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L'equazione del calore

1822
  • Jean-Baptiste Joseph Fourier
Spazio di lavoro per l'ingegneria termica con strumenti di progettazione e simulazione dei dissipatori di calore.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Un parabolico lineare fondamentale di secondo ordine differenziale parziale equazione che descrive la distribuzione del calore o altri processi di diffusione. La sua forma canonica è [latex]frac{partial u}{partial t} = alpha nabla^2 u[/latex], dove [latex]u(vec{x},t)[/latex] è la temperatura, [latex]t[/latex] è il tempo e [latex]alpha[/latex] è la diffusività termica. Le soluzioni modellano l'evoluzione di una distribuzione iniziale della temperatura, appianando le irregolarità nel tempo e avvicinandosi a uno stato stazionario.

The heat equation is the prototypical example of a parabolic PDE. The term [latex]\nabla^2[/latex] is the Laplace operator, which in one spatial dimension [latex]x[/latex] simplifies the equation to [latex]u_t = \alpha u_{xx}[/latex]. The constant [latex]\alpha[/latex] represents the thermal diffusivity of the material, a measure of how quickly heat spreads. A key property of the heat equation is its ‘infinite speed of propagation’; a change in temperature at any point is felt instantaneously, though infinitesimally, everywhere else in the domain. This is a mathematical idealization of the rapid nature of diffusion.

Un'altra caratteristica distintiva è il suo effetto di livellamento. Anche se la distribuzione iniziale della temperatura [latex]u(vec{x},0)[/latex] è discontinua (ad esempio, un brusco salto di temperatura), la soluzione [latex]u(vec{x},t)[/latex] per qualsiasi istante [latex]t > 0[/latex] diventa infinitamente differenziabile (liscia). Ciò riflette la realtà fisica secondo cui i forti gradienti di temperatura non possono essere mantenuti e inizieranno immediatamente a uniformarsi. Il principio del massimo per l'equazione del calore afferma che il valore massimo di [latex]u[/latex] deve verificarsi o all'istante iniziale o sul confine del dominio spaziale, il che significa che non possono comparire spontaneamente nuovi punti caldi all'interno del materiale.

Le soluzioni vengono spesso trovate utilizzando il metodo di separazione delle variabili o impiegando le trasformate di Fourier, sviluppate da Fourier proprio a questo scopo. La soluzione fondamentale, nota come nucleo di calore, rappresenta la distribuzione di temperatura risultante da una sorgente puntiforme iniziale di calore.

UNESCO Nomenclature: 1208
- Fisica matematica

Tipo

Sistema astratto

Interruzione

Fondamento

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • legge di raffreddamento di Newton
  • lo sviluppo del calcolo
  • concetto di derivate parziali
  • fourier’s work on trigonometric series (fourier series)

Applicazioni

  • ingegneria termica per la progettazione del dissipatore di calore
  • modellazione finanziaria (l'equazione di Black-Scholes è una variante)
  • elaborazione delle immagini per la riduzione del rumore (diffusione Perona-Malik)
  • neuroscienze per la modellazione della propagazione del segnale neuronale
  • ingegneria chimica per la modellazione della diffusione molecolare

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

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Argomenti correlati: equazione del calore, diffusione, equazione differenziale parziale parabolica, analisi di Fourier, conducibilità termica, moto browniano, equazione di Black-Scholes, fisica matematica.

Contesto storico

L'equazione del calore

1763-12-23
1780
1805
1822
1822
1828
1848
1758
1777
1799
1812
1822
1827
1829
1850

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

Invenzioni, innovazioni e principi tecnici correlati

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