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热设计理论基础(节选)

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要想解决产品散热问题,掌握相关理论知识是最基本的前提。本章将讨论如下几个问题:

1)        基础认知:热和温度

2)        电子产品热设计需要掌握的传热学知识

3)        电子产品热设计需要掌握的热力学知识

4)        电子产品热设计需要掌握的流体力学知识

 热和温度

热是自然界最常见的一种能量之一。热量的重要性不言而喻,甚至可以说,整个人类文明史就是人类对热利用技术不断提升的历史。

考古证明,约50万年前,人类就已经开始使用火来加热、烹饪食物[1]。发生在近代的第一次科技革命和第二次科技革命,均与热利用技术紧密相关:

第一次科技革命的核心是蒸汽机的广泛使用。蒸汽机的核心是液体受热蒸发,气压升高,利用气体的不断蒸发来推动机械运动,热能转化成机械能;

第二次科技革命引入了电能。发电成为关键环节。迄今为止,火力发电(热能转化成机械能,然后再转化成电能)仍然是发电的主要方式。

同其他所有的学科一样,直到近代,人类才在认识热的物理本质上取得了明显的进展。古代人对热的认知基本完全停留在感性的基础上,被宗教人员委以各种神话色彩,这不在本书的讨论之列,故不详述。本书对近代热学和现代热学做一个概述,帮助读者理解热的本质。


1.1热动说和热质说

近代热学是近代物理学的一个分支。关于热的解释,近代热学充满经典的笛卡尔-牛顿知识体系色彩。

早期关于热的本质的学说分为热是一种运动和热是一种物质两类。

热动学说由伦福德伯爵于1798年引入,并由法国物理学家尼古拉·卡诺进一步发展[2]。牛顿,笛卡尔等人也支持该假说。热动说的核心观点是将热看成是一种运动。热量从高温物体传给低温物体的原因,是由于高温物体中的微粒把运动传给低温物体中的微粒造成的,而且给出的运动量与接受的运动量相等。按照热动说,传热现象可以很好地从微观上与动量守恒定律匹配起来。

与热动说几乎同一时代,热质说也在相当长的一段时间得到普遍认同,而且在热质学说的理解下,还衍生了许多新的、目前仍被认为在经典时空中是正确的概念和定理。热质说的核心观点是将热看成是一种物质,即热质(caloric)。热量的单位卡路里(Calorie)即起源自热质。热质说简易地解释了当时发现的大部分热学现象:物体温度的变化是吸收或放出热质引起的;热传导是热质的流动,对流是载有热质的物体的流动,辐射是热质的传播;物体受热膨胀是因为热质粒子间的相互排斥;物质状态变化时的“潜热”是物持粒子与热质发生“准化学反应”的结果;摩擦或碰撞的生热现象,是同上于“潜热”被挤压出来以及物质的比热变小的结果,等等。由于热质的物质性,所以它也遵从物质守恒定律。

可以说,在解释常见的物理现象上,热质说更加直观。在热质说观点的指导下,热学研究所取得的主要进展有:布莱克发现了比热和潜热;瓦特从理论上分析了旧蒸汽机的主要缺陷而引导他改进了蒸汽机;傅立叶依据这一物理图象建立了热传导理论;卡诺从热质传递的观点出发于十九世纪初提出了消耗从热源取得热量而得到功的理论。

但是,到了十八世纪末,热质说受到了严重的挑战。1798年,物理学家本杰明·汤普逊即伦福德伯爵向英国皇家学会提出了一个报告,说他在慕尼黑监督炮筒钻孔工作时,注意到炮筒温度升高,钻削下的金属屑温度更高的现象,他提出了大量的热是从哪里来的这个问题。他在尽量作到绝热的条件下进行了一系列钻孔实验,比较了钻孔前后金属和碎屑的比热,发现钻磨不会改变金属的比热。他还用很钝的钻头钻炮筒,半小时后炮筒从华氏60度升温到华氏130度,金属碎屑只有五十多克,相当于炮筒质量的九百四十八分之一,这一小部分碎屑能够放出这么大的“潜热”吗?他想:“看来在这些实验中,由摩擦产生热的源泉是不可穷尽的。任何与外界隔绝的物体或物体系,能够无限制地提供出来的东西,决不可能是具体的物质实体。在这些实验中被激发出来的热,除了把它看作是‘运动’以外,似乎很难把它看作为其他任何东西。”[3]

1799,英国化学家戴维(1778-1829)在真实装置中使两块冰相互摩擦,并使周围的温度比冰还低。实验发现,冰块摩擦后就逐渐融化了。戴维分析指出,使冰块融化的热不可能从周围的空气中来,因为周围空气的温度比冰还低;这热也不可能来自潜热,因为冰融化时是吸收潜热、而不是放出潜热。戴维由此断言“热质是不存在的”。1812年他终于明确提出:“热现象的直接原因是运动,它的转化定律和运动转化定律一样,同样是正确的。”[3]

热质说和热动说被完美地融合在相对论的中的质能关系中。热是一种能量,兼具运动和物质两种属性。热量能够反映出物体内部微粒随机运动,它与物体的宏观运动状态无关,而只与物体的内部状态有关,因此有时也将热能称为内能。热能的微观意义是内部微粒的随机运动,宏观表现则是温度。

