Некоторые уравнения математической физики в частных производных
Глава 1. Уравнения гиперболического типа
1.1 Задачи, приводящие к уравнениям гиперболического типа
1.2 Уравнение колебаний струны
1.3 Метод разделения переменных. Уравнение свободных колебаний струны
1.4 Решение уравнений
Глава 2. Уравнения параболического типа
2.1 Уравнение распространения тепла в стержне
2.2 Решение задач
Заключение
Литература
2.1 Уравнение распространения тепла в стержне
Рассмотрим однородный стержень длины . Будем предполагать, что боковая поверхность стержня теплонепроницаема и что во всех точках поперечного сечения стержня температура одинакова. Изучим процесс распространения тепла в стержне.
Расположим ось Ох так, что один конец стержня будет совпадать с точкой х = 0, а другой – с точкой х = .
Рис. 2.1.
Пусть u (x, t) – температура в сечении стержня с абсциссой х в момент t. Опытным путем установлено, что скорость распространения тепла, т. е. количество тепла, протекающего через сечение с абсциссой х за единицу времени, определяется формулой
(1)
где S – площадь сечения рассматриваемого стержня, k – коэффициент теплопроводности.
Рассмотрим элемент стержня, заключенный между сечениями с абсциссами х1 и х2 (х2 – х1 = х). Количество тепла, прошедшего через сечение с абсциссой х1 за время t, будет равно
(2)
то же самое с абсциссой х2:
(3)
Приток Q1 - Q2 в элемент стержня за время t будет равняться:
(4)
Этот приток тепла за время t затратился на повышение температуры элемента стержня на величину u:
Или
(5)
где с – теплоемкость вещества стержня, – плотность вещества стержня (xS – масса элемента стержня).
Приравнивая выражения (4) и (5) одного и того же количества тепла , получим:
|