Тема основные термодинамические понятия и законы


Дифференциальное уравнение теплопроводности в плоской стенке при граничных условиях первого рода



бет34/36
Дата21.11.2022
өлшемі0,78 Mb.
#159099
түріЗакон
1   ...   28   29   30   31   32   33   34   35   36
Байланысты:
Лекции по теплотехнике
Решение задач 1
9.4.Дифференциальное уравнение теплопроводности в плоской стенке при граничных условиях первого рода
9.4.1.Дифференциальное уравнение теплопроводности
Решение задач теплопроводности связано с определением поля температур и тепловых потоков. Для установления зависимости между величинами, характеризующими явление теплопроводности, воспользуемся методом математической физики, который рассматривает протекание физических процессов в произвольно выделенном из всего рассматриваемого пространства элементарном объеме и в течение бесконечно малого промежутка времени. Это позволяет пренебречь изменением некоторых величин и существенно упростить выкладки.
При выводе дифференциального уравнения теплопроводности считаем, что тело однородно и изотропно (то есть физические свойства тела не зависят от выбранного в нём направления), физические параметры λ, с(теплоемкость), и ρ (плотность) постоянны, внутренние источники теплоты равномерно распределены в теле. Под внутренними источниками теплоты понимаются тепловыделения, например, в тепловыделяющих элементах атомных реакторов, или при прохождении тока в электрических проводниках. Внутренние источники теплоты характеризуются величиной qv — количеством теплоты, которое выделяется в единице объема в единицу времени.
В основу вывода положен закон сохранения энергии, согласно которому вся теплота, выделенная внутренними источниками dQвн и внесенная извне в элементарный объем путем теплопроводности dQm за время , идет на изменение внутренней энергии вещества, содержащегося в этом объеме:

.

(9.10)


Выделим в теле элементарный параллелепипед с ребрами dx, dy, dz (рис. 9.1). Количество теплоты, которое проходит путем теплопроводности внутрь выделенного объема в направлении оси ОX через элементарную площадку dy·dz за время :





Рис. 9.1. К выводу дифференциального уравнения теплопроводности




.


На противоположной грани параллелепипеда температура получит приращение и будет составлять .
Количество тепла, отведенного через эту грань:

.


Разница количества теплоты, подведенного к элементарному параллелепипеду и отведенного от него, представляет собой теплоту, внесенную путем теплопроводности в направлении оси ОX:


.

Аналогично:



.


Полное количество теплоты внесено в элементарный параллелепипед путем теплопроводности









.


Здесь произведение dx·dy·dz представляет собой объем элементарного параллелепипеда dv. Количество теплоты, которое выделилось в элементарном объеме за счет внутренних источников:



.


Приращение внутренней энергии можно выразить через массу параллелепипеда ρ·dv, теплоемкость с и приращение температуры :



.


Подставляя выражения для dQm, dQвн и dU в уравнение (9.10), после соответствующих сокращений получаем:



.

(9.11)


Сумма вторых частных производных любой функции в математическом анализе носит название оператора Лапласа и обозначается следующим образом:



.


Величину называют коэффициентом температуропроводности и обозначают буквой a. В указанных обозначениях уравнение (9.11) примет вид:



.

(9.12)


Это уравнение называется дифференциальным уравнением теплопроводности или уравнением Фурье и лежит в основе математической теории теплопроводности. Коэффициент температуропроводности a является физическим параметром вещества. Из уравнения (9.12) следует, что изменение температуры во времени для любой точки тела пропорционально величине a.






Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   28   29   30   31   32   33   34   35   36




©engime.org 2022
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет