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热设计理论基础(节选3)

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3 热力学

传热学关注的是热量的传热过程,热力学则是研究物质热力性质以及能量和能量之间相互转换的一门学科[8]。热力学中提到的热力学三大定律是宏观评判热设计方案是否合理的客观依据。热力学中的气体状态方程对电子产品热量传递行为也有重要影响。本节概述热力学三大定律和理想气体状态方程。

3.1 热力学第一定律

大量实践表明,能量守恒定律是自然界的一个普遍的基本规律。能量守恒定律表达的是:能量既不能凭空产生,也不能凭空消失,它只能从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到另一个物体,在转移和转化的过程中,能量的总量不变。能量守恒定律适用于存在有热现象的能量转换和转移的过程时,就称为热力学第一定律。热力学第一定律可以表述为:

一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。

我们将一个典型的电子产品视为一个热力学系统,显然,其质量和体积一般不会发生变化。当产品工作时,元器件将持续发热。根据热力学第一定律,如果热量不能被及时传递出去,那么系统的内能将持续增加。而我们已知内能与温度呈正相关,内能增加实质上就意味着温度的升高。这样,当热量散失不及时,带来的后果将是温度的升高。

热力学第一定律是非热学专业人员最容易忽略的一个定律。在实际的工作中,那些试图“将产品内部器件发出的热量封存在产品内部,从而避免外壳高温”的思路忽略了热力学第一定律,是不可能实现的。产品工作过程中,元器件持续发热,如果不允许热量往外传递,产品内部的热量会转化成内能储存在各部件中,内能的持续增加将导致发热元器件温度持续走高,最后造成产品过热失效。

3.2热力学第二定律

热力学第二定律(second law of thermodynamics)的表述之一为:热量不可能自发地从低温物体传到高温物体。这一定律说明,在电子产品散热中,如果需要降低某个器件的温度,我们始终需要找到一个比该器件温度低的冷源,将热量传递到该冷源上去。

热力学第一定律阐明了能量转换过程中的守恒关系,指出了不消耗能量而能不断输出功的第一类永动机确是一种幻想。热力学第二定律则更深刻地揭示了能量的品质问题。

热力学第二定律有数种表达形式。最闻名于世的有克劳修斯表达和开尔文表达。克劳修斯:不可能把热量从低温热源传到高温物体而不引起其他变化。开尔文:不可能从单一热源吸取热量使之完全变为功而不引起其他变化。许多教材直接指出这两种说法是等价的。热力学第二定律在承认能量在数量上是守恒的这一前提下,进一步阐释了能量的品质。任何表述都应该表达出这样一种思想:同样是100J的能量,处在不同形式或不同状态时其品质并不相同。处于高温状态下的热量,品位更高,便可以自发地转移到品位更低的低温介质中去。但热量从低温介质到高温介质中的转移,却无法自发实现,因为这意味着能量从低品位向高品位跃进。要想实现这一功能,必须要有另外的一部分能量品位降低来弥补所关注的这部分能量的品位的上升。例如,夏天空调将室内热量转移到温度更高的室外,需要引入压缩机,通过将最高品位的电能转化成低品位的热能,才得以实现。

热力学第二定律在电子产品热设计中的意义是,如果产品中并不涉及制冷设备,那么,产品中所有元器件的温度都不可能比环境温度低。对于那些禁止使用制冷设备,又提出器件温度必须位于环境温度以下的设计要求,热设计工程师可以依据这一定律,直接阐述其不可实现性。

将热力学第二定律中的描述对象延伸为所有形式的能量,得出的另一层抽象的推论是元器件通电处理指令将必然发热。广义上,处理指令的过程可以认为是将无序的信息按照人们指定的规则有序地整理出来,这个过程会消耗能量,而且输入的能量必然要付出代价。元器件输入的能量为电能,由于能量的守恒性,能量的总量在处理指令前后不可能发生变化,因此只能是品位降低。热能是唯一品位低于电能的能量形式,因此,热能必然产生。元器件能量效率的提升,本质上是减少或弱化指令处理过程中那些消耗电能的副过程。

3.3热力学第三定律

热力学第三定律认为,当系统趋近于绝对温度零度时,系统等温可逆过程的熵变化趋近于零。第三定律只能应用于稳定平衡状态,因此也不能将物质看做是理想气体。可以简单将其理解为绝对零度不可达到。

热力学第三定律描述的是绝对零度时物质的状态,对于电子产品而言,一般不涉及。

3.4热力学第零定律

除了上述三大定律,热力学里还有一个第零定律:如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同),则它们彼此也必定处于热平衡。

用公式表达,可能更加简洁明了:如果Ta = Tb,而Ta = Tc,则Tb = Tc,这类似逻辑学中的推理过程。

热力学第零定律实际上讲述的是热平衡的逐级传递。

3.5理想气体定律

空气是电子产品热设计中最常遇到的流体。我们知道,自然散热的产品,虽然外部没有主动驱动气流的部件,空气在温差和重力的双重作用下,仍然会产生流动,这种流动称为自然对流。因此,大多数自然散热的产品(航空航天电子除外),在以散热手段进行分类时,又常被叫做自然对流散热产品。

气体的密度通常很低,这意味着气体分子之间的平均距离要比液体和固体大很多。因此,气体分子本身的体积通常比气体所占的体积小得多,分子之间的作用力也比较弱[8]。虽然分子间作用力较弱,但这些力仍然是存在的,这导致实际气体的性质和变化机制非常复杂。为简化气体分子的运动规律,人们引入了理想气体的概念。理想气体中,假设气体分子是一种弹性的、不占有体积的质点,且分子之间没有相互作用力[7]。这使得人们可以使用较为简洁的关系式来描述气体宏观物理量与微观运动。理想气体状态方程是描述气体压强、密度和温度之间关联的基本方程,又称克拉佩龙方程。其形式如下[7]

pV = nRT  

式中,pVnRT分别为气体的绝对压强、气体的体积、气体摩尔数、通用气体常数和气体的绝对温度。通用气体常数与气体的种类和状态无关,其值约为8.314 J/mol.K)。

理想气体状态方程表明,当维持气体总量和气体压强不变时(即n不变),温度升高,其体积将会增大。由于气体总质量恒定,因此温度升高将导致气体密度降低。在电子产品中,处于开放环境中的设备,周围压强可以近似视为恒定值。设备正常运行时,发热面温度高于周围环境,距离发热面更近的空气被加热而温度升高。根据理想气体状态方程,这部分高温空气的密度将会低于周围的低温空气。于是,在重力的作用下,低密度的空气将会上浮,高密度的空气则会下沉。因此,发热设备表面周围的空气会流动起来,固体壁面和周围空气之间会发生对流换热。

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2-8 自然散热产品周围空气的流动

空气密度随温度的升高而降低,在重力的作用下,这将产生浮升力。这一现象在工程中有很多应用。孔明灯、热气球等均基于这一原理。生活中将空调出风口挂的比较高,而将暖气片放到房间比较低的位置也是利用了冷空气密度大下沉,热空气密度低上浮的效应。


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2-9 热气球、孔明灯的热力学原理

参考文献:


[7] 沈维道,童钧耕. 工程热力学 第四版[M]. 高等教育出版社, 2007.

[8] 严家禄. 工程热力学 第三版[M]. 高等教育出版社, 2002.

          本篇内容节选自:陈继良.从零开始学散热.第四版.第二章


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