TRANSFERTS THERMIQUES - corrigé des exercices


A. EXERCICES DE BASE

Diffusion de neutrons ; stabilité d'un réacteur

1.      
• Si les neutrons se déplacent (en moyenne) à la vitesse vv et s'ils parcourent (en moyenne) la distance λλ avant d'être absorbés, alors la durée moyenne de ce parcours est :  τ≈λv\displaystyle τ≈\frac{λ}{v}  (bien que, selon la répartition des vitesses, la moyenne du quotient soit plus ou moins différente du quotient des moyennes).
• Si la densité volumique des neutrons est 𝓃𝓃 et s'ils sont absorbés après une durée ττ , alors le nombre d'absorptions par unité de volume dans la durée ττ est 𝓃𝓃 . Par conséquent, le nombre d'absorptions par unité de volume et par unité de temps est (en moyenne) :  C=𝓃τ=𝓃vλ\displaystyle C=\frac{𝓃}{τ}=\frac{𝓃 \:v}{λ} .


2.      
• Compte tenu des créations et des absorptions de neutrons, ainsi que de la diffusion, le bilan d'évolution de 𝓃𝓃 (invariant en yy et zz ) peut s'écrire sous la forme :  ∂𝓃∂t=S−C−∂j𝓃∂x=S−C+D∂2𝓃∂x2\displaystyle \frac{∂𝓃}{∂t}=S-C-\frac{∂j_𝓃}{∂x}=S-C+D \: \frac{∂^2 𝓃}{∂x^2}  où DD est le coefficient de diffusion.


3.      
• Dans un milieu sans source de neutrons  ( S=0S=0 ),  limité au demi-espace  x>0x>0  avec une source de neutrons en  x=0x=0  délivrant N0N_0 neutrons par unité de surface et par unité de temps, l'équation précédente s'écrit :  ∂𝓃∂t=−C+D∂2𝓃∂x2\displaystyle \frac{∂𝓃}{∂t}=-C+D\: \frac{∂^2 𝓃}{∂x^2}  .
• En régime stationnaire on obtient donc :  0=−C+D∂2𝓃∂x2\displaystyle 0=-C+D \: \frac{∂^2 𝓃}{∂x^2}  ;  ceci peut s'écrire (puisque 𝓃𝓃 ne dépend pas du temps) :  d2𝓃dx2=CD=1Dτ𝓃\displaystyle \frac{d^2 𝓃}{dx^2} =\frac{C}{D}=\frac{1}{D \:τ} \, 𝓃  ou encore :  d2𝓃dx2−α2𝓃=0\displaystyle \frac{d^2 𝓃}{dx^2} -α^2 \: 𝓃=0  en posant  α=1Dτ=vλD\displaystyle α=\frac{1}{\sqrt{D \:τ}}=\sqrt{\frac{v}{λ \:D}} .  Les solutions sont de la forme :  𝓃(x)=Aeαx+Be−αx𝓃(x)=A \:\mathrm{e}^{αx}+B \:\mathrm{e}^{-αx}  où AA et BB sont deux constantes d'intégration imposées par les conditions aux limites.
• Compte tenu de l'invariance en yy et zz , le vecteur densité de courant de particules est parallèle à OxOx et tel que :  j𝓃=−D∂𝓃∂x=−αDAeαx+αDBe−αx\displaystyle j_𝓃=-D \: \frac{∂𝓃}{∂x}=-α \:D \:A \;\mathrm{e}^{αx}+α \:D \:B \;\mathrm{e}^{-αx} .  Le terme  AeαxA\: \mathrm{e}^{αx}  ne correspond donc pas à une bonne solution physique : il décrit un flux de particules (amorti par l'absorption) diffusant vers les  x<0x<0  ;  or la source de N0N_0 ne peut générer des neutrons que vers les  x>0x>0 .  La solution est donc de la forme :  𝓃(x)=Be−αx𝓃(x)=B \:\mathrm{e}^{-αx} .
• La densité de courant de particules est alors :  j𝓃=αDBe−αxj_𝓃=α \:D \:B \;\mathrm{e}^{-αx}  ;  en particulier :  j𝓃(0)=αDB=N0j_𝓃 (0)=α \:D \:B=N_0 .  On en déduit :  B=N0αD\displaystyle B=\frac{N_0}{α \:D}  et finalement :  𝓃(x)=N0αDe−αx\displaystyle 𝓃(x)=\frac{N_0}{α \:D} \: \mathrm{e}^{-αx} .


4.      
• Si chaque absorption libère KK neutrons, alors :  S=KCS=K \:C ,  c'est-à-dire :  S(x)=Kτ𝓃(x)\displaystyle S(x)=\frac{K}{τ} \, 𝓃(x) .
• Dans ces conditions, l'équation vérifiée par 𝓃𝓃 peut s'écrire :  ∂𝓃∂t=K−1τ𝓃+D∂2𝓃∂x2\displaystyle \frac{∂𝓃}{∂t}=\frac{K-1}{τ} \, 𝓃+D \: \frac{∂^2 𝓃}{∂x^2}  ;  en régime stationnaire :  ∂2𝓃∂x2+K−1Dτ𝓃=0\displaystyle \frac{∂^2 𝓃}{∂x^2} +\frac{K-1}{D \:τ} \, 𝓃=0 .


5.a.   
• L'équation peut s'écrire :  ∂2𝓃∂x2−β2𝓃=0\displaystyle \frac{∂^2 𝓃}{∂x^2} -β^2 \: 𝓃=0  en posant  β=1−KDτ\displaystyle β=\sqrt{\frac{1-K}{D \:τ}} .
• Pour  K<1K<1  les solution sont de la forme :  𝓃(x)=Aeβx+Be−βx𝓃(x)=A \;\mathrm{e}^{βx}+B \;\mathrm{e}^{-βx}  où la symétrie des conditions aux limites impose  B=AB=A ,  c'est à dlre :  𝓃(x)=A.(eβx+e−βx)=2Acosh(βx)𝓃(x)=A .\left(\mathrm{e}^{βx}+\mathrm{e}^{-βx} \right)=2 \,A \; \cosh(β \:x) .  Or, ce type de solution ne peut pas s'annuler pour  x=±a2\displaystyle x=±\frac{a}{2}  (sauf si  A=0A=0 ,  mais cela n'est pas une solution acceptable) ; donc l'existence d'un régime stable est incompatible avec la condition  K<1K<1 .
• Pour  K=1K=1  on peut écrire :  ∂2𝓃∂x2=0\displaystyle \frac{∂^2 𝓃}{∂x^2} =0 .  Mais les solution sont de la forme :  𝓃(x)=Ax+B𝓃(x)=A \:x+B  où la symétrie des conditions aux limites impose  A=0A=0 ,  c'est-à-dire :  𝓃(x)=B𝓃(x)=B .  Or, ce type de solution ne peut pas s'annuler pour  x=±a2\displaystyle x=±\frac{a}{2}  (sauf si  B=0B=0 ,  mais cela n'est pas une solution acceptable) ; donc l'existence d'un régime stable est incompatible avec la condition  K=1K=1 .


