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熱方程式

1822
  • Jean-Baptiste Joseph Fourier
ヒートシンク設計とシミュレーションツールを備えた熱工学ワークスペース。.

(画像はイメージです)

基本的な2次線形放物線 偏微分 熱分布やその他の拡散過程を記述する方程式。その標準形は [latex]frac{partial u}{partial t} = alpha nabla^2 u[/latex] であり、[latex]u(vec{x},t)[/latex] は温度、[latex]t[/latex] は時間、[latex]alpha[/latex] は熱拡散率である。解は、初期温度分布がどのように変化し、時間の経過とともに不規則性が平滑化されて定常状態に近づくかをモデル化する。

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.

もう一つの特徴は、その平滑化効果です。初期温度分布[latex]u(vec{x},0)[/latex]が不連続(例えば、温度が急激に変化する)であっても、任意の時刻[latex]t > 0[/latex]における解[latex]u(vec{x},t)[/latex]は無限に微分可能(滑らか)になります。これは、急激な温度勾配は維持できず、すぐに均一化され始めるという物理的現実を反映しています。熱方程式の最大値原理は、[latex]u[/latex]の最大値は初期時刻または空間領域の境界で発生しなければならないことを示しており、これは材料内部に新たなホットスポットが自然に発生することはないことを意味します。

Solutions are often found using the method of separation of variables or by employing Fourier transforms, which were developed by Fourier precisely for this purpose. The fundamental solution, known as the heat kernel, represents the temperature distribution resulting from an initial point source of heat.

UNESCO Nomenclature: 1208
数理物理学

タイプ

抽象システム

混乱

基礎

使用法

広く普及している

前駆物質

  • ニュートンの冷却法則
  • 微積分学の発展
  • 偏微分の概念
  • フーリエの三角級数(フーリエ級数)に関する研究

アプリケーション

  • ヒートシンク設計のための熱工学
  • 財務モデリング(ブラック・ショールズ方程式はその一種)
  • ノイズ低減のための画像処理(ペロナ・マリック拡散)
  • ニューロン信号伝播のモデリングのための神経科学
  • 分子拡散をモデル化するための化学工学

特許:

NA

潜在的なイノベーションのアイデア

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関連分野:熱方程式、拡散、放物型偏微分方程式、フーリエ解析、熱伝導率、ブラウン運動、ブラック・ショールズモデル、数理物理学。

歴史的背景

熱方程式

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

(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

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