chương I trình bày các kiến thức cơ bản về phương trình truyền nhiệt tổng quát, phương pháp giải tích giải một số mô hình bài toán cụ thể. Các kiến thức trên được tham khảo trong các tài liệu [ 1, 2, 3, 4].1 Phương trình truyền nhiệt 1.1 Dạng tổng quát Xét một vật rắn truyền nhiệt đẳng hưởng, w (x, y,Z, t) là nhiệt độ của nó tại điểm (x,y,z) ở thời điểm 7. Nếu tại thời điểm khác nhau của vật nhiệt độ khác nhau thì nhiệt sẽ truyền từ điểm nóng hơn sang điểm nguội hơn. Sự truyền nhiệt được tuân theo định luật sau: Nhiệt lượng AO đi qua một mảnh mặt khá bé AS chứa điểm (x,y,z) trong một khoảng thời gian At tỷ lé voi AS , At va dao ham phdp tuyén oe.
Tức là n AQ =-k (x.1) Trong do k (x, »,£} > 0 là hệ số truyền nhiệt, # là véc tơ pháp tuyến của AS hướng theo chiều giảm nhiệt độ. Gọi q là cường độ dòng nhiệt, tức là nhiệt lượng đi qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian.1) ta suy ra g =—k ou. on Ta lay trong vat thé tich tùy ý w giới hạn bởi mét mat kinh tron S và xét biến thiên của nhiệt lượng trong thể tích đó khoảng thời gian từ ¢, dén ¢,.1) ta suy ra nhiệt lượng qua mặt Š_ vào trong từ thời điểm t đến thời điểm „là Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN htip:/www. 1 Ss trong đó # là véc tơ pháp tuyến hướng vào mặt trong của mặt S.
Ap dung céng thức Ostrogpradsky đề đối từ tích phân trên mặt Š sang tích phân ba lớp ta được 1, Q,= far [JJaiv (kgradu )dxdydz i Vv Giả sử rằng trong vật có các nguồn nhiét, goi F (x. t) là mật độ của chúng tức là nhiệt lượng sinh ra hay mat đi trong một đơn vi thể tích của vật và trong một đơn vị thời gian. Nhiệt lượng sinh ra hay mất đi trong thể tíchVW từ thời điểm ¿, đến thời điểm /, là 1, Q,= far [PF (x.z }xdydz i, V Mặt khác ta lại biết nhiệt lượng cần cho thể tíchW của vật thay đối nhiệt độ từ w (x.< jindyace Vv trong do C (x.z) là nhiệt dung riêng, /øØ (x.y, z) là mật độ của vật.0,) _ nên có thê viết QO, = [a[[[C tay, tv Mặt khác Q, =Q, +Q, nên ta có 1 J“lll leo x —diy (kgradu ) —F (x. t 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN hip:/www.vn 5 Vì khoảng thời gian (::,) và thể tích W_ được chọn tùy ý, nên tại mọi điểm (x,y,z của vật và ở mọi thời điểm z thì biêu thức dưới dấu tích phân đều bằng không ca< =diy (kgradu ) +F (x.y,z,t) Ou O Ou O Ou O Ou Cp— =— k—|+F „Z,f 1.2 Pa elk a), Sta 3) 2 | (xyz )‹ ) Phương trình (1.2) được gọi là phương trình truyền nhiệt trong vật đẳng hay hướng không đồng chất.
Trong trường hợp đồng chất thì C, ø, k là các hằng số và phương trình có dạng ôu — ;|ổm , Ou ou — =a +f (x,y, Zt (1.3) là phương trình truyền Cp k trong dé a’ = — , f(x,y,z,t g Cp ⁄{ y nhiệt không thuần nhất. Nếu trong vật không có nguồn nhiệt thì (x, y,z,f} = 0 ta được phương trình ou _a(Su, ou Cu ot ax? “ay "ag 1.2 Phương trình truyền nhiệt một chiều truyền nhiệt thuần nhất Xét phương trình truyền nhiệt trên một thanh đồng chất rất mảnh đọc theo trục x , phương trình truyền nhiệt một chiều có dạng: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN hip:/www. Trong đó a = Cp là hăng sô khuêch tán nhiệt, ƒ (x, r) = đặc trưng P cho nguồn nhiệt. Phương trình trên gọi là phương trình truyền nhiệt một chiều không thuần nhất.