5.b.   
• Pour  K>1K>1  on peut écrire :  ∂2𝓃∂x2+β2𝓃=0\displaystyle \frac{∂^2 𝓃}{∂x^2} +β^2 \: 𝓃=0  en posant ici  β=K−1Dτ\displaystyle β=\sqrt{\frac{K-1}{D \:τ}} .  Les solution sont de la forme :  𝓃(x)=Acos(βx)+Bsin(βx)𝓃(x)=A \; \cos(βx)+B \; \sin(βx)  où la symétrie des conditions aux limites impose  B=0B=0 ,  c'est à dire :  𝓃(x)=Acos(βx)𝓃(x)=A \; \cos(βx) .  Or, ce type de solution ne peut s'annuler pour  x=±a2\displaystyle x=±\frac{a}{2}   que si   βa=πβ \,a=π  (les autres solutions ne sont pas acceptables car il faut  𝓃≥0𝓃≥0 ).
• La condition pour que le réacteur atteigne effectivement un régime stable (régime “critique”) peut donc s'écrire :  K=1+Dτ.(πa)2\displaystyle K=1+D \:τ.\left(\frac{π}{a}\right)^2 .
• La répartition est alors de la forme :  𝓃(x)=𝓃(0)cos(βx)𝓃(x)=𝓃(0) \; \cos(βx) ,  déterminée uniquement par les conditions (dépendant du temps) dans lesquelles le régime stable a été établi progressivement (en pratique : on relève progressivement des barreaux absorbants, pour laisser progressivement augmenter les réactions nucléaires; l'enfoncement plus ou moins important des barreaux absorbants permet de contrôler en permanence l'importance des réactions).


Diffusion et marche au hasard ; problème à une dimension

1.      
• Pour l'expression indiquée :  ∂𝓃∂t=x2−2Dt4Dt2N04πDtexp(−x24Dt)\displaystyle \frac{∂𝓃}{∂t}=\frac{x^2-2 \,D \:t}{4 \,D \:t^2} \, \frac{N_0}{\sqrt{4π \:D \:t}} \; \exp\left(-\frac{x^2}{4 \,D \:t}\right)  ;
∂𝓃∂x=−2x4DtN04πDtexp(−x24Dt)\displaystyle \frac{∂𝓃}{∂x}=-\frac{2 \,x}{4 \,D \:t} \, \frac{N_0}{\sqrt{4π \:D \:t}} \; \exp\left(-\frac{x^2}{4 \,D \:t}\right)  ;  ∂2𝓃∂x2=x2−2Dt4D2t2N04πDtexp(−x24Dt)=1D∂𝓃∂t\displaystyle \frac{∂^2 𝓃}{∂x^2}=\frac{x^2-2 \,D \:t}{4 \,D^2 \: t^2} \, \frac{N_0}{\sqrt{4π \:D \:t}} \; \exp\left(-\frac{x^2}{4 \,D \:t}\right)=\frac{1}{D} \, \frac{∂𝓃}{∂t} .


2.a.   
• Pour l'expression indiquée, avec  α=14Dt\displaystyle α=\frac{1}{4 \,D \:t} :  N=N0πα∫−∞∞exp(−αx2)dx=2N0παπ4α=N0α\displaystyle N=\frac{N_0}{\sqrt{π \:α}} \, {\textstyle ∫_{-∞}^∞ }\, \exp(-α \:x^2 ) \; dx=2 \, \frac{N_0}{\sqrt{π \:α}} \: \sqrt{\frac{π}{4 \,α}}=\frac{N_0}{α} .
• De même :  ∫0∞xdN=∫0∞x𝓃dx=N0πα∫0∞xexp(−αx2)dx=N0πα12α=N02απα∫_0^∞ \, x \;dN=∫_0^∞ \, x \:𝓃 \;dx={\displaystyle \frac{N_0}{\sqrt{π \:α}} }\, ∫_0^∞ \, x \;\exp(-α \:x^2 ) \; dx={\displaystyle \frac{N_0}{\sqrt{π \:α}} \, \frac{1}{2 \,α}=\frac{N_0}{2\,α \:\sqrt{π \:α}}}  ;  par contre on obtient  ⟨x⟩=0\langle\, x \,\rangle=0  par symétrie du signe de xx .
• Enfin :  ∫−∞∞x2dN=∫−∞∞x2𝓃dx=N0πα∫−∞∞x2exp(−αx2)dx∫_{-∞}^∞ \, x^2 \; dN=∫_{-∞}^∞ \, x^2 \: 𝓃 \;dx={\displaystyle \frac{N_0}{\sqrt{π \:α}} }\, ∫_{-∞}^∞ \, x^2 \; \exp(-α \:x^2 ) \; dx  peut utiliser l'intégration par parties.
• On obtient ainsi :  ∫0∞(xe−αx2)′dx=∫0∞e−αx2dx−2α∫0∞x2e−αx2dx∫_0^∞ \,\left(x \;\mathrm{e}^{-αx^2} \right)' dx=∫_0^∞ \,\mathrm{e}^{-αx^2} dx-2 \,α\;∫_0^∞ \,x^2 \; \mathrm{e}^{-αx^2} dx  ;
2α∫0∞x2e−αx2dx=π4α−[xe−αx2]0∞=π4α2 \:α\:∫_0^∞ \,x^2 \; \mathrm{e}^{-αx^2} dx={\displaystyle \sqrt{\frac{π}{4 \,α}} }-\left[x \;\mathrm{e}^{-αx^2} \right]_0^∞={\displaystyle \sqrt{\frac{π}{4 \,α}} }  ;  ∫0∞x2e−αx2dx=12απ4α∫_0^∞ \,x^2 \: \mathrm{e}^{-αx^2} dx={\displaystyle \frac{1}{2 \,α} \, \sqrt{\frac{π}{4 \,α}} }  ;  ⟨x2⟩=12α\displaystyle \langle\, x^2 \,\rangle=\frac{1}{2 \,α} .


2.b.   
• L'expression indiquée décrit une répartition qui, sous l'effet de la diffusion, s'étale de part et d'autre de l'origine sur une largeur de l'ordre de  1α=4Dt\displaystyle \frac{1}{\sqrt{α}}= \sqrt{4 \,D \:t}  croissant avec le temps.


3.a.    
• On peut considérer  m≈tτ\displaystyle m≈\frac{t}{τ}  dans la mesure où l'arrondi devient négligeable.


3.b.    
• Pour  pp  pas à droite, il y a  m−pm-p  pas à gauche ; la position est :  x=[p−(m−p)]𝓁=(2p−m)𝓁 x=[p-(m-p)] \: 𝓁=(2 \,p-m) \: 𝓁 .


3.c.   
• Puisque  p≤mp≤m  la position la plus à droite est : x=m𝓁=a x=m \:𝓁=a  et symétriquement à gauche.


3.d.   
• Avec deux possibilités à chaque pas, le nombre de mouvements possibles pour mm pas est 2m2^m .
• Le nombre de mouvements avec pp pas à droite correspond à CmpC_m^p .


3.e.   
• La probabilité d'avoir un mouvement avec pp pas à droite est Cmp2m\displaystyle \frac{C_m^p}{2^m}  ; avec  m2−p=−x2𝓁\displaystyle \frac{m}{2}-p=-\frac{x}{2 \:𝓁}  le nombre de particules correspondant est :  N0Cmp2m≈N02πmexp(−(m2−p)2m2)≈N02τπtexp(−(x2𝓁)2t2τ)\displaystyle N_0 \, \frac{C_m^p}{2^m} ≈N_0 \; \sqrt{\frac{2}{π \:m}} \:\: \exp\left(\frac{-\left(\frac{m}{2}-p\right)^2}{\frac{m}{2}}\right)≈N_0 \; \sqrt{\frac{2 \,τ}{π \:t}} \:\: \exp\left(-\frac{\left(\frac{x}{2 \,𝓁}\right)^2}{\frac{t}{2 \,τ}}\right) .
• On pourrait penser que ces  δN=𝓃δxδN=𝓃 \:δx  particules sont dans un intervalle  δx≈𝓁δx≈𝓁  ;  mais il y a un piège... Considérons l'exemple avec  m=10m=10  ;  les particules qui ont fait  p=5p=5  pas à droite en ont fait autant à gauche donc sont en  x=0x=0  ;  celles qui ont fait  p=6p=6  pas à droite n'en ont fait que  m−p=4m-p=4  à gauche donc sont en  x=2𝓁x=2 \,𝓁  ;  ainsi  δx≈2𝓁δx≈2 \,𝓁   et   𝓃=N02𝓁2τπtexp(−x24𝓁2t2τ)\displaystyle 𝓃=\frac{N_0}{2 \,𝓁} \: \sqrt{\frac{2 \,τ}{π \:t}} \:\: \exp\left(-\frac{x^2}{\frac{4 \,𝓁^2 \: t}{2 \,τ}}\right) .


