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東京大学 工学系研究科 機械工学専攻 2019年8月実施 機械工学第1部 問題1 II

Author​

祭音Myyura (Based on SN's answer refined with GPT 6 Astra)

Description​

図 1-3 に示すように,半径 rr,長さ ll の均一な材料からなる金属細線の両端に電極を接続し,電極間の金属細線の電気抵抗を測ることでその熱伝導率 λ\lambda を計測することを考える。電極間に電流 II を流し,はじめ温度 T0T_0 であった金属細線を加熱したところ,金属細線内の温度分布が定常状態になった。rr は ll に対して十分に小さいため,金属細線の半径方向の温度分布は一様であり,軸方向の温度分布 T(x)T(x) は図 1-3 の xx 軸方向の一次元熱伝導方程式で記述できる。ここで,図 1-3 のように金属細線の中央に xx 軸の原点をとる。

この金属細線のある位置における電気抵抗率を ρ\rho とすると,その位置の軸方向の微小長さ Δx\Delta x における単位時間あたりの発熱量は I2ρΔx/(πr2)I^2\rho\Delta x/(\pi r^2) で表される。ただし,熱伝導率 λ\lambda は温度に依存しない。また,電極の温度は T0T_0 に保たれており,ふく射の影響は無視する。

はじめに,ρ\rho が一定値 ρ0\rho_0 である場合を考える。以下の設問に答えよ。

図 1-3 両端の電極間にある金属細線

(1) この金属細線が真空中に置かれている場合を考える。T(x)T(x) が従う熱伝導方程式を記述せよ。また,この熱伝導方程式を解き,T(x)T(x) を求めよ。

(2) この金属細線が,バルク温度が T0T_0 の気体中に置かれている場合について考える。T(x)T(x) が従う熱伝導方程式を記述せよ。ただし,位置 xx における金属細線表面から周囲気体への熱流束は,h{T(x)−T0}h\{T(x)-T_0\} で与えられる。ここで熱伝達率 hh は一定値とする。

次に,この金属細線の電気抵抗率 ρ\rho が T(x)T(x) に依存し,式 (1) で与えられる場合を考える。

ρ(T(x))=ρ0[1+β{T(x)−T0}](1)\rho(T(x))=\rho_0[1+\beta\{T(x)-T_0\}] \tag{1}

ここで,β\beta は正の定数である。以下の設問に答えよ。

(3) この金属細線が,バルク温度が T0T_0 の気体中に置かれている場合について考える。T(x)T(x) が従う熱伝導方程式を記述せよ。ただし,位置 xx における金属細線表面から周囲気体への熱流束は,h{T(x)−T0}h\{T(x)-T_0\} で与えられる。ここで熱伝達率 hh は一定値とする。

(4) 設問 (3) で求めた熱伝導方程式を解き,T(x)T(x) を求めよ。

(5) この金属細線が真空中に置かれている場合を考える。金属細線の電極間の電気抵抗 RR は式 (2) で与えられる。

R=∫−l/2l/2ρπr2 dx(2)R=\int_{-l/2}^{l/2}\frac{\rho}{\pi r^2}\,\mathrm dx \tag{2}

(R−R0)/R0(R-R_0)/R_0 を λ\lambda の関数として表せ。ここで,R0=ρ0l/(πr2)R_0=\rho_0l/(\pi r^2) である。

题目描述​

图 1-3 中,均匀材料的金属细线半径为 rr、长度为 ll,两端接电极,拟通过测量电极间细线电阻测定导热系数 λ\lambda。通以电流 II 后,将初温 T0T_0 的细线加热至温度分布达到稳态。因 r≪lr\ll l,径向温度均匀,轴向温度 T(x)T(x) 可由一维导热方程描述。xx 轴原点在细线中央。

