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热力学定律在电子产品热设计中的应用

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 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。虽然这三大定律已经广为人知,但在实际的工作中,仍然有不少工程师对其理解错误,甚至试图设计一些违反三大定律的方案。


 



  1.  热力学第一定律

热力学第一定律就是能量守恒定律。人们就认为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。

它的热力学表述为:

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传热学专业人员最容易忽略的一个定律。在实际的工作中,我曾不止一次遇到这样的客户:他们提出,是否能够设计一种方案,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。显然,这样的客户忽略了热力学第一定律,产品工作过程中,发出的热量并不是一个固定的值,而是随着工作时间逐渐积累的。如果不允许热量往外传递,产品内部的热量会转化成内能,从而导致发热元器件温度持续走高。这显然是一个违反热力学第一定律的设计方向,是不可能实现的。


2   热力学第二定律

热力学第二定律(second law of thermodynamics),热力学基本定律之一,其表述之一为:热量不可能自发地从低温物体传到高温物体。这似乎很容易理解,因为在电子产品散热中,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。许多热力学的教材直接指出这两种说法是等价的。热力学第二定律的全部意义是指出了能量的品质属性,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。克劳修斯说不可能在不引起其他变化的前提下使得热量从低温热源传至高温热源,其实就是这个意思。当热量从高温到低温,由于品位下降,便可以自发转移;但若逆向而行,并非全无可能,却要引起其他变化了。这里的引起其他变化实际上就是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。需要引入其它设备才能实现。在电子产品的热量转移和形式转换中,基本上只涉及电能到热能的转换,以及热能从发热器件传递到散热器或者空气中。相对来讲,这是一个比较单一的、没有其它形式能量参与的热量转移过程。

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。

另外一个美妙的幻想是,将电子产品产生的热量转化成电能,然后驱动风扇再对发热元件进行散热。通过热力学第二定律,也可以直接否定。

当前,热力学第二定律的影响范围已经远远超越热学范畴,其在信息、金融甚至哲学领域都是基本原理之一。


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。绝对零度不可达到这个结论称做热力学第三定律。

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。


补充: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。

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