Nếu ƒ (x, r) =0, thì phương trình được gọi là phương trình truyền nhiệt thuần nhất.3 Phương trình truyền nhiệt hai chiều Xét phương trình (1.2) trong một đĩa đồng chất rất mỏng, trên mặt phẳng Oxy thì nhiệt độ w (x, yt) tai diém (x, y) ở thời điểm £ thỏa mãn phương trình truyền nhiệt ô 6” 6” —¬"”.t) ot Ox? oy 2 1.4 Diéu kién bién va diéu kién ban dau Trong vat ly ta muốn xác định được nhiệt độ tại mọi điểm trong vật ở mọi thời điểm, ngoài phương trình (1.3) ta cần phải biết phân bố trong vật ở thời điểm đầu và chế độ nhiệt ở biên Š_ của vật. Điều kiện biên có thé cho bằng nhiều cách : - Cho biết nhiệt độ tại mỗi điểm P của biên S ul, = y,(P. ô cà - Tại mọi điêm biên S cho biệt cường độ dòng nhiệt g = —k a ta có điêu on -q\P,t kién bién ou ae) là một hàm cho ôn =, (P.:) _ IS trước. - Trên biên $ của vật có sự trao đôi nhiệt với môi trường xung quanh mà nhiệt độ của nó là u 0 thì có điêu kiện sau: lật xh(w =4) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN hip:/www.vn =0 IS 7 Nếu biên Š$ cách nhiệt thì ¡ = 0 điều kiện trở thành Sư _ 0 on 5 Như vậy bài toán truyền nhiệt trong một vật ran, đồng chất, truyền nhiệt đẳng hướng đặt ra như sau: Tìm nghiệm của phương trình (1.3) thỏa mãn điều kiện ban đầu w sẽ ø(x.
z) và một trong các điều kiện biên.2 Phương pháp tách biến giải phương trình truyền nhiệt một chiều.1 Bài toán truyền nhiệt trong thanh hữu hạn, không có nguồn nhiệt, điều kiện biên thuần nhất. A/ Xét bài toán Ou Ou — =a —, D=30<x <bh0<t<T 1.4 Ot Ox? a u| = 9% ul =0, Ost sT (1.6) lần lượt là điều kiện biên và điều kiện ban đầu của bài toán. Q (x) là hàm cho trước, liên tục và có đạo hàm liên tục từng khúc trong |0.1 (Vguyên lý cực đại) Nếu hàm (x, t) thỏa mãn phương trình truyền nhiệt (1.4) trong hình chữ nhật D = {0 <x<L0<t<T } liên tục trong hình chữ nhật đóng D= {0 £x£fL0£/£7 } thi nó đạt giá trị lớn nhất hay nhỏ nhất trên cạnh day t = O hoặc trên cạnh x = 0O,x = Ï.2 Nghiệm của bài toán (1.6) là duy nhất và phụ thuộc liên tục vào điều kiện ban đầu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN htip:/www.vn 8 B/ Phương pháp tách biến Ta di tim nghiệm riêng của phương trình (1.4) thỏa mãn điều kiện biên (1.4) ta được —— = xX Trong biểu thức về trái phụ thuộc vào a bién ¢ , vé phải phụ thuộc vao x.
Nhu vay hién nhiên hai về của biểu thức bằng nhau khi cùng bằng một số. T17 xX" Giả sử ——=——=_—. Suy ra các hàm X (x) va T () thỏa mãn các a phuong trinh vi phan T'+AaT =0 (1.8) Ta tìm các nghiệm riêng thoả mãn các điều kiện biên (1. Từ đó suy ra, ta cần tìm nghiệm không đồng nhất của phương trình (1.8) thỏa lu mãn điều kiện sau: X(0)=0, X(/)=0 (1.9) Dat X (x) =e", taduge phuong trinh đặc trưng của (1.