3.f.    
• En comparant les coefficients :  D=𝓁22τ\displaystyle D=\frac{𝓁^2}{2 \,τ} .


Équilibre de l'atmosphère isotherme et diffusion

1.      
• Si on considère le champ de pesanteur g→\overset{→}{g} uniforme, les forces pressantes latérales, horizontales, se compensent forcément à l'équilibre puisque la composante horizontale du poids est nulle.
• L'équilibre vertical correspond à :  Sp(z)−Sp(z+dz)−dmg=0S \:p(z)-S \:p(z+dz)-dm \;g=0  ;  ainsi :  dp=−dmgS\displaystyle dp=-dm \: \frac{g}{S} .  La masse  dmdm  de la tranche de gaz est par ailleurs :  dm=μdV=μSdzdm=μ \:dV=μ \:S \:dz  où μμ est la masse volumique ; par suite :  dp=−μgdzdp=-μ \:g \:dz .
• La loi de gaz parfaits :  p=RTnV\displaystyle p=R \:T \, \frac{n}{V}  (où nn est le nombre de moles de molécules du gaz) ne peut pas s'appliquer pour l'ensemble dont la pression n'est pas uniforme. Si on l'applique à la tranche de gaz :  p(z)=RTdndV=RTMdmdV=RTMμ\displaystyle p(z)=R \:T \, \frac{dn}{dV}=\frac{R \:T}{M} \, \frac{dm}{dV}=\frac{R \:T}{M} \, μ  ;  inversement :  μ=MRTp\displaystyle μ=\frac{M}{R \:T} \, p .
• Par suite, la relation d'équilibre s'écrit :  dp=−MgRTpdz\displaystyle dp=-\frac{M \:g}{R \:T} \, p \:dz ,  ou encore :  dpp=−dzH\displaystyle \frac{dp}{p}=-\frac{dz}{H}  avec  H=RTMg\displaystyle H=\frac{R \:T}{M \:g} .
• Compte tenu de la condition limite  p(0)=p0p(0)=p_0  cette équation s'intègre en :  p(z)=p0e−z/Hp(z) = p_0 \; \mathrm{e}^{-z/H} .


2.a.   
• Pour une molécule soumise à une force F→\overset{→}{F} constante, l'équation du mouvement est de la forme :  ma→=F→m \; \overset{→}{a}=\overset{→}{F}  d'où on déduit :  v→=v→0+F→tm\displaystyle \overset{→}{v}=\overset{→}{v}_0+\overset{→}{F} \, \frac{t}{m} .


2.b.   
• Pour la moyenne :  ⟨v→⟩≈⟨v→0⟩+v→F\langle\, \overset{→}{v} \,\rangle≈\langle\, \overset{→}{v}_0 \,\rangle+\overset{→}{v}_F  avec  v→F=F→τm\displaystyle \overset{→}{v}_F=\overset{→}{F} \, \frac{τ}{m} .
• Dans un milieu homogène, on peut considérer que les directions des vitesses juste après les chocs sont aléatoires (distribution locale maxwellienne, si les forces lors des chocs sont très supérieures aux effets de pesanteur), alors :  ⟨v→0⟩≈0→\langle\, \overset{→}{v}_0 \,\rangle≈\overset{→}{0}   et   ⟨v→⟩≈v→F\langle\, \overset{→}{v} \,\rangle≈\overset{→}{v}_F .
• Dans un milieu inhomogène, il faut par contre envisager  ⟨v→0⟩≠0→\langle\, \overset{→}{v}_0 \,\rangle≠\overset{→}{0}  car les effets des chocs ne sont pas symétriques.


2.c.   
• Si la force F→\overset{→}{F} donne aux molécules une contribution v→F\overset{→}{v}_F à la vitesse moyenne, elle contribue à la circulation de molécules selon une densité de courant :  j→F=𝓃v→F\overset{→}{j}_F=𝓃 \;\overset{→}{v}_F .


3.      
• L'inhomogénéité de 𝓃𝓃 cause une densité de courant :  j→𝓃=𝓃⟨v→0⟩=−D∂𝓃∂zu→z\displaystyle \overset{→}{j}_𝓃=𝓃 \:\langle\, \overset{→}{v}_0 \,\rangle=-D \: \frac{∂𝓃}{∂z} \; \overset{→}{u}_z  ;  la densité de courant totale est :  j→d=j→𝓃+j→F=𝓃⟨v→⟩=0→ \overset{→}{j}_d=\overset{→}{j}_𝓃+\overset{→}{j}_F=𝓃\:\langle\, \overset{→}{v} \,\rangle=\overset{→}{0}  à l'équilibre. Ainsi en projection verticale :  d𝓃dz=−gτD𝓃\displaystyle \frac{d𝓃}{dz}=-\frac{g \:τ}{D} \, 𝓃 .
• La durée moyenne ττ entre deux collision peut s'exprimer :  τ≈⟨𝓁⟩⟨v⟩\displaystyle τ≈\frac{\langle\, 𝓁 \,\rangle}{\langle\, v \,\rangle}  avec le libre parcours moyen :  ⟨𝓁⟩=12𝓃σ\displaystyle \langle\, 𝓁 \,\rangle=\frac{1}{\sqrt{2} \, 𝓃 \:σ}  (où σσ est la section efficace de collision). Par suite ττ dépend de zz et il faut préciser les différentes grandeurs avant d'intégrer. Mais d'autre part :  D≈⟨𝓁⟩⟨v⟩3\displaystyle D≈\frac{\langle\, 𝓁 \,\rangle \: \langle\, v \,\rangle}{3}   et donc :  τD≈3⟨v⟩2\displaystyle \frac{τ}{D}≈\frac{3}{\langle\, v \,\rangle{}^2}   est indépendant de zz .
• L'équation peut donc s'écrire :  d𝓃𝓃=−dzH′\displaystyle \frac{d𝓃}{𝓃}=-\frac{dz}{H'}   avec :  H′=Dgτ≈⟨v⟩23g\displaystyle H'=\frac{D}{g \:τ}≈\frac{\langle\, v \,\rangle{}^2}{3 \,g} .  Compte tenu de la condition limite  𝓃(0)=𝓃0𝓃(0)=𝓃_0  cette équation s'intègre en :  𝓃(z)=𝓃0e−z/H′𝓃(z)=𝓃_0 \; \mathrm{e}^{-z/H'} .


