличие источников тепла можно учесть введением объемной плотности энерговыделения q (x ,y ,z ), равной количеству теплоты, выделяемому источниками в единице объема среды за единицу времени. В этом случае в правой части уравнения (23.5) появится слагаемое q :
.
Изучение любого физического явления сводится к установлению зависимости между величинами, характеризующими это явление. Для сложных физических процессов, в которых определяющие величины могут существенно изменяться в пространстве и времени, установить зависимость между этими величинами достаточно сложно. В таких случаях используют методы математической физики, которые заключаются в том, что ограничивается промежуток времени и из всего пространства рассматривается некоторый элементарный объем. Это позволяет в пределах выбранного объема и данного промежутка времени пренебречь изменениями величин, характеризующих процесс, и существенно упростить зависимость.
Выбранные таким образом элементарный объем dV и элементарный промежуток времени dτ , в пределах которых рассматривается процесс, с математической точки зрения являются величинами бесконечно малыми, а с физической точки зрения – величинами еще достаточно большими, чтобы в их пределах можно было считать среду как сплошную, пренебрегая ее дискретным строением. Полученная таким образом зависимость является общим дифференциальным уравнением процесса. Интегрируя дифференциальные уравнения, можно получить аналитическую зависимость между величинами для всей области интегрирования и всего рассматриваемого промежутка времени.
Для решения задач, связанных с нахождением температурного поля, необходимо иметь дифференциальное уравнение теплопроводности.
Примем следующие допущения:
тело однородно и изотропно;
физические параметры постоянны;
деформация рассматриваемого объема, связанная с изменением температуры, очень мала по сравнению с самим объемом;
внутренние источники теплоты в теле, распределены равномерно.
В основу вывода дифференциального уравнения теплопроводности положим закон сохранения энергии, который сформулируем так:
Количество теплоты dQ , введенное в элементарный объем dV извне за время dτ вследствие теплопроводности, а также от внутренних источников, равно изменению внутренней энергии или энтальпии вещества, содержащегося в элементарном объеме.
где dQ 1 – количество теплоты, введенное в элементарный объем dV путем теплопроводности за время dτ ;
dQ 2 – количество теплоты, которое за время dτ выделилось в элементарном объеме dV за счет внутренних источников;
dQ – изменение внутренней энергии (изохорный процесс) или энтальпии вещества (изобарный процесс), содержащегося в элементарном объеме dV за время dτ .
Для получения уравнения рассмотрим элементарный объем в виде кубика со сторонами dx , dy , dz (см. рис.1.2.). Кубик расположен так, чтобы его грани были параллельны соответствующим координатным плоскостям. Количество теплоты, которое подводится к граням элементарного объема за время dτ в направлении осей x , y , z обозначим соответственно dQ x , dQ y , dQ z .
Количество теплоты, которое будет отводиться через противоположные грани в тех же направлениях, обозначим соответственно dQ x + dx , dQ y + dy , dQ z + dz .
Количество теплоты,
подведенное к грани dxdy
в направлении оси x
за время dτ
,
составляет: 
где q x – проекция плотности теплового потока на направление нормали к указанной грани. Соответственно количество теплоты, отведенное через противоположную грань будет:
Разница между
количеством теплоты, подведенном к
элементарному объему, и количеством
теплоты, отведенного от него, представляет
собой теплоту: 
Функция q является непрерывной в рассматриваемом интервале dx и может быть разложена в ряд Тейлора:
Если ограничиться
двумя первыми слагаемыми ряда, то
уравнение запишется в виде: 
Аналогичным образом можно найти количество теплоты, подводимое к объему в направлении двух других координатных осей y и z .
Количество теплоты dQ , подведенное в результате теплопроводности к рассматриваемому объему, будет равно:
Второе слагаемое определим, обозначив количество теплоты, выделяемое внутренними источниками в единице объема среды в единицу времени q v и назовем его мощностью внутренних источников теплоты [Вт/м 3 ], тогда:
Третья составляющая в нашем уравнении найдется в зависимости от характера ТД процесса изменения системы.
При рассмотрении изохорного процесса вся теплота, подведенная к элементарному объему, уйдет на изменение внутренней энергии вещества, заключенного в этом объеме, т.е. dQ = dU .
Если рассматривать внутреннюю энергию единицы объема u = f (t , v ) , то можно записать:
, Дж/м 3
, Дж/кг
где c v – изохорная теплоемкость или единицы объема или единицы массы, [Дж/м 3 ];
ρ – плотность, [кг/м 3 ].
