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A equação do calor

1822
  • Jean-Baptiste Joseph Fourier
Espaço de trabalho de engenharia térmica com ferramentas de design e simulação de dissipadores de calor.

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

Uma parabólica linear fundamental de segunda ordem diferencial parcial Equação que descreve a distribuição de calor ou outros processos de difusão. Sua forma canônica é [latex]frac{partial u}{partial t} = alpha nabla^2 u[/latex], onde [latex]u(vec{x},t)[/latex] é a temperatura, [latex]t[/latex] é o tempo e [latex]alpha[/latex] é a difusividade térmica. As soluções modelam como uma distribuição de temperatura inicial evolui, suavizando as irregularidades ao longo do tempo e aproximando-se de um estado estacionário.

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.

Outra característica definidora é o seu efeito de suavização. Mesmo que a distribuição inicial de temperatura [latex]u(vec{x},0)[/latex] seja descontínua (por exemplo, um salto abrupto na temperatura), a solução [latex]u(vec{x},t)[/latex] para qualquer instante [latex]t > 0[/latex] torna-se infinitamente diferenciável (suave). Isso reflete a realidade física de que gradientes de temperatura acentuados não podem ser mantidos e começarão imediatamente a se homogeneizar. O princípio do máximo para a equação do calor afirma que o valor máximo de [latex]u[/latex] deve ocorrer no instante inicial ou na fronteira do domínio espacial, o que significa que nenhum novo ponto quente pode surgir espontaneamente dentro do material.

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
Física matemática

Tipo

Sistema abstrato

Interrupção

Fundamentais

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Lei de resfriamento de Newton
  • o desenvolvimento do cálculo
  • conceito de derivadas parciais
  • O trabalho de Fourier sobre séries trigonométricas (séries de Fourier)

Aplicações

  • Engenharia térmica para projeto de dissipadores de calor
  • modelagem financeira (a equação de Black-Scholes é uma variante)
  • Processamento de imagem para redução de ruído (difusão de Perona-Malik)
  • neurociência para modelagem da propagação de sinais neuronais
  • engenharia química para modelagem de difusão molecular

Patentes:

NA

Ideias de Inovação Potencial

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Relacionado a: equação do calor, difusão, EDP parabólica, análise de Fourier, condutividade térmica, movimento browniano, modelo de Black-Scholes, física matemática.

Contexto histórico

A equação do calor

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

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

Princípios relacionados à invenção, inovação e tecnologia

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