Diferencia entre revisiones de «Ecuación del calor (Grupo CJMAS)»
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Revisión del 13:55 19 mar 2025
| Trabajo realizado por estudiantes | |
|---|---|
| Título |
Ecuación del calor en el océano (Grupo CJMAS). |
| Asignatura | EDP |
| Curso | 2024-25 |
| Autores | Claudia Domínguez Sánchez
Javier Martínez Saiz Marta De Miguel Prieto Analía Olivero Betancor Sofía de Benito Valdueza |
| Este artículo ha sido escrito por estudiantes como parte de su evaluación en la asignatura | |
Contenido
1 Introducción
La difusión del calor en el océano es un proceso clave ya que define la distribución térmica en las masas de agua y su interacción con la atmósfera. En este trabajo, utilizamos la ecuación del calor con el objetivo de comprender cómo el calor se transfiere en el océano bajo diferentes condiciones como son la densidad, difusividad y conductividad del agua.
2 Modelización de la transferencia de calor en el océano profundo
2.1 Planteamiento
Consideremos una porción de la Tierra de longitud [math]L[/math], en la cual distinguimos regiones diferenciadas. En el extremo izquierdo, la superficie está en contacto con la atmósfera, donde la temperatura varía debido a la radiación solar y la influencia de la temperatura ambiental. A continuación, nos adentramos en el océano profundo, donde la temperatura varía principalmente por la difusión térmica.
Aplicando la ley de Fourier de conducción térmica tenemos que la ecuación de transmisión del calor en el océano es la siguiente:
donde [math]\alpha[/math] es la constante que representa la difusividad del agua.
En la superficie ([math] x=0 [/math]) la temperatura del océano está influenciada por la temperatura del ambiente luego la condición en de esta frontera quedaría determinada por:
donde [math]h[/math] representa el coeficiente de transferencia del calor y [math]k[/math] la conductividad térmica.
En cambio, en el extremo opuesto, consideramos que su flujo es nulo.
Para establecer la condición inicial suponemos una situación ideal de equilibrio en el océano, por lo que podemos expresar la temperatura en el instante inicial como constante,
2.2 Solución
2.2.1 Solución estacionaria
Para tiempos muy grandes, \(t \to \infty \), la temperatura en el océano alcanza un estado estacionario donde \( u_t(x,t) \to 0 \). En este caso, la solución estacionaria está dada por:
Es decir, a largo plazo, la temperatura del océano se iguala a la temperatura ambiente.
2.2.2 Solución mediante separación de variables
La solución general del problema, resuelta mediante separación de variables, es
con [math]\lambda_n=\alpha \beta_n^2 [/math], dónde [math]\beta_n[/math] cumple que [math]\tan(L \beta )=\frac{h}{k \beta}[/math]. En cuanto a los coeficientes de Fourier,
[math]A_n= \frac{2(u_{amb}-u_0)}{L\sqrt{\frac{\lambda_n}{\alpha}}} \sin\left(\sqrt{\frac{\lambda_n}{\alpha}}L\right) [/math]
[math]B_n= 0 [/math]
De este modo, la solución quedaría como:
3 Códigos
Mediante la implementación del siguiente código, conseguimos representar la evolución de la temperatura del océano a lo largo del espacio y tiempo bajo la influencia de la temperatura ambiente. Tomando x=0 como el fondo y x=1 como la superficie, tenemos que en x=1 se alcanzan los máximos valores de temperatura y que decrece con el tiempo.
En el siguiente código se ha buscado representar la evolución de la temperatura del océano cuando el tiempo tiende a infinito, lo que lleva a que la temperatura de océano tome el mismo valor que la temperatura ambiente, es decir, la solución estacionaria:
3.1 Conclusión
El mapa de calor proporciona otra perspectiva de cómo la temperatura converge en tiempo hacia la temperatura ambiente, es decir, la solución estacionaria de la EDP. La interpretación física de esto reside en el hecho de considerar la temperatura ambiente como una fuente de calor inalterable, de forma que la transferencia de calor ocurre del ambiente a nuestro medio, hasta llegar a la solución estacionaria, donde las derivadas parciales respecto a tiempo y posición son cero. Al cambiar los parámetros anteriormente detallados de la EDP, la forma de la solución cambia. Modificando [math]\alpha[/math]