某位置的电阻率为 ρ\rho 时,该处轴向微元 Δx\Delta x 的单位时间发热量为 I2ρΔx/(πr2)I^2\rho\Delta x/(\pi r^2)。导热系数 λ\lambda 不随温度变化;两端电极保持 T0T_0,忽略辐射。先考虑电阻率恒为 ρ0\rho_0。

(1) 细线在真空中时,写出 T(x)T(x) 的导热方程,并解出温度分布。

(2) 细线在主体温度为 T0T_0 的气体中时,写出导热方程。位置 xx 处细线表面对周围气体的热流密度为 h{T(x)−T0}h\{T(x)-T_0\},换热系数 hh 为常数。

再考虑电阻率依赖温度,满足式 (1),其中 β\beta 为正常数。

(3) 细线置于主体温度 T0T_0 的气体中,表面对气体热流密度仍为 h{T(x)−T0}h\{T(x)-T_0\},hh 恒定。写出导热方程。

(4) 解 (3) 的导热方程,求 T(x)T(x)。

(5) 细线置于真空中,电极间电阻 RR 如式 (2)。将 (R−R0)/R0(R-R_0)/R_0 表示为 λ\lambda 的函数,其中 R0=ρ0l/(πr2)R_0=\rho_0l/(\pi r^2)。

Kai​

A=πr2A=\pi r^2、P=2πrP=2\pi r、θ=T−T0\theta=T-T_0 とおく。

(1)​

単位長さの熱収支は λAT′′+I2ρ0/A=0\lambda A T''+I^2\rho_0/A=0。両端条件から

T(x)=T0+I2ρ02λA2(l24−x2).\boxed{T(x)=T_0+\frac{I^2\rho_0}{2\lambda A^2} \left(\frac{l^2}{4}-x^2\right)}.

(2)​

λAT′′+I2ρ0A−hP(T−T0)=0.\boxed{\lambda A T''+\frac{I^2\rho_0}{A}-hP(T-T_0)=0}.

(3)​

θ′′−bθ=−a,a=I2ρ0λA2,b=hPλA−aβ,θ(±l/2)=0.\begin{gathered} \boxed{\theta''-b\theta=-a},\\ a=\frac{I^2\rho_0}{\lambda A^2},\\ b=\frac{hP}{\lambda A}-a\beta,\\ \theta(\pm l/2)=0. \end{gathered}

(4)​

対称性から奇関数の項はなく、

θ(x)={ab[1−cosh⁡(b x)cosh⁡(b l/2)],b>0,a2(l24−x2),b=0,ak2[cos⁡(kx)cos⁡(kl/2)−1],b=−k2<0.\boxed{\theta(x)= \begin{cases} \dfrac ab\left[1-\dfrac{\cosh(\sqrt b\,x)}{\cosh(\sqrt b\,l/2)}\right],&b>0,\\[6pt] \dfrac a2\left(\dfrac{l^2}4-x^2\right),&b=0,\\[6pt] \dfrac a{k^2}\left[\dfrac{\cos(kx)}{\cos(kl/2)}-1\right],&b=-k^2<0. \end{cases}}

b<0b<0 の物理的な安定定常解には kl<πkl<\pi が必要である。

(5)​

真空では h=0h=0 より k=Iρ0β/λ/Ak=I\sqrt{\rho_0\beta/\lambda}/A。したがって

RR0=1l∫−l/2l/2[1+βθ(x)] dx=tan⁡(kl/2)kl/2.\frac R{R_0}=\frac1l\int_{-l/2}^{l/2}[1+\beta\theta(x)]\,dx =\frac{\tan(kl/2)}{kl/2}.
R−R0R0=tan⁡(Il2πr2ρ0βλ)Il2πr2ρ0βλ−1.\boxed{\frac{R-R_0}{R_0} =\frac{\tan\left(\dfrac{Il}{2\pi r^2}\sqrt{\dfrac{\rho_0\beta}{\lambda}}\right)} {\dfrac{Il}{2\pi r^2}\sqrt{\dfrac{\rho_0\beta}{\lambda}}}-1}.

Reference​