Il est donc décrit par une équation de type diffusion, la loi de Fourier: où est la conductivité thermique (en W m −1 K −1), une quantité scalaire qui dépend de la composition et de l' état physique du milieu à travers lequel diffuse la chaleur, et en général aussi de la température. Elle peut également être un tenseur dans le cas de milieux anisotropes comme le graphite. Si le milieu est homogène et que sa conductivité dépend très peu de la température [ a], on peut écrire l'équation de la chaleur sous la forme: où est le coefficient de diffusion thermique et le laplacien. Loi de Fourier : définition et calcul de déperditions - Ooreka. Pour fermer le système, il faut en général spécifier sur le domaine de résolution, borné par, de normale sortante: Une condition initiale:; Une condition aux limites sur le bord du domaine, par exemple: condition de Dirichlet:, condition de Neumann:, donné. Résolution de l'équation de la chaleur par les séries de Fourier [ modifier | modifier le code] L'une des premières méthodes de résolution de l'équation de la chaleur fut proposée par Joseph Fourier lui-même ( Fourier 1822).
Les grandeurs ρ et C sont également dépendantes de T, mais ne sont pas dérivées spatialement. On écrit donc: L'équation de la chaleur devient: Équation de la chaleur avec thermodépendance: Sans la thermodépendance on a: On pose: (a diffusivité en Équation linéaire de la chaleur sans thermodépendance: Autre démonstration de l'équation en partant d'un bilan énergétique Écrivons le bilan thermique d'un élément de volume élémentaire d x d y d z en coordonnées cartésiennes, pour un intervalle de temps élémentaire d t.
Dans le cas vu précédemment, cela revient à déterminer les solutions propres de l'opérateur sur l'espace des fonctions deux fois continûment dérivables et nulles aux bords de [0, L]. Les vecteurs propres de cet opérateur sont alors de la forme: de valeurs propres associées. Equation diffusion thermique unit. Ainsi, on peut montrer que la base des ( e n) est orthonormale pour un produit scalaire, et que toute fonction vérifiant f (0) = f ( L) = 0 peut se décomposer de façon unique sur cette base, qui est un sous-espace dense de L 2 ((0, L)). En continuant le calcul, on retrouve la forme attendue de la solution. Solution fondamentale [ modifier | modifier le code] On cherche à résoudre l'équation de la chaleur sur où l'on note, avec la condition initiale. On introduit donc l'équation fondamentale: où désigne la masse de Dirac en 0. La solution associée à ce problème (ou noyau de la chaleur) s'obtient [ 3] par exemple en considérant la densité d'un mouvement brownien:, et la solution du problème général s'obtient par convolution:, puisqu'alors vérifie l'équation et la condition initiale grâce aux propriétés du produit de convolution.
Théorie analytique de la chaleur (1822), chap. III (fondements de la transformée de Fourier), en ligne et commenté sur le site BibNum.
1. Équation de diffusion Soit une fonction u(x, t) représentant la température dans un problème de diffusion thermique, ou la concentration pour un problème de diffusion de particules. L'équation de diffusion est: où D est le coefficient de diffusion et s(x, t) représente une source, par exemple une source thermique provenant d'un phénomène de dissipation. On cherche une solution numérique de cette équation pour une fonction s(x, t) donnée, sur l'intervalle [0, 1], à partir de l'instant t=0. La condition initiale est u(x, 0). Sur les bords ( x=0 et x=1) la condition limite est soit de type Dirichlet: soit de type Neumann (dérivée imposée): 2. Méthode des différences finies 2. Equation diffusion thermique example. a. Définitions Soit N le nombre de points dans l'intervalle [0, 1]. On définit le pas de x par On définit aussi le pas du temps. La discrétisation de u(x, t) est définie par: où j est un indice variant de 0 à N-1 et n un indice positif ou nul représentant le temps. Figure pleine page La discrétisation du terme de source est On pose 2. b. Schéma explicite Pour discrétiser l'équation de diffusion, on peut écrire la différence finie en utilisant les instants n et n+1 pour la dérivée temporelle, et la différence finie à l'instant n pour la dérivée spatiale: Avec ce schéma, on peut calculer les U j n+1 à l'instant n+1 connaissant tous les U j n à l'instant n, de manière explicite.
Une page de Wikiversité, la communauté pédagogique libre. On a vu au chapitre 1 une mise en équation locale du phénomène de transfert de chaleur dans un corps. Cette approche ne traitait qu'une partie des questions liées à cette mise en équation. On traitera ici un cas plus général. Le système considéré, de volume V et de surface externe Σ, est indéformable. Diffusion de la chaleur - Unidimensionnelle. Nous sommes dans un cas de conduction pure, aucun transfert d'énergie ne se produisant par déplacement de matière: pas de convection; chaleur massique en J/kg/K; masse volumique:.
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