Теплопроводность через сферическую оболочку
. (2.11)
Вектор плотности теплового потока направлен по нормали к изотермической поверхности в сторону убывания температуры. Векторы j и grad T лежат на одной прямой, но направлены в противоположные стороны.
Тепловой поток q, прошедший сквозь произвольную поверхность S, находят из выражения
. (2.12)
Количество теплоты, прошедшее через эту поверхность в течение времени t, определяется интегралом
. (2.13)
Таким образом, для определения количества теплоты, проходящего через какую-либо произвольную поверхность твердого тела, необходимо знать температурное поле внутри рассматриваемого тела. Нахождение температурного поля и составляет основную задачу аналитической теории теплопроводности. 2.4 Дифференциальное уравнение теплопроводности
Изучение любого физического процесса связано с установлением зависимости между величинами, характеризующими данный процесс. Для сложных процессов, к которым относится передача теплоты теплопроводностью, при установлении зависимостей между величинами удобно воспользоваться методами математической физики, которая рассматривает протекание процесса не во всем изучаемом пространстве, а в элементарном объеме вещества в течение бесконечно малого отрезка времени. Связь между величинами, участвующими в передаче теплоты теплопроводностью, устанавливается дифференциальным уравнением теплопроводности. В пределах выбранного элементарного объема и бесконечно малого отрезка времени становится возможным пренебречь изменением некоторых величин, характеризующих процесс.
При выводе дифференциального уравнения теплопроводности принимаются следующие допущения:
· внутренние источники теплоты отсутствуют;
· среда, в которой распространяется тепло, однородна и изотропна;
· используется закон сохранения энергии, который для данного случая формулируется так: разность между количеством теплоты, вошедшей вследствие теплопроводности в элементарный параллелепипед за время dt и вышедшей из него за тоже время, расходуется на изменение внутренней энергии рассматриваемого элементарного объема.
Выделим в среде элементарный параллелепипед с ребрами (рисунок 2.2). Температуры граней различны, поэтому через параллелепипед проходит теплота в направлении осей . Через площадку за время dt, согласно уравнению Фурье, проходит количество теплоты:
(2.14)
(grad T взят в виде частной производной, т.к. предполагается зависимость температуры не только от x, но и от других координат и времени).
Через противоположную грань на расстоянии dz отводится количество теплоты, определяемое из выражения:
, (2.15)
где — температура второй грани, а величина определяет изменение температуры в направлении z.
|
Последнее уравнение можно представить в другом виде:
. (2.16)
Итак,приращение внутренней энергии в параллелепипеде за счёт потока тепла в направлении оси z равно:
. (2.17)
Приращение внутренней энергии в параллелепипеде за счёт потока тепла в направлении оси y выразится аналогичным уравнением:
, (2.18)
а в направлении оси x:
. (2.19)
Полное приращение внутренней энергии в параллелепипеде:
. (2.20)
С другой стороны, согласно закону сохранения энергии:
, (2.21)
где — объем параллелепипеда;
— масса параллелепипеда;
c — удельная теплоемкость среды;
— плотность среды;
— изменение температуры в данной точке среды за время dt.
Левые части уравнения (2.20) и (2.21) равны, поэтому:
, (2.22)
или
. (2.23)
Величину называют оператором Лапласа и обычно обозначают сокращенно ; величину называют температуропроводностью и обозначают буквой a. При указанных обозначениях дифференциальное уравнение теплопроводности принимает вид:
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5