4.      
• En appliquant le principe d'équipartition de l'énergie, pour l'énergie cinétique  Ec=12mv2E_c=\frac{1}{2} m \:v^2  dont la dépendance en vv est quadratique et avec trois degrés de liberté ( vxv_x , vyv_y et vzv_z ), on obtient :  ⟨Ec⟩=32kBT\langle\, E_c \,\rangle=\frac{3}{2} k_\mathrm{B} \: T  et donc :  ⟨v2⟩=3kBTm=3RTM\displaystyle \langle\, v^2 \,\rangle=\frac{3 \,k_\mathrm{B} \: T}{m}=\frac{3 \,R \:T}{M} .
• Avec l'approximation :  ⟨v⟩2≈⟨v2⟩=3RTM\displaystyle \langle\, v \,\rangle{}^2≈\langle\, v^2 \,\rangle=\frac{3 \,R \:T}{M}  on aboutit à :  H′≈RTMg=H\displaystyle H'≈\frac{R \:T}{M \:g}=H .  Ce calcul, bien que simplifié, montre donc que l'équilibre de l'atmosphère isotherme correspond effectivement à une compensation de la pesanteur par le courant de diffusion, qui apparaît naturellement sous l'effet du gradient de la densité volumique 𝓃𝓃 .


Équation de la chaleur et séparation des variables

1.a.   
• En considérant des fonctions de la forme :  T(x,t)=f(t)g(x)+TcT(x,t)=f(t) \;g(x)+T_c  (où les variables tt et xx interviennent séparément) on obtient :  μcV∂T∂t=μcVf˙(t)g(x)\displaystyle μ \:c_V \, \frac{∂T}{∂t}=μ \:c_V \: \dot{f}(t) \;g(x)  et  K∂2T∂x2=Kf(t)g″(x)\displaystyle K \, \frac{∂^2 T}{∂x^2} =K \:f(t) \;g″(x) .  L'équation simplifiée est alors vérifiée si et seulement si :  μcVf˙(t)f(t)=Kg″(x)g(x)\displaystyle μ \:c_V \, \frac{\dot{f}(t)}{f(t)}=K \, \frac{g″ (x)}{g(x)} .  Or, puisque le membre de gauche est indépendant de xx et que le membre de droite est indépendant de tt , chacun de ces deux membres ne peut être qu'une constante AA (indépendante de tt et de xx ).
• Les solutions de l'équation :  μcVf˙(t)f(t)=A\displaystyle μ \:c_V \, \frac{\dot{f}(t)}{f(t)}=A  sont de la forme :  f(t)=Fe−αtf(t)=F \;\mathrm{e}^{-αt}  avec  α=−AμcV\displaystyle α=-\frac{A}{μ \:c_V}  et où FF est une constante d'intégration.


1.b.   
• Les fonctions de la forme :  T(x,t)=f(t)g(x)+TcT(x,t)=f(t) \;g(x)+T_c  décrivent forcément physiquement une température tendant exponentiellement vers une limite  T(x,∞)=TcT(x,∞)=T_c  uniforme et indépendante du temps (par ”répartition” de l'énergie thermique dans le système considéré). Au contraire, une exponentielle croissante supposerait un apport d'énergie thermique extérieure augmentant exponentiellement, ce qui n'est pas physiquement réalisable. On doit donc considérer que  A<0A<0 .
• L'équation  Kg″(x)g(x)=A\displaystyle K \, \frac{g″ (x)}{g(x)}=A  peut s'écrire :  Kg″(x)+|A|g(x)=0K \:g″ (x)+|A| \: g(x)=0  ;  les solutions sont des sinusoïdes :  g(x)=Gsin(βx+ϕ)g(x)=G \; \sin(β \,x+ϕ)  avec  β=|A|K\displaystyle β=\sqrt{\frac{|A|}{K}}  et où GG et ϕϕ sont des constantes d'intégration.
• Au total, en posant  Θ=FGΘ=F \:G ,  on obtient :  T(x,t)=Θe−αtsin(βx+ϕ)+TcT(x,t)=Θ \;\mathrm{e}^{-αt} \; \sin(β \,x+ϕ)+T_c  où  α=β2KμcV\displaystyle α=\frac{β^2 \: K}{μ \:c_V} .
◊ remarque : en plus de TcT_c il semble donc y avoir trois “autres” constantes d'intégration ( ΘΘ , ββ et ϕϕ ) ; ceci est inattendu pour une équation avec seulement trois dérivations, mais en fait TcT_c est une partie des hypothèses et ce n'est pas vraiment une constante issue de l'intégration.


2.a.   
• La répartition initiale :  T(x,0)=T0+(T1−T0)sin(πx𝓁)T(x,0)=T_0+(T_1-T_0) \; \sin\left(\frac{π \:x}{𝓁}\right)  est de la forme précédente, à condition de poser :  Tc=T0=0°CT_c=T_0=0 \:\mathrm{°C}  ;  Θ=T1−T0=50°CΘ=T_1-T_0=50 \:\mathrm{°C}  ;  β=π𝓁=31,4m−1\displaystyle β=\frac{π}{𝓁}=31\text{,}4 \:\mathrm{m^{-1}}  ;  ϕ=0ϕ=0 .
◊ remarque : cette expression n'est par contre pas solution de l'équation car elle ne peut pas persister pour tt quelconque.
• Le bain thermostaté à la température T0T_0 impose logiquement une limite uniforme T0T_0 . La loi d'évolution est donc de la forme :  T(x,t)=T0+(T1−T0)e−αtsin(πx𝓁)\displaystyle T(x,t)=T_0+(T_1-T_0) \;\mathrm{e}^{-αt} \; \sin\left(\frac{π \:x}{𝓁}\right)   avec  α=(π𝓁)2KμcV=99s−1\displaystyle α=\left(\frac{π}{𝓁}\right)^2 \frac{K}{μ \:c_V}=99 \:\mathrm{s^{-1}} .


2.b.   
• À l'abscisse  x=𝓁2\displaystyle x=\frac{𝓁}{2}  la température est :  T(𝓁2,t)=T0+(T1−T0)e−αt T\left(\frac{𝓁}{2}\,,\,t\right)=T_0+(T_1-T_0)\;\mathrm{e}^{-αt} .  La température y atteint la valeur :  T0+12(T1−T0)T_0+\frac{1}{2}\,(T_1-T_0)  à l'instant t1t_1 tel que :  e−αt=12\mathrm{e}^{-αt}=\frac{1}{2}  c'est-à-dire :  t1=ln(2)α=7,0s\displaystyle t_1=\frac{\ln(2)}{α}=7\text{,}0 \:\mathrm{s} .  On obtient de même :  t2=ln(10)α=23s\displaystyle t_2=\frac{\ln(10)}{α}=23 \:\mathrm{s} .


Résolution numérique de l'équation de la chaleur

1.      
• En supposant les segments assez petits :  μcV∂T∂t≈μcVTn;(m+1)−Tn;m∆t\displaystyle μ \:c_V \, \frac{∂T}{∂t}≈μ \:c_V \, \frac{T_{n;(m+1)}-T_{n;m}}{∆t} .
• De façon analogue :  K∂2T∂x2≈K(T(n+1);m−Tn;m∆x)−(Tn;m−T(n−1);m∆x)∆x=KT(n+1);m+T(n−1);m−2Tn;m(∆x)2 \displaystyle K \,\frac{∂^2T}{∂x^2}≈K\,\frac{\left(\frac{T_{(n+1);m}-T_{n;m}}{∆x}\right)-\left(\frac{T_{n;m}-T_{(n-1);m}}{∆x}\right)}{∆x}=K\:\frac{T_{(n+1);m}+T_{(n-1);m}-2\,T_{n;m}}{(∆x)^2} .
• En choisissant :  (∆x)2=2KμcV∆t\displaystyle (∆x)^2=2 \, \frac{K}{μ \:c_V} \, ∆t   on obtient :  K∂2T∂x2≈μcV12(T(n+1);m+T(n−1);m)−Tn;m∆t\displaystyle K \, \frac{∂^2 T}{∂x^2} ≈μ \:c_V \: \frac{\frac{1}{2} \,\left(T_{(n+1);m}+T_{(n-1);m} \right)-T_{n;m}}{∆t} .
• L'équation de la chaleur s'écrit alors (en simplifiant) :  Tn;(m+1)≈12(T(n+1);m+T(n−1);m)T_{n;(m+1)}≈\frac{1}{2} \, \left(T_{(n+1);m}+T_{(n-1);m} \right) .


