熱伝導方程式 ― 板とまわりの空気の温度が,どう時間変化するか

厚み a の板(0 ≦ x ≦ a)を温度 T0 にして置いておくと, 温度分布はどうなっていくでしょうか.①では板の中だけを,講義ノートどおり 変数分離と Fourier 級数で解き,その級数解と数値解を重ねて確かめます. ②ではまわりの空気(や水,耐火レンガ)まで含めて解きます ―― 板の外側にも熱伝導方程式を立て, 界面で温度と熱流束がつながるようにすると,系全体の時間変化が追えます. そこで効いてくるのは熱拡散率 κ² だけではありません. 熱侵入率 b = √(Kρc) が,界面の温度を決めます. どちらのタブでも,境界を Newton の冷却則 −K∂T/∂x = h(T−T∞) に切り替えて,対流と放射まで入れられます ―― 電気炉の中と外で起きていることが,そのまま出てきます.

熱伝導率 K は講義ノートの表の値,密度 ρ と比熱 c は標準的な文献値です. 数値解は有限体積法(面の K は調和平均)+後退 Euler で,断熱の箱ならエネルギーが厳密に保存します. 対流と放射は境界条件としてのみ入ります(Newton の冷却則)―― 物質の中は純粋な熱伝導です.