熱傳導方程式

熱傳導方程式(或稱熱方程式)是一個重要的偏微分方程式,它描述一個區域內的溫度如何隨時間變化。

物理機制

 
一維熱方程式圖解(觀看動畫版

熱傳導在三維的各向同性介質裏的傳播可用以下方程式表達:

 

其中:

  • u =u(t, x, y, z)表溫度,它是時間變數t與空間變數(x,y,z)的函數。
  •  / 是空間中一點的溫度對時間的變化率。
  •  ,   溫度對三個空間座標軸的二次導數。
  • k熱擴散率,決定於材料的熱導率密度熱容

熱方程式是傅立葉冷卻律的一個推論(詳見條目熱傳導)。

如果考慮的介質不是整個空間,則為了得到方程式的唯一解,必須指定u的邊界條件。如果介質是整個空間,為了得到唯一性,必須假定解的增長速度有個指數型的上界,此假定吻合實驗結果。

熱方程式的解具有將初始溫度平滑化的特質,這代表熱從高溫處向低溫處傳播。一般而言,許多不同的初始狀態會趨向同一個穩態(熱平衡)。因此我們很難從現存的熱分佈反解初始狀態,即使對極短的時間間隔也一樣。

熱方程式也是拋物線偏微分方程式最簡單的例子。

利用拉普拉斯算子,熱方程式可推廣為下述形式

 

其中的 是對空間變數的拉普拉斯算子。

熱方程式支配熱傳導及其它擴散過程,諸如粒子擴散或神經細胞的動作電勢

就技術上來說,熱方程式違背狹義相對論,因為它的解表達一個「擾動可以在瞬間傳播至空間各處」的情況。擾動在前方光錐外的影響通常可忽略不計,但是若要為熱傳導推出一個合理的速度,則須轉而考慮一個雙曲線型偏微分方程式。

以傅立葉級數解熱方程式

 
在理想狀態下一根棍子的熱傳導,配上均勻的邊界條件。

以下解法首先由約瑟夫·傅立葉在他於1822年出版的著作Théorie analytique de la chaleur(中譯:解析熱學)給出。先考慮只有一個空間變數的熱方程式,這可以當作棍子的熱傳導之模型。方程式如下:

 

其中u = u(t, x)是tx的雙變數函數。

  • x是空間變數,所以x ∈ [0,L],其中L表示棍子長度。
  • t是時間變數,所以t ≥ 0。

假設下述初始條件

 

其中函數f是給定的。再配合下述邊界條件

 .

讓我們試着找一個非恆等於零的解,使之滿足邊界條件(3)並具備以下形式:

 

這套技術稱作分離變數法。現在將u代回方程式(1),

 

由於等式右邊只依賴x,而左邊只依賴t,兩邊都等於某個常數− λ,於是:

 
 

以下將證明(6)沒有λ ≤ 0的解:

假設λ < 0,則存在實數BC使得

 

從(3)得到

 

於是有B = 0 = C,這蘊含u恆等於零。

假設λ = 0,則存在實數BC使得

 

仿上述辦法可從等式(3)推出u恆等於零。

因此必然有λ > 0,此時存在實數ABC使得

 
 

從等式(3)可知C = 0,因此存在正整數n使得

 

由此得到熱方程式形如(4)的解。

一般而言,滿足(1)與(3)的解相加後仍是滿足(1)與(3)的解。事實上可以證明滿足(1)、(2)、(3)的解由下述公式給出:

 

其中

 

推廣求解技巧

上面採用的方法可以推廣到許多不同方程式。想法是:在適當的函數空間上,算子 可以用它的特徵向量表示。這就自然地導向線性自伴算子譜理論

考慮線性算子Δ u = ux x,以下函數序列

 n ≥ 1)

是Δ的特徵向量。誠然:

 

此外,任何滿足邊界條件f(0)=f(L)=0的Δ的特徵向量都是某個en。令L2(0, L)表 [0, L]上全體平方可積函數向量空間。這些函數en構成L2(0, L)的一組正交歸一基。更明白地說:

 

最後,序列{en}nN張出L2(0, L)的一個稠密的線性子空間。這就表明我們實際上已將算子Δ 對角化

非均勻不等向介質中的熱傳導

一般而言,熱傳導的研究奠基於以下幾個原理。首先注意到熱流是能量流的一種形式,因此可以談論單位時間內流進空間中一塊區域的熱量。

  • 單位時間內流入區域 V的熱量由一個依賴於時間的量qt(V)給出。假設q有個密度Q(t,x),於是
 
  • 熱流是個依賴於時間的向量函數H(x),其刻劃如下:單位時間內流經一個面積為dS而單位法向量為n的無窮小曲面元素的熱量是
 

因此單位時間內進入V的熱流量也由以下的面積分給出

 

其中n(x)是在x點的向外單位法向量。

 
其中A(x)是個3×3實對稱正定矩陣

利用格林定理可將之前的面積分轉成一個體積分

 
 