2.a.   
• En choisissant  𝓁=0,1m𝓁=0\text{,}1 \:\mathrm{m} , on considère  ∆x=0,01m∆x=0\text{,}01 \:\mathrm{m} .  Ceci donne :  ∆t=μcV2K(∆x)2=0,5s\displaystyle ∆t=\frac{μ \:c_V}{2 \,K} \,(∆x)^2=0\text{,}5 \:\mathrm{s} .
• Le bain étant thermostaté, on pourrait supposer que les températures aux limites restent égales à T0T_0 , mais cela pose problème pour les limites du solide qui devraient être initialement à T2T_2 . On choisit donc de supposer qu'initialement (quasi-instantanément au contact) les températures limites sont  12(T0+T2)\frac{1}{2} \,(T_0+T_2 ) , puis que le thermostat l'emporte rapidement pour imposer T0T_0 aux limites.
• On constate que la température tend partout vers T0T_0 sous l'effet de la propagation de chaleur depuis les extrémités (on raisonne ici directement d'après la représentation graphique globale ci-après).


2.b.   
• On obtient la représentation graphique suivante, en particulier pour  t=5st=5 \:\mathrm{s} .

phenTransport_cor_Im/chaleur1.png

◊ remarque : on peut essayer de diviser ∆x∆x par deux, donc ∆t∆t par quatre ; cela n'améliore que d'à peine 5%5 \:% dans les zones où l'évolution est brutale et de seulement 1%1 \:% dans l'ensemble.

phenTransport_cor_Im/chaleur2.png


Chauffage d'une maison

1.a.   
• Le transfert de chaleur vers l'extérieur d'un volume VV délimité par une surface fermée 𝒮𝒮 peut s'écrire :  −δQdt=IQ_sort=∬j→Q⋅d𝒮→{\displaystyle -\frac{δQ}{dt}}=I_{Q\text{_}sort}=∬ \,\overset{→}{j}_Q⋅d\overset{→}{𝒮}  ;  donc dans le cas ne dépendant que de xx , en considérant comme volume VV une tranche de section SS et d'épaisseur dxdx :  −δQdt=(jQ(x+dx)−jQ(x))S=∂jQ∂xSdx=∂jQ∂xdV\displaystyle -\frac{δQ}{dt}=\left(j_Q (x+dx)-j_Q (x)\right) \: S=\frac{∂j_Q}{∂x} \, S \:dx=\frac{∂j_Q}{∂x} \, dV .
• Mais  δQ=dU=dmcVdTδQ=dU=dm \;c_V \: dT  ;  donc, pour un transfert selon un axe OxOx :  −dmdVcV∂T∂t=−μcV∂T∂t=∂jQ∂x\displaystyle -\frac{dm}{dV} \, c_V \, \frac{∂T}{∂t}=-μ \:c_V \, \frac{∂T}{∂t}=\frac{∂j_Q}{∂x} .
◊ remarque : ceci suppose qu'il n'y a pas de variation d'énergie interne par transformation d'autres formes d'énergie.
• Compte tenu de la relation de Fourier :  j→Q=−K∇→T\overset{→}{j}_Q=-K \:\overset{→}{∇}T ,  ceci aboutit à l'équation de la chaleur (en supposant que le milieu est homogène, pour sortir KK de la dérivée) :  μcV∂T∂t=K∂2T∂x2\displaystyle μ \:c_V \, \frac{∂T}{∂t}=K \, \frac{∂^2 T}{∂x^2} .
• Dans le cas stationnaire, pour un système ne dépendant que d'une coordonnée xx , alors  ∂T∂t=0\displaystyle \frac{∂T}{∂t}=0  et la variation de T(x) est nécessairement affine :  ∂2T∂x2=0\displaystyle \frac{∂^2 T}{∂x^2} =0  implique  T(x)=Ax+BT(x)=A \:x+B .


1.b.   
• Ceci s'écrit aussi :  ∂jQ∂x=0\displaystyle \frac{∂j_Q}{∂x}=0 ,  ce qui correspond à une densité de courant uniforme (et constante).


2.      
• La densité de courant de chaleur est (algébriquement) :  jQ=−K∂T∂x=Ke∆T\displaystyle j_Q=-K \, \frac{∂T}{∂x}=\frac{K}{e} \, ∆T  avec  ∆T=Ti−Te∆T=T_i-T_e .  Compte tenu de l'uniformité des parois, le débit de chaleur est :  IQ=jQS=KSe∆T\displaystyle I_Q=j_Q \: S=\frac{K \:S}{e} \, ∆T  avec la surface totale (en négligeant les “bords”)  S≈2(Lh+𝓁h+L𝓁)S≈2 \,(L \:h+𝓁 \:h+L \:𝓁) .
• Ainsi :  IQ=44kWI_Q=44 \:\mathrm{kW}  (à comparer avec la puissance des appareils ménagers usuels  ≈1kW≈1 \:\mathrm{kW}  et à la puissance du chauffage d'une habitation bien isolée  ≈3kW≈3 \:\mathrm{kW} ).


3.      
• Dans le cas où le chauffage est arrêté, on peut écrire :  IQ=−δQdt=−CdTdt\displaystyle I_Q=-\frac{δQ}{dt}=-C \, \frac{dT}{dt}  avec  IQ=KSe(Ti−Te)\displaystyle I_Q=\frac{K \:S}{e} \, (T_i-T_e ) .
• En intégrant l'équation :  dTiTi−Te=−KSeCdt\displaystyle \frac{dT_i}{T_i-T_e}=-\frac{K \:S}{e \:C} \, dt  pour  Ti0=20°CT_{i0}=20 \:\mathrm{°C}  (initialement) :  Ti=Te+(Ti0−Te)e−t/τT_i=T_e+(T_{i0}-T_e ) \; \mathrm{e}^{-t/τ}   avec  τ=eCKS=23000s=6,4h\displaystyle τ=\frac{e \:C}{K \:S}=23000 \:\mathrm{s}=6\text{,}4 \:\mathrm{h} .  Deux heures après l'arrêt, la température intérieure est donc :  Ti=14,6°CT_i=14\text{,}6 \:\mathrm{°C} .