Соберем полученные выражения:
Полученное выражение является дифференциальным уравнением энергии для изохорного процесса переноса теплоты .
Аналогично выводится уравнение для изобарного процесса. Вся теплота, подведенная к объему уйдет на изменение энтальпии вещества, заключенного в объеме.
Полученное соотношение является дифференциальным уравнением энергии для изобарного процесса.
В твердых телах
перенос теплоты осуществляется по
закону Фурье
,
значение теплоемкости
можно принять
.
Напомним, что проекция вектора плотности
теплового потока на координатные оси
определяются выражениями:
Последнее выражение называют дифференциальным уравнением теплопроводности. Оно устанавливает связь между временным и пространственным изменениями температуры в любой точке тела, в котором происходит процесс теплопроводности.
Наиболее общее дифференциальное уравнение теплопроводности в частных производных имеет такую же форму, но в нем величины ρ , , с являются функциями времени и пространства. Это уравнение описывает большое количество задач теплопроводности, представляющих практический интерес. Если принять теплофизические параметры постоянными, то уравнение будет проще:
Обозначим
,
тогда:
Коэффициент пропорциональности а [м 2 /с] называется коэффициентом температуропроводности и является физическим параметром вещества. Он существенен для нестационарных тепловых процессов характеризует скорость изменения температуры. Если коэффициент теплопроводности характеризует способность тел проводить теплоту, то коэффициент температуропроводности является мерой теплоинерционных свойств тела. Например, жидкости и газы обладают большей тепловой инерционностью и, следовательно, малым коэффициентом температуропроводности, а металлы наоборот имеют малую тепловую инерционность.
Если имеются внутренние источники теплоты, а температурное поле является стационарным, то мы получаем уравнение Пуассона:
Наконец, при стационарной теплопроводности и отсутствии внутренних источников теплоты мы получаем уравнение Лапласа:
Условия однозначности для теплопроводности.
Так как дифференциальное уравнение теплопроводности выведено из общих законов физики, то оно описывает целый класс явлений. Для его решения необходимо задать граничные условия или условия однозначности.
Условия однозначности включают:
геометрические условия – характеризуют форму и размеры тела;
физические условия – характеризуют физические свойства среды и тела;
начальные (временные) условия – характеризуют распределение температур в теле в начальный момент времени, задаются при исследовании нестационарных процессов;
граничные условия – характеризуют взаимодействие рассматриваемого тела с окружающей средой.
Граничные условия могут быть заданы несколькими способами.
Граничные условия первого рода. Задается распределение температуры на поверхности тела для каждого момента времени:
t c = f (x , y , z , τ )
где t c – температура на поверхности тела;
x , y , z – координаты поверхности тела.
В частном случае, когда температура на поверхности является постоянной на протяжении всего времени протекания процессов теплообмена, уравнение упрощается:
t c = const
Граничные условия второго рода. Задаются значения теплового потока для каждой точки поверхности тела и любого момента времени. Аналитически выглядит так:
q c = f (x , y , z , τ )
В простейшем случае плотность теплового потока по поверхности тела остается постоянной. Такой случай имеет место при нагревании металлических изделий в высокотемпературных печах.
Граничные условия третьего рода. При этом задаются температура окружающей среды t ср и закон теплообмена между поверхностью тела и средой. Для описания процесса теплообмена используется закон Ньютона-Рихмана. Согласно этому закону количество теплоты, отдаваемое или принимаемое единицей поверхности тела в единицу времени, пропорционально разности температур поверхности тела и среды:
где α коэффициент пропорциональности, называется коэффициентом теплоотдачи [Вт/(м 2 ·К)], характеризует интенсивность теплообмена. Численно он равен количеству теплоты, отдаваемому единицей поверхности тела в единицу времени при разности температур равной одному градусу. Согласно закону сохранения энергии количество теплоты, которое отводится окружающей среде, должно равняться теплу, подводимому вследствие теплопроводности из внутренних частей тела, то есть:
Последнее уравнение является граничным условием третьего рода.
Встречаются более сложные технические задачи, когда ни одно из перечисленных условий задать невозможно, и тогда приходится решать задачу методом сопряжения. При решении такой задачи должны выполняться условия равенства температур и тепловых потоков по обе стороны от границы раздела. В общем случае условия сопряженности можно записать:
Решение сопряженной задачи связано с нахождением температурных полей по обе стороны границы раздела.