1.2. Поле потенциала. Градиент потенциала

Под потенциалом понимают любую величину, неоднородность которой в пространстве приводит к микроскопическому переносу соответствующей субстанции. Весьма часто его выбирают, исходя из соображений удобства. Например, в случае теплопроводности неоднородными в пространстве будут температура, удельная внутренняя энергия и удельная энтальпия. Однако в качестве потенциала выбирают температуру, поскольку она как функция координат не претерпевает разрыва непрерывности на границе, например, разнородных материалов. Тогда как удельные внутренняя энергия и энтальпия на этой границе как функции координат имеют разрыв непрерывности.

Под полем потенциала понимают совокупность значений потенциала во всех точках изучаемой области для любого момента времени. Если в качестве потенциала выбирают температуру, концентрацию компонента смеси, скорость течения жидкости и т.д., то соответственно речь идет о поле температур, поле концентраций, поле скоростей и т.д. Геометрическое место точек одинаковых потенциалов в потенциальном поле образует изопотенциальные поверхности. Например, в температурном поле ими являются изотермические поверхности. Изопотенциальные поверхности не могут пересекаться. В противном случае в точках пересечения имело бы место несколько потенциалов, что физически абсурдно. Различают нестационарные и стационарные поля потенциалов. Если поле зависит от времени, оно нестационарное. Например, нестационарные поля температур и скоростей течения жидкости в декартовой системе координат имеют вид

T = T(x,y,z,),

как видно, одно из полей скалярное, а другое векторное.

Соответственно стационарные поля можно записать в виде

;

Различают трехмерные, двухмерные и одномерные соответственно нестационарные или стационарные поля потенциалов. Выше представлены соответственно нестационарные и стационарные трехмерные поля температур и скоростей, так как под знаком функции присутствуют три координаты. Например, нестационарные одномерные поля температур и скоростей течения жидкости в декартовой системе координат имеют вид

Соответственно стационарные одномерные поля можно записать в виде

Как видно, стационарность или одномерность поля определяются не только отсутствием времени или соответствующих координат под знаком функции, но и, что важно, равенством нулю частной производной от полей по времени и по соответствующим координатам.

Рассмотрим частный случай двумерного поля потенциала: двумерное температурное поле. На рис. 1.1 представлены три изотермические линии: T-T, T и T+T.

Выберем на изотермической линии Т точку А и проведем из нее нормаль к этой линии . Обозначим расстояние между изотермами Т и Т + Т через n. Градиентом температуры называется предел отношения

, (1.5)

где – единичный вектор нормали.

Error: Reference source not foundError: Reference source not found

Спроектируем градиент температуры на координатные оси

,

,

Тогда градиент температуры можно записать в виде

. (1.6)

Соответственно модуль градиента температуры равен

(1.7)

Температура – скалярная величина, а градиент температуры – векторная величина. Градиент скорости (векторной величины) является тензором второго ранга, у которого, в отличие от вектора, девять компонентов в проекциях на координатные оси.