Chauffage par le sol

1.a.   
• D'après l'équation de la chaleur en régime stationnaire unidirectionnel, partout où il n'y a ni création ni absorption de chaleur :  μcp∂T∂t=K∂2T∂z2=0\displaystyle μ \:c_p \, \frac{∂T}{∂t}=K \, \frac{∂^2 T}{∂z^2} =0  ;  ainsi la température varie de façon affine en fonction de l'altitude zz .
• La densité de courant thermique est alors uniforme (sinon il y aurait accumulation, contredisant l'hypothèse stationnaire) :  jQ=−K∂T∂z=−Ke∆T\displaystyle j_Q=-K \, \frac{∂T}{∂z}=-\frac{K}{e} \, ∆T  a la même valeur dans chaque “tranche” (mais pas forcément la même valeur pour les tranches au dessus et au dessous).
• Au dessus des éléments chauffants :  ∆T1=jQe1K1\displaystyle ∆T_1=j_Q \, \frac{e_1}{K_1}   ;  ∆T2=jQe2K2\displaystyle ∆T_2=j_Q \, \frac{e_2}{K_2}   ;  de même dans la partie inférieure :  ∆T2′=jQ′e2′K2\displaystyle ∆T'_2=j'_Q \, \frac{e'_2}{K_2}   ;  ∆T3=jQ′e3K3\displaystyle ∆T_3=j'_Q \, \frac{e_3}{K_3}  .  Les écarts de températures entre les limites des différentes couches sont donc, dans chaque partie, proportionnels aux quotients eiKi\displaystyle \frac{e_i}{K_i} .

phenTransport_cor_Im/phenTransport_cor_Im1.jpg


1.b.   
• Le flux thermique à travers une section SS est dans ce cas :  IQ=−KSe∆T\displaystyle I_Q=-\frac{K \:S}{e} \, ∆T  ;  ceci peut s'écrire sous la forme :  ∆T=−eKSIQ\displaystyle ∆T=-\frac{e}{K \:S} \, I_Q .
• Pour la loi d'Ohm électrocinétique :  𝒰=−∆𝒱=RelI𝒰=-∆𝒱=R_{el} \: I ,  la résistance peut s'écrire (dans le cas géométrique analogue) :  Rel=eγS\displaystyle R_{el}=\frac{e}{γ \:S}  où γγ est la conductivité électrique.
• Par analogie, on peut écrire ici :  ∆T=−ℛIQ∆T=-ℛ \:I_Q  (avec une convention de signe adaptée), en notant la “résistance thermique”  ℛ=eKS\displaystyle ℛ=\frac{e}{K \:S} .
• En électrocinétique, pour un assemblage de résistances en série, le principe du pont diviseur de tension indique que les tensions sont proportionnelles aux résistances. En considérant la loi analogue pour des différences de températures, la simplification par la section SS commune redonne la proportionnalité obtenue précédemment.


1.c.   
• Ceci s'écrit dans la région du bas :  K2e2′(T1−TA)=K3e3(TA−T0)\displaystyle \frac{K_2}{e'_2} \,(T_1-T_A)=\frac{K_3}{e_3} \,(T_A-T_0) .
• On en déduit :  TA=K2e3T1+K3e2′T0K2e3+K3e2′=88,6°C\displaystyle T_A=\frac{K_2 \: e_3 \: T_1+K_3 \: e'_2 \: T_0}{K_2 \: e_3+K_3 \: e'_2}=88\text{,}6 \:\mathrm{°C} .
• De même dans la région du haut :  K2e2(T1−TB)=K12e1(TB−T0)\displaystyle \frac{K_2}{e_2}\, (T_1-T_B)=\frac{K_1}{2 \,e_1} \,(T_B-T_0) .
• On en déduit :  TB=2K2e1T1+K1e2T02K2e1+K1e2=42,8°C\displaystyle T_B=\frac{2 \,K_2 \: e_1 \: T_1+K_1 \: e_2 \: T_0}{2 \,K_2 \: e_1+K_1 \: e_2}=42\text{,}8 \:\mathrm{°C} .
• Enfin (en simplifiant) :  TC=TB+T02=31,4°C\displaystyle T_C=\frac{T_B+T_0}{2}=31\text{,}4 \:\mathrm{°C} .


2.      
• La densité de courant thermique vers le bas (perdue puisqu'elle ne sert pas à chauffer le local) est arithmétiquement :  jQ′=K3e3(TA−T0)=171W.m−2\displaystyle j'_Q=\frac{K_3}{e_3} \,(T_A-T_0)=171 \;\mathrm{W.m^{-2}} .
◊ remarque : la surface est la même partout donc se simplifie.
• La densité de courant vers le haut est de même :  jQ=K2e2(T1−TB)=1430W.m−2\displaystyle j_Q=\frac{K_2}{e_2} \,(T_1-T_B)=1430 \;\mathrm{W.m^{-2}}   ;  la fraction perdue est donc :  jQ′jQ+jQ′=10,6%\displaystyle \frac{j'_Q}{j_Q+j'_Q}=10\text{,}6 \:\mathrm{%}  (isolation médiocre).


3.      
☞ remarque : il est peu plausible de considérer dans le sous-sol un flux thermique uniforme... puis nul (l'énergie thermique s'accumulerait à la limite, dont la température ne serait pas constante) ; on peut par contre envisager un “étalement” progressif en largeur (de part et d'autre du local) et une densité de courant thermique décroissant progressivement (d'allure exponentielle) ; la modélisation de la “couche limite” peut alors être simplifiée (on modélise la courbe par sa tangente à l'origine).
• Puisque l'énoncé ne demande pas les températures intermédiaires, on peut calculer directement le flux thermique en ajoutant les résistances en série (en simplifiant par la surface) :
T1−T4=(e2′K2+e3K3+e4K4)jQ″\displaystyle T_1-T_4=\left(\frac{e'_2}{K_2} +\frac{e_3}{K_3} +\frac{e_4}{K_4} \right) \; j″_Q .
• On en déduit inversement :
jQ″=K2K3K4K3K4e2′+K2K4e3+K2K3e4(T1−T4)\displaystyle j″_Q=\frac{K_2 \: K_3 \: K_4}{K_3 \: K_4 \: e'_2+K_2 \: K_4 \: e_3+K_2 \: K_3 \: e_4} \, (T_1-T_4 )  ;
jQ″=31,6W.m−2j″_Q=31\text{,}6 \;\mathrm{W.m^{-2}} .
• La fraction perdue devient donc :
jQ″jQ+jQ″=2,15%\displaystyle \frac{j″_Q}{j_Q+j″_Q}=2\text{,}15 \:\mathrm{%}  (bonne isolation).

phenTransport_cor_Im/phenTransport_cor_Im2.jpg


Structure réfractaire composite

1.      
• En représentant schématiquement la couche comportant des alvéoles avec une partie d'air occupant 70%70 \:\mathrm{%} de la surface du mur, on peut proposer le schéma ci-après (avec des résistances notées RR ).
• Dans le schéma électrique équivalent, les différentes couches peuvent être représentées par les résistances en série. Pour l'air des aspérités, la résistance équivalente RR de l'air est par contre en parallèle avec celle Rb′R'_b des portions de brique équivalentes (ne représentant que 30%30 \:\mathrm{%} de la surface).

phenTransport_cor_Im/phenTransport_cor_Im3.jpg
phenTransport_cor_Im/phenTransport_cor_Im4.jpg

