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 r r r ,長さ l l l 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 λ を計測することを考える。電極間に電流 I I I を流し,はじめ温度 T 0 T_0 T 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。r r r は l l l 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) T ( x ) は図 1-3 の x x x 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 x x x 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 ρ とすると,その位置の軸方向の微小長さ Δ x \Delta x Δ x における単位時間あたりの発熱量は I 2 ρ Δ x / ( π r 2 ) I^2\rho\Delta x/(\pi r^2) I 2 ρ Δ x / ( π r 2 ) で表される。ただし,熱伝導率 λ \lambda λ は温度に依存しない。また,電極の温度は T 0 T_0 T 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 ρ が一定値 ρ 0 \rho_0 ρ 0 である場合を考える。以下の設問に答えよ。
(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) 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) T ( x ) を求めよ。
(2) この金属細線が,バルク温度が T 0 T_0 T 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) T ( x ) が従う熱伝導方程式を記述せよ。ただし,位置 x x x 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 ) − T 0 } h\{T(x)-T_0\} h { T ( x ) − T 0 } で与えられる。ここで熱伝達率 h h h は一定値とする。
次に,この金属細線の電気抵抗率 ρ \rho ρ が T ( x ) 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 ) ) = ρ 0 [ 1 + β { T ( x ) − T 0 } ] (1) \rho(T(x))=\rho_0[1+\beta\{T(x)-T_0\}]
\tag{1} ρ ( T ( x )) = ρ 0 [ 1 + β { T ( x ) − T 0 }] ( 1 )
ここで,β \beta β 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 T 0 T_0 T 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) T ( x ) が従う熱伝導方程式を記述せよ。ただし,位置 x x x 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 ) − T 0 } h\{T(x)-T_0\} h { T ( x ) − T 0 } で与えられる。ここで熱伝達率 h h h 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) 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 R R R は式 (2) で与えられる。
R = ∫ − l / 2 l / 2 ρ π r 2 d x (2) R=\int_{-l/2}^{l/2}\frac{\rho}{\pi r^2}\,\mathrm dx
\tag{2} R = ∫ − l /2 l /2 π r 2 ρ d x ( 2 )
( R − R 0 ) / R 0 (R-R_0)/R_0 ( R − R 0 ) / R 0 を λ \lambda λ の関数として表せ。ここで,R 0 = ρ 0 l / ( π r 2 ) R_0=\rho_0l/(\pi r^2) R 0 = ρ 0 l / ( π 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 r r r 、长度为 l l l ,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 λ 。通以电流 I I I 后,将初温 T 0 T_0 T 0 的细线加热至温度分布达到稳态。因 r ≪ l r\ll l r ≪ l ,径向温度均匀,轴向温度 T ( x ) T(x) T ( x ) 可由一维导热方程描述。x x x 轴原点在细线中央。
某位置的电阻率为 ρ \rho ρ 时,该处轴向微元 Δ x \Delta x Δ x 的单位时间发热量为 I 2 ρ Δ x / ( π r 2 ) I^2\rho\Delta x/(\pi r^2) I 2 ρ Δ x / ( π r 2 ) 。导热系数 λ \lambda λ 不随温度变化;两端电极保持 T 0 T_0 T 0 ,忽略辐射。先考虑电阻率恒为 ρ 0 \rho_0 ρ 0 。
(1) 细线在真空中时,写出 T ( x ) 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 T 0 T_0 T 0 的气体中时,写出导热方程。位置 x x x 处细线表面对周围气体的热流密度为 h { T ( x ) − T 0 } h\{T(x)-T_0\} h { T ( x ) − T 0 } ,换热系数 h h h 为常数。
再考虑电阻率依赖温度,满足式 (1),其中 β \beta β 为正常数。
(3) 细线置于主体温度 T 0 T_0 T 0 的气体中,表面对气体热流密度仍为 h { T ( x ) − T 0 } h\{T(x)-T_0\} h { T ( x ) − T 0 } ,h h h 恒定。写出导热方程。
(4) 解 (3) 的导热方程,求 T ( x ) T(x) T ( x ) 。
(5) 细线置于真空中,电极间电阻 R R R 如式 (2)。将 ( R − R 0 ) / R 0 (R-R_0)/R_0 ( R − R 0 ) / R 0 表示为 λ \lambda λ 的函数,其中 R 0 = ρ 0 l / ( π r 2 ) R_0=\rho_0l/(\pi r^2) R 0 = ρ 0 l / ( π r 2 ) 。
Kai
A = π r 2 A=\pi r^2 A = π r 2 、P = 2 π r P=2\pi r P = 2 π r 、θ = T − T 0 \theta=T-T_0 θ = T − T 0 とおく。
(1)
単位長さの熱収支は λ A T ′ ′ + I 2 ρ 0 / A = 0 \lambda A T''+I^2\rho_0/A=0 λ A T ′′ + I 2 ρ 0 / A = 0 。両端条件から
T ( x ) = T 0 + I 2 ρ 0 2 λ A 2 ( l 2 4 − x 2 ) . \boxed{T(x)=T_0+\frac{I^2\rho_0}{2\lambda A^2}
\left(\frac{l^2}{4}-x^2\right)}. T ( x ) = T 0 + 2 λ A 2 I 2 ρ 0 ( 4 l 2 − x 2 ) .
(2)
λ A T ′ ′ + I 2 ρ 0 A − h P ( T − T 0 ) = 0 . \boxed{\lambda A T''+\frac{I^2\rho_0}{A}-hP(T-T_0)=0}. λ A T ′′ + A I 2 ρ 0 − h P ( T − T 0 ) = 0 .
(3)
θ ′ ′ − b θ = − a , a = I 2 ρ 0 λ A 2 , b = h P λ A − a β , 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} θ ′′ − b θ = − a , a = λ A 2 I 2 ρ 0 , b = λ A h P − a β , θ ( ± l /2 ) = 0.
(4)
対称性から奇関数の項はなく、
θ ( x ) = { a b [ 1 − cosh ( b x ) cosh ( b l / 2 ) ] , b > 0 , a 2 ( l 2 4 − x 2 ) , b = 0 , a k 2 [ cos ( k x ) cos ( k l / 2 ) − 1 ] , b = − k 2 < 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}} θ ( x ) = ⎩ ⎨ ⎧ b a [ 1 − cosh ( b l /2 ) cosh ( b x ) ] , 2 a ( 4 l 2 − x 2 ) , k 2 a [ cos ( k l /2 ) cos ( k x ) − 1 ] , b > 0 , b = 0 , b = − k 2 < 0.
b < 0 b<0 b < 0 の物理的な安定定常解には k l < π kl<\pi k l < π が必要である。
(5)
真空では h = 0 h=0 h = 0 より k = I ρ 0 β / λ / A k=I\sqrt{\rho_0\beta/\lambda}/A k = I ρ 0 β / λ / A 。したがって
R R 0 = 1 l ∫ − l / 2 l / 2 [ 1 + β θ ( x ) ] d x = tan ( k l / 2 ) k l / 2 . \frac R{R_0}=\frac1l\int_{-l/2}^{l/2}[1+\beta\theta(x)]\,dx
=\frac{\tan(kl/2)}{kl/2}. R 0 R = l 1 ∫ − l /2 l /2 [ 1 + βθ ( x )] d x = k l /2 tan ( k l /2 ) .
R − R 0 R 0 = tan ( I l 2 π r 2 ρ 0 β λ ) I l 2 π r 2 ρ 0 β λ − 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}. R 0 R − R 0 = 2 π r 2 I l λ ρ 0 β tan ( 2 π r 2 I l λ ρ 0 β ) − 1 .
Reference