- Nếu 4 =-c” suy ra nghiệm tổng quát của (1.8) là X (x) =Ce"+Ce™, trong đó Œ,,C, là các hằng số tùy ý. Cie" +Cye* =0 Ta thu được nghiệm đồng nhất bằng không. - Nếu  =0 phương trình (1.8) có nghiệm tổng quát X (x) =Œ,+Cx từ điều kiện (1.9) ta có Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN hip:/www.vn 9 X (0)=C, =0, X (I)=C, +CJ =0>C, =C, =0=X (x) =0 - Nếu 4 =c” suy ra phương trình đặc trưng của (1.8) là rˆ +e” =0, ta có r = +ic. Nghiệm tổng quát của (1.8) là X (x) =C, coscx +C, sincx.
+ Cho x =/ ta duoc X (1) =€Œ,sinh =0, với Œ,#0 đẳng thức xảy ra khi sincÏ = 0 haycl = nz, n= +l,+,+3. 2 Vậy bài toán (1.9) có nghiệm không tầm thường nếu  = Â, = [=] suy ra bài toán có nghiệm là: X„ (x) =C,, sin [+] trong đó C„ là hằng số tùy ý, ta chọn # = l,2,. Goi A, là giá trị riêng, còn hàm xX, (x) = sin [| gọi là hàm riêng tương ứng của (1.8) với điều kiện (1.9), các hàm này lập thành một họ hàm trực giao trong [0.2 | tức là [x, (x)X, (x) = 0 nếu #ñn. 0 Phương trình (1.7) có nghiệm tổng quát là T1 (:) = nel) ,a, 1a hang {my sin NIX phương trình (1.4) thỏa man điều kiện biên (1.5) do đó chuỗi hàm: số tùy ý.?) =ae là các nghiệm riêng của ) sin TT.10) là nghiệm tổng quát của phương trình (1.4) thỏa mãn điều kiện biên (1.
Nếu chuỗi hàm trên hội tụ đều và có thể lay đạo hàm từng số hạng chuỗi hàm đó hai Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN htip:/www.vn 10 lần đối với x và một lần đối với £ thì ta sẽ xác định hằng số a, sao cho (1.10) thỏa mãn điều kiện ban đầu (1. œ Xét chuỗi hàm (1.10) ta cho t =O ta duoc u (x, 0) = Da, sin TT. , suy n=l ra hé sé a, chính là hệ số khai triển của hàm ọ (x) thành chuỗi Fuorier theo hàm sin trong khoảng [0i ] tức là: a= = J o(«) sin ds 0 Ta can chứng minh (x, r) trong (1.10) là hàm liên tục thỏa mãn phương trình (1.5) và điều kiện ban đầu (1. Khi đó chuỗi hàm Sa, sin n=l O<x <l 2 ._ H7EX Với ? >0 tacó 0<e `" <1 nénae ' sin —— <a, sin ——.
Vi vay chudi ham (1.10) héi tu déu voi O< x </, >0 do đó hàm thỏa mãn diéu kién bién va diéu kién ban dau.2 Bài toán truyền nhiệt mà hai mút có sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh, môi trường đó giữ ở nhiệt độ không độ. A/ Xét bài toán Chúng ta xét bài toán ôu — ;ố ao a” D={0<x <l0<1<T} Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN hip:/www.11) ou —hu =0, ou +hu Ox 0 Ox = - =ø(x).12) lu trong đó hàm @ (x) thỏa mãn điều kiện biên (1.11) và điều kiện ban đầu (1.12), có đạo hàm cấp một liên tục và đạo hàm cấp hai liên tục từng khúc tên đoạn [01]. B/ Phương pháp tách biến Ta đi tìm nghiệm riêng (x, r) =X (x)7 () của phương (1.4) thỏa mãn điều kiện biên (1.) vào phương trình (1.4) ta thu được hai phương trình vi phân T'(t)+a°Ar (t) =0 (1.14) trong dé / 1a hang số tùy ý. Từ điều kiện biên (1.15) Khi đó ta đi tìm giá trị riêng của phương trình (1.14) thỏa mãn điều kiện (1.
Nghiệm tổng quát của phương trình (1.14) là: xX (x) =C, cos VAx +C, cos VAx trong do C,,C, la cdc hằng số tùy ý. Ta có X'(x) = V2 |~€, sin Vax +C, cos ax |, Từ điều kiện biên (1.15) suy ra: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐHTN hip:/www.vn 12 hC, - |AC, =0 (1.