Путаница с законом Фурье

Согласно учебнику, который я читаю ( Основы тепло- и массообмена Инкропера), закон теплопроводности Фурье, д Икс "=" к А д Т д Икс , это закон, основанный на экспериментальных данных, а не выведенный из первых принципов. Далее в книге описывается эксперимент, на котором основан закон. Стержень имеет длину Δ Икс , площадь поперечного сечения А , а его торцы имеют разность температур Δ Т . Держа Δ Т и Δ Икс постоянной, находим, что скорость теплопроводности д Икс прямо пропорциональна площади поперечного сечения А . Держа Δ Т и А постоянна, находим, что д Икс обратно пропорциональна длине стержня Δ Икс . Наконец, держа Δ Икс и А постоянна, находим, что д Икс прямо пропорциональна разнице температур между торцами стержня, Δ Т . Все эти результаты могут быть упакованы в пропорциональность д Икс А Δ Т Δ Икс .

Проблема у меня с этим в том, что в учебнике указано только, что есть разница температур Δ Т между концами стержня. В нем не указано, как изменяется температура между концами стержня. Это линейно? Если да, то имеет ли отношение д Икс А Δ Т Δ Икс справедливо только для стержня, который имеет линейное изменение температуры по его длине?

Это всего лишь предположение, но, возможно, текст подразумевает, что, поскольку температура будет изменяться линейно на бесконечно малых длинах, когда вы принимаете предел как Δ Икс стремится к нулю, мы можем просто применить закон Фурье для каждой бесконечно малой длины стержня и проинтегрировать?

Ваша оценка верна. Изменение температуры не обязательно должно быть линейным, и уравнение применяется к каждому дифференциальному элементу стержня.
Спасибо за подтверждение. Если вы не возражаете, я задам дополнительный вопрос: когда мы говорим, что, например, 500 Вт тепла проходит через точку стержня, мы в основном говорим, что 500 Дж энергии проходит через эту точку каждую секунду? и эта скорость зависит от наклона температуры вокруг этой точки, dT/dx?
Да, q в этом уравнении — это (локальная) скорость теплового потока.

Ответы (1)

Если вы решили перейти от д Икс "=" к А д Т д Икс для бесконечно малого элемента д Икс А Δ Т Δ Икс везде для конечной области (другими словами, если вы решили заменить производную конечной разностью), тогда да, вы неявно предположили, что наклон постоянен по всему стержню.

Эта замена не сработала бы, если бы материал или условия были явно неоднородными или если бы имел место другой способ теплопередачи (например, если бы стержень был сделан из двух материалов, соединенных на концах, или если бы существовал внутренний источник тепла, или если бы существовала поперечная конвекция или излучение). не пренебрежимо мал со сторон стержня).

В свою очередь, мы должны избегать любого из этих осложнений, если хотим измерить свойство материала. к основанный на приложении к стержню разности температур и измерении результирующего теплового потока. Имеет ли это смысл?

Спасибо за ваш ответ. Да, это имеет смысл. Но чтобы уточнить, что я пытался спросить, я хотел знать, проводился ли этот эксперимент, на котором основан закон Фурье, со стержнем, имеющим линейное распределение температуры, или нет.
Да. В противном случае теплопроводность к то, что извлекается, является только эффективным значением, которое зависит от точных экспериментальных деталей и не обязательно является истинным свойством материала. Например, даже если я использую однородный и идеально изолированный однородный стержень и измеряю поток, когда его концы находятся при температуре 10°C и 20°C, я могу получить только размазанное эффективное среднее значение теплопроводности как функцию температура от 10°С до 20°С.
Имеет смысл. Спасибо.