 
  • 溫度在x點對時間的改變率與流進x點所在的無窮小區域的熱量成正比,此比例常數與時間無關,而可能與空間有關,寫作κ(x)。
 

將以上所有等式合併,便獲得支配熱流的一般公式。

 

註記

  • 系數κ(x)是該材料在x點的密度比熱的積的倒數。
  • 在等方向性介質的情況,矩陣A只是個純量,等於材料的導熱率。
  • 在非等向的情況,A不一定是純量,我們鮮少能明確寫出熱方程式的解。然而通常可考慮相應的抽象柯西問題,證明它是適定的,並(或)導出若干定性結果(諸如初始值保持正性、無窮傳播速度、收斂至平衡態或一些平滑化性質)。這些論證通常有賴於單參數半群理論:舉例來說,如果A是個對稱矩陣,那麼由
 
定義的橢圓算子是自伴而且耗散的,因此由譜定理導出它生成一個單參數半群。

粒子擴散

粒子擴散方程式

在粒子擴散的模型中,我們考慮的方程式涉及

  • 在大量粒子集體擴散的情況:粒子的體積濃度,記作c。或者
  • 在單一粒子的情況:單一粒子對位置的機率密度函數,記作P

不同情況下的方程式:

 

或者

 

cP都是位置與時間的函數。D是擴散系數,它控制擴散速度,通常以公尺/秒為單位。

如果擴散系數D依賴於濃度c(或第二種情況下的機率密度P),則我們得到非線性擴散方程式

單一粒子在粒子擴散方程式下的隨機軌跡是個布朗運動

如果一個粒子在時間 時置於 ,則相應的機率密度函數具有以下形式:

 

它與機率密度函數的各分量   的關係是:

 

隨機變數 服從平均數為0、變異數為 正態分佈。在三維的情形,隨機向量 服從平均數為 、變異數為 的正態分佈。

t=0時,上述 的表示式帶有奇異點。對應於粒子處在原點之初始條件,其機率密度函數是在原點的狄拉克δ函數,記為 (三維的推廣是 );擴散方程式對此初始值的解也稱作格林函數

擴散方程式的歷史源流

粒子擴散方程式首先由Adolf Fick於1855年導得。

以格林函數解擴散方程式

格林函數是擴散方程式在粒子位置已知時的解(數學家稱之為擴散方程式的基本解)。當粒子初始位置在原點 時,相應的格林函數記作 t>0);根據擴散方程式對平移的對稱性,對一般的已知初始位置 ,相應的格林函數是 

對於一般的初始條件,擴散方程式的解可以透過積分分解為一族格林函數的疊加

舉例來說,設t=0時有一大群粒子,根據濃度分佈的初始值 分佈於空間中。擴散方程式的解將告訴我們濃度分佈如何隨時間演化。

跟任何(廣義)函數一樣,濃度分佈的初始值可以透過積分表為狄拉克δ函數的疊加:

 

擴散方程式是線性的,因此在之後的任一時刻t,濃度分佈變為:

 

在粒子擴散的情形,我們可以將狄拉克δ函數對應的初始條件理解為粒子落在一個已知位置。一般而言,任何擴散過程的解都有這種表法,包括熱傳導或動量的擴散;後者關係到流體的黏性現象。

一維格林函數解列表

以下以簡寫BC代表邊界條件,IC代表初始條件。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

(可能的問題:根據上解,u(0)=0)

 
 
 
 
 
 

其他應用領域

熱傳導方程式在許多隨機過程數學模型中出現,諸如布萊克-斯科爾斯模型奧恩斯坦-烏倫貝克過程。在金融數學,1973年發表的布萊克-斯科爾斯模型作為期權定價模型,當中的差分方程式可以轉成熱傳導方程式,並從此導出較簡單的。許多簡單期權的延伸模型沒有解析解,因此必須以數值方法計算模型給出的定價。熱傳導方程式可以用克蘭克-尼科爾森方法有效地求數值解,此方法也可用於許多無解析解的模型(詳見文獻Wilmott,1995)。

熱傳導方程式及其非線性的推廣型式也被應用於圖像分析

量子力學中的薛定諤方程式雖然有類似熱傳導方程式的數學公式(但時間參數為 虛數單位),本質卻不是擴散問題,解的定性行為也完全不同。

熱傳導方程式在流形上的推廣是處理阿蒂亞-辛格指標定理的主要工具之一,由此也導向熱傳導方程式在黎曼幾何中有許多應用。

參見

文獻

  • Einstein, A. "Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen." Ann. Phys. 17, 549, 1905. [1]頁面存檔備份,存於互聯網檔案館
  • Wilmott P., Howison S., Dewynne J. (1995)The Mathematics of Financial Derivatives:A Student Introduction. Cambridge University Press.
  • L.C. Evans, Partial Differential Equations, American Mathematical Society, Providence, 1998. ISBN 0-8218-0772-2.

外部連結