2.      
• D'après la loi de Fourier, on peut écrire la densité de flux thermique  jQ=−K∆T∆x\displaystyle j_Q=-K \, \frac{∆T}{∆x}  analogue à la loi d'Ohm (locale)  j=−γ∆𝒱∆x\displaystyle j=-γ \, \frac{∆𝒱}{∆x} .  Ceci permet de définir une notion de “résistance thermique” :  R=∆xKS\displaystyle R=\frac{∆x}{K \:S} .
• On obtient ainsi pour une surface  S=1m2S=1 \:\mathrm{m^2} :
Ra=0,338.10−4kJ−1.h.°CR_a=0\text{,}338.{10}^{-4} \;\mathrm{ kJ^{-1}.h .°C}  ;  Rb=80,4.10−4kJ−1.h.°CR_b=80\text{,}4.{10}^{-4} \; \mathrm{kJ^{-1}.h .°C}  ;
Rb′=4,29.10−4kJ−1.h.°CR'_b=4\text{,}29.{10}^{-4} \; \mathrm{kJ^{-1}.h .°C}  (pour  0,3S0\text{,}3 \:\mathrm{S} )  ;  R=87,9.10−4kJ−1.h.°CR=87\text{,}9.{10}^{-4} \; \mathrm{kJ^{-1}.h .°C}  (pour  0,7S0\text{,}7 \:\mathrm{S} ).
• La résistance totale est ainsi :  Rtot=2Ra+2RRb′R+Rb′+Rb=89,3.10−4kJ−1.h.°C\displaystyle R_{tot}=2 \,R_a+2 \, \frac{R \:R'_b}{R+R'_b}+R_b=89\text{,}3.{10}^{-4} \; \mathrm{kJ^{-1}.h .°C} .
• On peut remarquer que la contribution principale est celle de la brique : l'acier est meilleur conducteur et la couche d'air est très résistive mais de faible épaisseur (donc le flux de chaleur passe sans trop de difficulté par la partie de brique des aspérités, qui est en parallèle).
◊ remarque : on peut préciser qu'en l'absence des aspérités la résistance ne serait pas énormément plus faible :  Rtot=2Ra+2(0,3Rb′)+Rb=83,7.10−4kJ−1.h.°CR_{tot}=2 \,R_a+2 \,(0\text{,}3 \,R'_b )+R_b=83\text{,}7.{10}^{-4} \; \mathrm{kJ^{-1}.h .°C} .

3.      
• La densité surfacique de flux thermique est :
jQ=−K∆T∆x=T1−T0SRtot=38000kJ.h−1.m−2=10,6kW.m−2\displaystyle j_Q=-K \, \frac{∆T}{∆x}=\frac{T_1-T_0}{S \:R_{tot}}=38000 \;\mathrm{kJ .h^{-1}.m^{-2}}=10\text{,}6 \;\mathrm{kW.m^{-2}} .


B. EXERCICES D'APPROFONDISSEMENT

Diffusion dans un tuyau poreux

1.      
• En l'absence de fuites, on peut raisonner selon l'axe du tube :  j𝓃=−Dd𝓃dx\displaystyle j_𝓃=-D \, \frac{d𝓃}{dx}  en régime stationnaire, c'est-à-dire  I𝓃=−Dπr2d𝓃dx\displaystyle I_𝓃=-D \:π \:r^2 \, \frac{d𝓃}{dx} .
• Pour tenir compte des fuites latérales on peut ajouter un terme analogue en considérant que la concentration extérieure est nulle :  δI𝓃=−D′2πrdx𝓃e\displaystyle δI_𝓃=-D' \: 2π \:r \:dx \: \frac{𝓃}{e}  (le courant dans le tube diminue car une partie a fui à travers la paroi).
• Ceci revient à considérer :  δj𝓃=−D′2rdx𝓃e\displaystyle δj_𝓃=-D' \, \frac{2}{r} \: dx \, \frac{𝓃}{e}   c'est-à-dire :  dj𝓃dx=−D′2𝓃re\displaystyle \frac{dj_𝓃}{dx}=-D' \, \frac{2 \,𝓃}{r \:e} .


2.a.   
• On obtient l'équation :  d2𝓃dx2=D′D2𝓃re=α2𝓃\displaystyle \frac{d^2 𝓃}{dx^2} =\frac{D'}{D} \, \frac{2 \,𝓃}{r \:e}=α^2 \: 𝓃 .
• Les solutions sont de la forme :  𝓃=Aeαx+Be−αx𝓃=A \;\mathrm{e}^{αx}+B \;\mathrm{e}^{-αx}  avec ici :  𝓃0=A+B𝓃_0=A+B  et  𝓃1=AeαL+Be−αL𝓃_1=A \;\mathrm{e}^{αL}+B \;\mathrm{e}^{-αL} .
• Inversement :  A=𝓃1−𝓃0e−αL2sinh(αL)\displaystyle A=\frac{𝓃_1-𝓃_0 \; \mathrm{e}^{-αL}}{2 \:\sinh(α \:L)}  ;  B=𝓃0eαL−n12sinh(αL)\displaystyle B=\frac{𝓃_0 \; \mathrm{e}^{αL}-n_1}{2 \:\sinh(α \:L)} .


2.b.   
• Pour  αL≫1α \:L≫1  on obtient  2sinh(αL)≈eαL2 \; \sinh(α \:L)≈\mathrm{e}^{αL}  donc :  A≈𝓃1e−αL≈0A≈𝓃_1 \; \mathrm{e}^{-αL}≈0  ;  B≈𝓃0−𝓃1e−αL≈𝓃0B≈𝓃_0-𝓃_1 \; \mathrm{e}^{-αL}≈𝓃_0 .
• Ceci correspond à :  𝓃≈𝓃0e−αx𝓃≈𝓃_0 \; \mathrm{e}^{-αx} .


Diffusion et marche au hasard ; problème à trois dimensions

1.      
• On obtient :  ∂𝓃∂t=(r24Dt2−32t)N0(4πDt)3/2exp(−r24Dt)\displaystyle \frac{∂𝓃}{∂t}=\left(\frac{r^2}{4 \,D \:t^2}-\frac{3}{2 \,t}\right) \: \frac{N_0}{(4π \:D \:t)^{3/2}} \: \exp\left(-\frac{r^2}{4 \,D \:t}\right) .
• Par ailleurs :  ∂(r𝓃)∂r=(1−r22Dt)N0(4πDt)3/2exp(−r24Dt)\displaystyle \frac{∂(r \:𝓃)}{∂r}=\left(1-\frac{r^2}{2 \,D \:t}\right) \: \frac{N_0}{(4π \:D \:t)^{3/2}} \: \exp\left(-\frac{r^2}{4 \,D \:t}\right)  ;
∂2(r𝓃)∂r2=rD(r24Dt2−32t)N0(4πDt)3/2exp(−r24Dt)\displaystyle \frac{∂^2 (r \:𝓃)}{∂r^2} =\frac{r}{D} \: \left(\frac{r^2}{4 \,D \:t^2}-\frac{3}{2 \,t}\right) \: \frac{N_0}{(4π \:D \:t)^{3/2}} \: \exp\left(-\frac{r^2}{4 \,D \:t}\right) .
• Ceci correspond à :  ∂𝓃∂t=Dr∂2(r𝓃)∂r2=D∆𝓃\displaystyle \frac{∂𝓃}{∂t}=\frac{D}{r} \: \frac{∂^2 (r \:𝓃)}{∂r^2} =D \;∆𝓃  ;  la fonction proposée est donc effectivement solution.


2.a.   
• Le nombre total de particules est :  N=∭𝓃dV=N0(4πDt)3/2∫exp(−r24Dt)r2dr∫sin(θ)dθ∫dϕN=∭ \,𝓃 \:dV={\displaystyle \frac{N_0}{(4π \:D \:t)^{3/2}} \; ∫ \exp\left(-\frac{r^2}{4 \,D \:t}\right) \: r^2 \; dr }\;\; ∫ \sin(θ) \; dθ \:\: ∫ dϕ .
• Or, avec  α=14Dt\displaystyle α=\frac{1}{4 \,D \:t}  on obtient :  ∫exp(−r24Dt)r2dr=−∂∂α[∫exp(−r24Dt)dr]=−∂∂α[π4α]=π4α3/2\displaystyle ∫ \exp\left(-\frac{r^2}{4 \,D \:t}\right) \; r^2 \; dr=-\frac{∂}{∂α} \left[ \, ∫ \exp\left(-\frac{r^2}{4 \,D \:t}\right)\; dr \,\right]=-\frac{∂}{∂α} \left[ \,\sqrt{\frac{π}{4 \,α}} \,\right]=\frac{\sqrt{π}}{4 \,α^{3/2}}   et finalement :  N=N0N=N_0 .
• D'une façon analogue, on peut écrire :  N⟨r2⟩=∭r2𝓃dV=4πN0(4πDt)3/2∫exp(−r24Dt)r4drN \;\langle\, r^2 \,\rangle=∭ \,r^2 \: 𝓃 \:dV={\displaystyle 4π \: \frac{N_0}{(4π \:D \:t)^{3/2}} \: ∫ \exp\left(-\frac{r^2}{4 \,D \:t}\right) \; r^4 \: dr}  avec :  ∫exp(−r24Dt)r4dr=∂2∂α2[∫exp(−r24Dt)dr]=3π8α5/2\displaystyle ∫ \exp\left(-\frac{r^2}{4 \,D \:t}\right) \; r^4 \: dr=\frac{∂^2}{∂α^2} \left[\, ∫ \exp\left(-\frac{r^2}{4 \,D \:t}\right) \; dr \,\right]=\frac{3 \:\sqrt{π}}{8 \,α^{5/2}}   et finalement :  ⟨r2⟩=6Dt\langle\, r^2 \,\rangle=6 \,D \:t .


2.b.   
• On peut en déduire une interprétation de la solution considérée : cette solution représente un ensemble de N0N_0 particules, initialement situées à l'origine  ( ⟨r2⟩=0\langle\, r^2 \,\rangle=0 )  et se répartissant ensuite par diffusion radiale proportionnellement à t\sqrt{t}  ( ⟨r2⟩=6Dt\langle\, r^2 \,\rangle=6 \,D \:t ).


3.a.   
• À un instant  t≫τt≫τ  le nombre de pas est  m≈tτ\displaystyle m≈\frac{t}{τ} .


3.b.   
• La position est :  r→(t)=∑𝓁→i\overset{→}{r}(t)=∑ \,\overset{→}{𝓁}_i   où la somme comporte mm termes.


3.c.   
• On peut calculer :  ‖r→(t)‖2=∑i𝓁i2+∑i∑j≠i𝓁→i⋅𝓁→j\left‖\,\overset{→}{r}(t)\,\right‖^2=∑_i \, 𝓁_i^{\:2} +∑_i ∑_{j≠i} \, \overset{→}{𝓁}_i⋅\overset{→}{𝓁}_j  ;  compte tenu de la compensation moyenne des produits scalaires pour des directions aléatoires, ceci donne  ⟨r2⟩=m𝓁2=𝓁2tτ\displaystyle \langle\, r^2 \,\rangle=m \:𝓁^2=𝓁^2 \, \frac{t}{τ} . On retrouve donc bien  ⟨r2⟩\langle\, r^2 \,\rangle  proportionnel au temps.


3.d.   
• Par comparaison des deux expressions :  D≈𝓁26τ\displaystyle D≈\frac{𝓁^2}{6 \,τ}  ;  ceci peut aussi s'écrire :  D≈𝓁6⟨v⟩\displaystyle D≈\frac{𝓁}{6} \, \langle\, v \,\rangle .


Échauffement dans un réacteur nucléaire

1.      
• Avec la symétrie cylindrique, la loi de Fourier peut s'écrire :  jQ=−K∂T∂r\displaystyle j_Q=-K \, \frac{∂T}{∂r}  ;
• Le courant traversant la surface de rayon rr est :  IQ(r)=−2πrLK∂T∂r\displaystyle I_Q (r)=-2π \:r \:L \:K \, \frac{∂T}{∂r} .
• Pour une tranche en régime stationnaire :  IQ(r+dr)−IQ(r)=q2πrdrLI_Q (r+dr)-I_Q (r)=q \:2π \:r \:dr \:L .
• Ainsi :  −2π(r+dr)K.[∂T∂r](r+dr)+2πrK.[∂T∂r](r)=q2πrdr\displaystyle -2π \:(r+dr) \: K . {\left[\frac{∂T}{∂r}\right]}_{(r+dr)} +2π \:r \:K . {\left[\frac{∂T}{∂r}\right]}_{(r)}=q \:2π \:r \:dr  ;  [∂T∂r](r+dr)=[∂T∂r](r)+∂2T∂r2dr \displaystyle {\left[\frac{∂T}{∂r}\right]}_{(r+dr)}={\left[\frac{∂T}{∂r}\right]}_{(r)}+\frac{∂^2T}{∂r^2} \: dr .
• En ne conservant que le premier ordre en drdr et en simplifiant :  r∂2T∂r2+∂T∂r+ηr=0\displaystyle r \, \frac{∂^2 T}{∂r^2} + \frac{∂T}{∂r}+η \:r=0  avec  η=qK\displaystyle η=\frac{q}{K} .
• On peut alors commencer par chercher  Θ=r∂T∂r\displaystyle Θ=r \, \frac{∂T}{∂r}  solution de :  ∂Θ∂r+ηr=0\displaystyle \frac{∂Θ}{∂r}+η \:r=0 .
• Ceci donne :  Θ=−η2r2+Cste\displaystyle Θ=-\frac{η}{2} \: r^2+Cste  d'où la forme :  ∂T∂r=−η2r+Ar\displaystyle \frac{∂T}{∂r}=-\frac{η}{2} \, r+\frac{A}{r} .
• Mais à la périphérie on doit retrouver pour l'ensemble :  IQ(r0)=−2πr0LK∂T∂r=qπr02L\displaystyle I_Q \left(r_0\right)=-2π \:r_0 \:L \:K \, \frac{∂T}{∂r}=q \:π \: r_0^{\:2} \: L .
• Ceci impose :  −η2r0+Ar0=−η2r0\displaystyle -\frac{η}{2} \, r_0+\frac{A}{r_0}=-\frac{η}{2} \, r_0  donc  A=0A=0 .
◊ remarque : on doit aussi retrouver que  ∂T∂r=0\displaystyle \frac{∂T}{∂r}=0  sur l'axe (il n'y a pas de dégagement de chaleur).
• La seconde intégration donne :  T(r)=−η4r2+B\displaystyle T(r)=-\frac{η}{4} \, r^2+B .  Avec :  T(r0)=−η4r02+B=Te\displaystyle T(r_0)=-\frac{η}{4} \, r_0^{\:2}+B=T_e  on en déduit :  B=Te+η4r02\displaystyle B=T_e+\frac{η}{4} r_0^{\:2}   et   T(r)=η4(r02−r2)+Te\displaystyle T(r)=\frac{η}{4} \,\left(r_0^{\:2}-r^2 \right)+T_e .

2.      
• La température maximale est sur l'axe :  Tm=Te+η4r02\displaystyle T_m=T_e+\frac{η}{4} \:r_0^{\:2} .
• L'écart avec l'extérieur est :  Tm−Te=η4r02≈1360K\displaystyle T_m-T_e=\frac{η}{4} \:r_0^{\:2}≈1360 \:\mathrm{K} . La température de fusion de l'uranium étant  Tf=1135°CT_f=1135 \:\mathrm{°C}  cela peut nécessiter un refroidissement de contrôle et/ou une pressurisation (en plus du refroidissement “fonctionnel” par l'échangeur de chaleur servant à faire tourner les turbines).