1.2 温度的物理意义

温度是衡量物体冷热程度一个标量。现代科学中,温度对物理、化学、生物、地球科学等多个学科都有关联。热是分子运动的宏观表现形式,构成物体的分子运动的平均动能体现的是热的程度。热的程度,也就是温度。

经典的热质说或热动说最难解释的现象就是热辐射。辐射换热不需要中间介质,且高温面的热量以光速瞬息抵达低温面。无论热量是一种物质还是一种运动,辐射换热都难以获得合理的解释。这样,理解不同温度表面的辐射换热,就需要了解温度和辐射之间的关系,探究温度的微观本质。微观上来讲,电子时刻不停地受到光子的扰动,不断地吸收各种能量的光子,也不停地辐射出各种能量的光子,所以电子在原子核中并不是处于稳定状态,它的运动轨迹也不是正圆。一般来说,温度越高,电子受到的扰动越大,其运动轨迹偏离圆形的趋势越明显;温度越低,电子受到的扰动越小,电子的运动轨迹越接近圆(只有在绝对零度时,电子的运动轨迹才可能是正圆)。从这个意义上来说,原子模型可以看作是卢瑟福的行星模型和电子云模型的结合:温度越高,原子模型越接近行星模型;温度越低,原子模型越接近电子云模型(但在某一瞬间,电子在原子核中有确切的位置)


温度的高低反映了电子偏离稳定轨道程度的大小,单个原子(分子)也有温度。电子偏离圆形轨道的程度越大,表明该原子的温度越高,电子裂变后放出的能量也越大。所以温度升高时物体发出的电磁辐射向短波方向移动。对于温度一定的物体来说,它内部包含了大量的原子,这些原子中的电子由于受到的扰动大小不同,它们裂变放出光子的质量也不同,但大致满足正态分布,即发出的光子中能量特别大的和能量特别小的都是极少数。

人们通常认为:热现象是大量分子无规则运动的反映,温度越高分子的平均速率越大,温度越低分子的平均速率越小。严格意义上讲,这一理解可能只适用于一定场景中。我们知道,太阳时刻不停地向外抛射高能粒子,这些粒子的速度接近光速,宇宙中其它恒星也在不停地向外抛射高能粒子,所以在宇宙空间任何地方,都有许多高能粒子正在做杂乱无章的运动,这些粒子的速度通常都接近光速或亚光速。这样看来宇宙空间的温度应该很高。但事实上,宇宙空间温度极低(3K左右)。这说明粒子运动速度大未必温度就很高,物体的温度不是由组成它的原子(分子)的平均运动速度决定的。温度升高,原子(分子)的平均速度增大。但反过来,原子(分子)的平均速度增大并不意味着温度升高。我们知道,只要物体的温度在绝对零度以上就会向外辐射电磁波,而物质向外辐射电磁波的原因是电子受到扰动后在静电力作用下放出光子,并且光子受到的扰动越大放出的光子能量也越大,相应的物体的温度也越高。从这个意义上来说,原子是储存热量的最小单位,单个原子也有温度,因为它可以储存热能。但单个的带电粒子如质子、电子在不受外界任何扰动时,即便速度再大也不会向外界释放能量,因此它们都不能储存热能,因而也没有温度。应该看到,原子(分子)的高速运动所具有的能量仅仅是动能而不是热能,和宏观物体一样,速度大未必温度高。宏观物体的速度与其温度无关,原子(分子)也是如此。一个原子(分子)的速度比其它原子(分子)的速度大,只能说明它的动能大,储存的热能未必就多。热能仅储存于原子核和电子形成的原子体系中,两者中缺少任何一个都不能储存热能。

了解了上述知识,我们再考虑温度的概念,就会有不同的结论。对一个物体而言,倘若它储存了热能它就有温度,并且它储存的热能越多它的温度就越高,反之则温度越低;倘若物体没有储存热能则它就没有温度或者说它的温度是绝对零度;倘若物体不能储存热能,则用温度来衡量该物体是没有意义的。我们知道,原子是储存热能的最基本单位,原子的热能实际上是储存在电子中的。单独的原子核、单独的电子都不能储存热能,所以单独的原子核、单独的电子都没有温度。同样的道理,光子也不能储存热能,它仅仅是热能的载体,因为单独的原子可以储存热能,所以单独的原子有温度,但由于单独的光子不能储存热能,所以单独的光子没有温度,不同能量的光子之间只有能量的差异而没有温度的差异,用温度来衡量光子是毫无意义的。

简单来说:温度是物质内部电子储存热能的宏观表现,其本质是一种运动的剧烈程度。这一认知对深入理解热量的传递方式有很大帮助。


 

本篇内容选自:陈继良. 从零开始学散热 . 第四版 .第二章

参考文献

[1] 斯塔夫里阿诺斯. 全 球 通 史. 北 京 大 学 出 版 社, 2005, 2(005).

[2] Clausius, Rudolf. (1879). Mechanical Theory of Heat, 2nd Edition. London: Macmillan & Co.

[3] 向义和. 大学物理导论: 物理学的理论与方法, 历史与前沿[M]. 清华大学出版社有限公司, 1999.





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