Физика / Молекулярная физика

Число Фурье для нестационарной теплопроводности

Число Фурье сравнивает прошедшее время с характерным временем тепловой диффузии L²/a. Оно используется вместе с геометрией и граничными условиями при расчёте нагрева и охлаждения.

Опубликовано: Обновлено:

Формула

$$\mathrm{Fo}=\frac{at}{L^2}$$
График Fo и t, с
Fo в зависимости от t, сFo000,541251,082501,623752,16500t, с

a = 10⁻⁵ м²/с, L = 0,050 м. Число Фурье пропорционально времени.

Обозначения

$Fo$
число Фурье, 1
$a$
температуропроводность материала, м²/с
$t$
время после изменения условий, с
$L$
характерная длина согласно выбранному решению, м

Условия применения

Материал описывают уравнением теплопроводности с постоянной температуропроводностью. Длину L выбирают по используемому решению: например, половину толщины симметричной пластины или радиус цилиндра. Во всех сравниваемых случаях сохраняют одинаковое определение размера.

Ограничения

Равенство Fo для разных тел не гарантирует одинаковых температур без совпадения формы, начальных условий и граничных критериев, включая Bi. Большое Fo не задаёт универсального порога полного равновесия. При фазовых переходах или сильно переменных свойствах требуется более подробная модель.

Подробное объяснение

В уравнении ∂T/∂t = a∇²T производная по времени имеет масштаб 1/t, а вторая производная по координате — 1/L². Их сравнение приводит к безразмерному времени at/L². Таким образом, число Фурье отражает, насколько долго теплопроводность действовала относительно размера задачи.

При одинаковом a удвоение размера требует в четыре раза большего времени для того же Fo. Это характерное свойство диффузии: глубина распространения температурных изменений растёт примерно как √(at), а не прямо пропорционально времени. Поэтому крупные детали выравнивают температуру существенно медленнее малых.

Однако температура зависит и от того, как поверхность обменивается теплотой со средой. При слабой теплоотдаче тело может оставаться почти равномерным и остывать медленно; при сильной возникают заметные градиенты. Эту сторону описывает число Био. Fo и Bi отвечают на разные вопросы и обычно входят в решение вместе.

Число Фурье не является преобразованием Фурье. Оба термина связаны с историей теории теплопроводности, но критерий Fo — простое безразмерное отношение, тогда как преобразование является математическим инструментом представления функций.

Как пользоваться формулой

  1. Уточните геометрию и определение L в выбранной модели или таблице.
  2. Возьмите температуропроводность a в м²/с и время в секундах.
  3. Возведите L в квадрат, вычислите at/L² и запишите результат без единиц.
  4. Для поиска времени используйте t = FoL²/a.
  5. При сравнении температур сверяйте также число Био, начальные условия и форму тела.

Историческая справка

Безразмерное время Фурье связано с математической теорией распространения теплоты. Уравнение теплопроводности показало квадратичную связь характерного размера и времени, что позволило сравнивать процессы в образцах разных размеров без отдельного решения для каждого набора единиц.

При развитии инженерных методов появились таблицы и диаграммы нестационарного нагрева, где температура выражается через безразмерные координаты, время и параметры границы. Число Фурье стало удобной осью таких представлений. Его название напоминает о вкладе Жозефа Фурье в теорию теплопроводности, но само отношение at/L² следует также из анализа размерностей уравнения. Современное использование сохраняет требование явно задавать характерный размер и не отрывать критерий от граничной задачи.

Историческая линия формулы

Критерий назван в честь Жозефа Фурье и связан с масштабированием уравнения теплопроводности. Это безразмерная переменная времени, а не независимый закон температурного равновесия; конкретное значение температуры определяется решением задачи с её геометрией и границами.

Пример

Для модели задано a = 1,0 · 10⁻⁵ м²/с, L = 0,050 м и время t = 100 с. Квадрат длины L² = 0,0025 м², произведение at = 0,001 м². Следовательно, Fo = 0,001/0,0025 = 0,40. Если увеличить размер до 0,100 м при прежнем материале, для того же Fo потребуется t = 0,40 · 0,100²/10⁻⁵ = 400 с. Время возросло в четыре раза. Ответ не означает, что при Fo = 0,40 центр уже достиг температуры среды: для этого нужны условия поверхности и решение температурного поля. Расчёт устанавливает только одинаковый безразмерный момент двух геометрически подобных процессов.

Частая ошибка

Линейный размер обязательно возводят в квадрат. Нельзя использовать полную толщину вместо половины, если диаграмма определена для половины: Fo изменится в четыре раза. Температуропроводность в мм²/с требует согласования с длиной. По одному Fo без условий поверхности нельзя объявить тело полностью прогретым.

Практика

Задачи с решением

Длинный прогрев

Условие. a = 2 · 10⁻⁶ м²/с, t = 500 с, L = 0,020 м. Найдите Fo.

Решение. Fo = 2 · 10⁻⁶ · 500/0,020² = 0,001/0,0004 = 2,5.

Ответ. Fo = 2,5.

Время по критерию

Условие. Нужно Fo = 0,20 при L = 0,010 м и a = 10⁻⁶ м²/с. Найдите t.

Решение. t = 0,20 · 0,010²/10⁻⁶ = 20 с.

Ответ. 20 с.

Дополнительные источники

  • https://ocw.mit.edu/courses/16-050-thermal-energy-fall-2002/87d9f4544b7fd64a77201382500d057c_10_part3.pdf
  • https://ocw.mit.edu/courses/2-51-intermediate-heat-and-mass-transfer-fall-2008/pages/readings/

Связанные формулы

Физика

Температуропроводность вещества

$a=\frac{\lambda}{\rho c}$

Температуропроводность a характеризует скорость выравнивания температуры теплопроводностью. Она равна отношению теплопроводности λ к объёмной теплоёмкости ρc и измеряется в м²/с.

Физика

Число Био и равномерность температуры тела

$\mathrm{Bi}=\frac{hL_c}{\lambda},\qquad L_c=\frac{V}{A_s}$

Число Био сравнивает сопротивление теплопроводности внутри тела с сопротивлением теплоотдачи на его поверхности. Малое Bi позволяет приближённо считать температуру тела одинаковой по объёму.

Инженерия

Закон Фурье для теплопроводности

$q=-\lambda A\frac{dT}{dx}$

Закон Фурье для теплопроводности показывает, как получить расчетную величину из проверяемых исходных данных. Формула полезна для предварительного инженерного расчета, потому что сразу связывает результат с единицами измерения и областью применимости.