W21. Температурные волны в твердых телах

Автор – В. В. Савенко.  Дата публикации – 24.02.2019.

Температурными волнами называют процессы распространения периодических температурных возмущений. Возмущения могут изменяться во времени по разным законам, из которых чаще рассматривают гармоническое изменение. Основные сведения о распространении температурных волн в твердых телах сводятся к следующему.

Гармонические температурные колебания среды (например, воздуха) распространяются в твердое тело, находящееся в этой среде. На всем пути распространения колебаний они являются гармоническими с неизменной частотой. На поверхности тела амплитуда колебаний уменьшается и происходит сдвиг колебаний по времени (по фазе). С распространением в глубину тела амплитуда колебаний продолжает уменьшаться, а сдвиг по времени продолжает увеличиваться.

Параметры колебаний зависят от начальных условий, но со временем это влияние уменьшается и с некоторого момента его можно не учитывать, считая процесс квазистационарным. Для таких процессов имеющиеся аналитические решения являются более простыми. Из таких решений наиболее простой вид имеет аналитическое решение для полуограниченного тела (бесконечное тело, ограниченное плоскостью) при граничном условии первого рода. Именно это решение чаще всего приводят в литературе и используют для демонстрации особенностей изменения параметров. По этому решению построены графики изменения параметров волны в поверхностном слое земли. На рисунке приведено изменение относительной амплитуды колебаний по глубине распространения волны.изменение амплитуды колебаний температуры по глубине тела

После ознакомления с основными сведениями о температурных волнах, которые приводят в учебной и справочной литературе, остаются некоторые неясности, вопросы, которые не затронуты совсем или противоречиво изложены. В связи с этим далее сделана попытка прояснить некоторые из таких вопросов понятийного характера.

Отмечено, что фазу колебаний следует считать самостоятельным параметром процесса колебаний. Тогда для скорости температурной волны можно получить четыре варианта величин, из них для скорости волны подходят два варианта, из которых выбрали фазовую скорость. Приведены величины этих скоростей для некоторых твердых тел.

Рассмотрены некоторые неточности, допущенные в литературе при определении длины волны, приведены предложения по их устранению.

В некоторой литературе указывают, что температурные волны, в отличие от других волн, не переносят энергию. Для прояснения этого вопроса рассмотрены известные зависимости, построены графики, из которых видны особенности изменения различных параметров. Рассмотрение этих особенностей приводит к выводу, что температурная волна переносит энергию с той особенностью, что один раз за период колебаний направление переноса изменяется на противоположное.

Для неограниченного тела имеется также аналитическое решение по температурным волнам при граничном условии третьего рода. Это решение тоже более простое, чем для других тел. Более простые решения для полуограниченного тела в некоторых случаях можно использовать для реальных тел (например, для пластин), но с разной степенью приближения к действительным процессам.

………………………..Полный текст

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *