距離が 2 倍なら時間は 4 倍?熱方程式と熱核でわかる熱の広がり
1 点に集めた熱は、時刻 には の形で広がっています。山の幅は で、時間の平方根でしか伸びません。
距離を 2 倍にすると、届くまでの時間は 4 倍。銅の棒なら 1 cm に 1 秒ほど、10 cm には 90 秒ほどかかります[4]。
この が、熱方程式のほとんどすべてを決めています。
方程式が出てくるところ
棒の微小な区間 を考えます。ここに蓄えられた熱量は、比熱 、密度 、断面積 として 。
蓄えの変化は、左端から入る量と右端から出る量の差です。熱の流れる量を と書きます。
右辺は とほぼ等しい。 で割れば保存則が出ます。
ここまでは熱の出入りを数えただけ。もう 1 本、 と を結ぶ関係が要ります。
フーリエの法則
熱は温度の高いほうから低いほうへ、勾配に比例して流れます。比例定数を熱伝導率 とする。
マイナスは向きの約束です。温度が右上がり()なら熱は左へ流れる。
保存則に入れると、 だけの式になります。
この を熱拡散率と呼びます[2]。伝導率そのものではなく、熱容量で割った量が効く。
金属が冷たく感じるのは伝導率が大きいからですが、温度分布が動く速さを決めるのは拡散率のほうです。
が大きくても が大きければ、分布はゆっくりしか動かない。
単位が答えを決める
の単位は です。長さの 2 乗を時間で割った形。
この方程式に出てくる量は 、、 の 3 つだけなので、時間と長さを結ぶ組み合わせは しかありません。
つまり距離 まで熱が届く時間は に比例する。倍の距離なら 4 倍、10 倍の距離なら 100 倍の時間がかかります。
| 材料 | 拡散率 | 1 cm に届く時間 |
|---|---|---|
| 銅 | 111 | 約 0.9 秒 |
| アルミニウム | 91 | 約 1.1 秒 |
| 空気 | 19 | 約 5 秒 |
| 水 | 0.146 | 約 11 分 |
| 松材 | 0.27 | 約 6 分 |
数値は熱物性のデータベースによります[4]。銅と水で 760 倍の開きがある。金属の柄が熱くなるまでの時間と、鍋の水が温まるまでの時間の差はここから来ます。
熱核
初期の熱が原点の 1 点に集まっている場合を解きます。答えの形は、次元の話から予想できる。
長さのスケールが しかないので、解は という無次元量の関数になるはずです。
熱の総量が変わらない条件と合わせて、次の形を仮定します。
これを方程式に代入します[1]。
相似解の計算
の微分は 、 です。
等しいと置いて を払うと、 だけの常微分方程式になります。
左辺は とまとめられます。積の微分を展開すれば で、確かに一致する。
したがって は定数です。遠方で も も に近づくので、その定数は 。
変数分離で解けました。総量を にそろえると になります。
これが熱核です[1]。偏微分方程式が、相似変数を通すと 1 階の常微分方程式に落ちました。
面積は変わりません。熱の総量が保たれるので、広がったぶんだけ高さが落ちます。
一般の初期温度
熱核が点熱源の答えなので、初期温度 は点熱源の重ね合わせと見られます[1]。
にあった熱が の形で広がり、それを全部足した。方程式が線形だからできる操作です。
例:跳びのある初期温度
で温度 、 で温度 という初期状態をとります。積分は の範囲だけ残る。
と置き換えると、標準的なガウス積分になります。
は補誤差関数です。 では なので、温度はいつでも 。
跳びの真ん中の値が、時間によらず保たれます。

熱は無限の速さで伝わる
熱核は のどの でも正です。指数関数は になりません。
原点だけを温めた瞬間に、 km 先の温度も上がっている計算になる。値は のような桁ですが、厳密には ではありません。
情報が届く速さに上限がない。 で全域が影響を受ける
速さ で進む。時刻 に影響が届くのは の範囲だけ
物理としては近似の限界です。分子の運動を連続の量でならしたモデルなので、極端に短い時間や距離では成り立ちません。
最大値原理
長方形の領域 、 で考えます。温度の最大値がどこに現れるか、という問いです。
答えは、下辺()と左右の辺( と )のどこかです。この 3 辺を放物型境界と呼びます。
内部と上辺には最大値が来ない。あとから熱が湧き出すことはない、という当たり前の内容を式にしたものです。

証明
そのままだと、内部の最大点で 、 となって矛盾が出ません。等号があるためです。
そこで小さな をとり、 を考えます。この は方程式を少しだけ破る。
の最大値が内部か上辺の点 にあったとします。 について最大なので 。
については、 なら 、 なら です。どちらでも になる。
すると となり、さきほどの と食い違います。
よって の最大値は放物型境界の上。 とすれば、 についても同じことが言えます。
一意性
同じ初期温度と同じ境界温度をもつ解が 2 つあったとして、差を と置きます。
は熱方程式を満たし、放物型境界の上で です。最大値原理から 。
にも同じ議論を当てると になります。したがって で、解は 1 つに決まる。
最大値は放物型境界にある
差の解は境界で 0 になる
差の最大も最小も 0 になる
2 つの解は一致する
時間を逆に回せない
熱方程式は時間の向きを変えると別ものになります。 の形の温度は で減りますが、逆向きでは で増える。
なら、 を少し戻すだけで の桁になります。初期データのわずかな誤差が、桁違いに拡大される。
過去の温度分布を求める問題が難しいのはこのためです。前向きには滑らかになる一方で、後ろ向きには手がつけられません[1]。
角のある初期温度でも で無限回微分できる。凹凸がならされていく
細かい凹凸ほど激しく増幅される。少しの誤差で答えが壊れる
数値で解いてみる
を 刻み、 を 刻みにして、2 階微分を差分に置き換えます[3]。
前の時刻の 3 点から次の時刻を作るだけ。連立方程式を解く必要がありません。
ところが を大きくとると、計算が発散します。刻みを細かくして精度を上げようとしたときに、まず出会う壁です。
安定条件の導出
という形を入れて、1 ステップあたりの倍率 を調べます。
が全部の で成り立てばよい。 は最大で なので、条件は次のとおりです。
では の成分が出て、1 ステップごとに符号を変えながら増えていきます[3]。
を半分にすると は 4 分の 1 にしなければならない。ここでも と の対応が顔を出します。
上下で違うのは の値だけです。 と の差が、この結果を分けます。
確率の言葉に移す
熱核は、平均 、分散 の正規分布の密度そのものです。
分散が時間に比例するのは、独立な小さい移動を足し合わせた結果です。ランダムウォークの極限がブラウン運動で、その位置の分布が熱核になる。
標準偏差は で時間の平方根。熱の広がり方と、酔歩が原点から離れる速さが同じ式に乗っています。
検算のしかた
熱核を得たら、方程式に入れ直すより先に、総量を確かめると早い。
これが でなければ、係数のどこかを間違えています。 に を入れて確かめる。
次元も見ます。 は温度の密度なので の次元。 は で、確かに合っています。
熱拡散率が 倍の材料に替えると、同じ距離まで熱が届く時間はどうなりますか。
- 倍になる
- になる
- になる
保存則とフーリエの法則を並べれば方程式が出て、次元を見れば が出る。熱方程式の性質は、ほとんどがこの 2 つから読めます。










時間は kx2 に比例するので、k が 4 倍なら時間は 41 です。 が付くのは距離と時間の関係のほうで、拡散率は 1 乗で効きます。距離を 2 倍にしたときに時間が 4 倍になるのと混同しやすいところ。