要想解決產(chǎn)品散熱問(wèn)題，掌握相關(guān)理論知識(shí)是最基本的前提。本章將討論如下幾個(gè)問(wèn)題：
1) 基礎(chǔ)認(rèn)知：熱和溫度
2) 電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)需要掌握的傳熱學(xué)知識(shí)
3) 電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)需要掌握的熱力學(xué)知識(shí)
4) 電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)需要掌握的流體力學(xué)知識(shí)
熱和溫度
熱是自然界最常見(jiàn)的一種能量之一。熱量的重要性不言而喻，甚至可以說(shuō)，整個(gè)人類文明史就是人類對(duì)熱利用技術(shù)不斷提升的歷史。
考古證明，約50萬(wàn)年前，人類就已經(jīng)開(kāi)始使用火來(lái)加熱、烹飪食物[1]。發(fā)生在近代的第一次科技革命和第二次科技革命，均與熱利用技術(shù)緊密相關(guān)：
第一次科技革命的核心是蒸汽機(jī)的廣泛使用。蒸汽機(jī)的核心是液體受熱蒸發(fā)，氣壓升高，利用氣體的不斷蒸發(fā)來(lái)推動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能；
第二次科技革命引入了電能。發(fā)電成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。迄今為止，火力發(fā)電（熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，然后再轉(zhuǎn)化成電能）仍然是發(fā)電的主要方式。
同其他所有的學(xué)科一樣，直到近代，人類才在認(rèn)識(shí)熱的物理本質(zhì)上取得了明顯的進(jìn)展。古代人對(duì)熱的認(rèn)知基本完全停留在感性的基礎(chǔ)上，被宗教人員委以各種神話色彩，這不在本書(shū)的討論之列，故不詳述。本書(shū)對(duì)近代熱學(xué)和現(xiàn)代熱學(xué)做一個(gè)概述，幫助讀者理解熱的本質(zhì)。
1.1熱動(dòng)說(shuō)和熱質(zhì)說(shuō)
近代熱學(xué)是近代物理學(xué)的一個(gè)分支。關(guān)于熱的解釋，近代熱學(xué)充滿經(jīng)典的笛卡爾-牛頓知識(shí)體系色彩。
早期關(guān)于熱的本質(zhì)的學(xué)說(shuō)分為熱是一種運(yùn)動(dòng)和熱是一種物質(zhì)兩類。
熱動(dòng)學(xué)說(shuō)由倫福德伯爵于1798年引入，并由法國(guó)物理學(xué)家尼古拉·卡諾進(jìn)一步發(fā)展[2]。牛頓，笛卡爾等人也支持該假說(shuō)。熱動(dòng)說(shuō)的核心觀點(diǎn)是將熱看成是一種運(yùn)動(dòng)。熱量從高溫物體傳給低溫物體的原因，是由于高溫物體中的微粒把運(yùn)動(dòng)傳給低溫物體中的微粒造成的，而且給出的運(yùn)動(dòng)量與接受的運(yùn)動(dòng)量相等。按照熱動(dòng)說(shuō)，傳熱現(xiàn)象可以很好地從微觀上與動(dòng)量守恒定律匹配起來(lái)。
與熱動(dòng)說(shuō)幾乎同一時(shí)代，熱質(zhì)說(shuō)也在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間得到普遍認(rèn)同，而且在熱質(zhì)學(xué)說(shuō)的理解下，還衍生了許多新的、目前仍被認(rèn)為在經(jīng)典時(shí)空中是正確的概念和定理。熱質(zhì)說(shuō)的核心觀點(diǎn)是將熱看成是一種物質(zhì)，即熱質(zhì)（caloric）。熱量的單位卡路里（Calorie）即起源自熱質(zhì)。熱質(zhì)說(shuō)簡(jiǎn)易地解釋了當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的大部分熱學(xué)現(xiàn)象：物體溫度的變化是吸收或放出熱質(zhì)引起的；熱傳導(dǎo)是熱質(zhì)的流動(dòng)，對(duì)流是載有熱質(zhì)的物體的流動(dòng)，輻射是熱質(zhì)的傳播；物體受熱膨脹是因?yàn)闊豳|(zhì)粒子間的相互排斥；物質(zhì)狀態(tài)變化時(shí)的“潛熱”是物持粒子與熱質(zhì)發(fā)生“準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)”的結(jié)果；摩擦或碰撞的生熱現(xiàn)象，是同上于“潛熱”被擠壓出來(lái)以及物質(zhì)的比熱變小的結(jié)果，等等。由于熱質(zhì)的物質(zhì)性，所以它也遵從物質(zhì)守恒定律。
可以說(shuō)，在解釋常見(jiàn)的物理現(xiàn)象上，熱質(zhì)說(shuō)更加直觀。在熱質(zhì)說(shuō)觀點(diǎn)的指導(dǎo)下，熱學(xué)研究所取得的主要進(jìn)展有：布萊克發(fā)現(xiàn)了比熱和潛熱；瓦特從理論上分析了舊蒸汽機(jī)的主要缺陷而引導(dǎo)他改進(jìn)了蒸汽機(jī)；傅立葉依據(jù)這一物理圖象建立了熱傳導(dǎo)理論；卡諾從熱質(zhì)傳遞的觀點(diǎn)出發(fā)于十九世紀(jì)初提出了消耗從熱源取得熱量而得到功的理論。
但是，到了十八世紀(jì)末，熱質(zhì)說(shuō)受到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。1798年，物理學(xué)家本杰明·湯普遜即倫福德伯爵向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)提出了一個(gè)報(bào)告，說(shuō)他在慕尼黑監(jiān)督炮筒鉆孔工作時(shí)，注意到炮筒溫度升高，鉆削下的金屬屑溫度更高的現(xiàn)象，他提出了大量的熱是從哪里來(lái)的這個(gè)問(wèn)題。他在盡量作到絕熱的條件下進(jìn)行了一系列鉆孔實(shí)驗(yàn)，比較了鉆孔前后金屬和碎屑的比熱，發(fā)現(xiàn)鉆磨不會(huì)改變金屬的比熱。他還用很鈍的鉆頭鉆炮筒，半小時(shí)后炮筒從華氏60度升溫到華氏130度，金屬碎屑只有五十多克，相當(dāng)于炮筒質(zhì)量的九百四十八分之一，這一小部分碎屑能夠放出這么大的“潛熱”嗎？他想：“看來(lái)在這些實(shí)驗(yàn)中，由摩擦產(chǎn)生熱的源泉是不可窮盡的。任何與外界隔絕的物體或物體系，能夠無(wú)限制地提供出來(lái)的東西，決不可能是具體的物質(zhì)實(shí)體。在這些實(shí)驗(yàn)中被激發(fā)出來(lái)的熱，除了把它看作是‘運(yùn)動(dòng)’以外，似乎很難把它看作為其他任何東西。”[3]
1799年,英國(guó)化學(xué)家戴維(1778-1829)在真實(shí)裝置中使兩塊冰相互摩擦,并使周圍的溫度比冰還低。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),冰塊摩擦后就逐漸融化了。戴維分析指出,使冰塊融化的熱不可能從周圍的空氣中來(lái),因?yàn)橹車諝獾臏囟缺缺€低;這熱也不可能來(lái)自潛熱,因?yàn)楸诨瘯r(shí)是吸收潛熱、而不是放出潛熱。戴維由此斷言“熱質(zhì)是不存在的”。1812年他終于明確提出：“熱現(xiàn)象的直接原因是運(yùn)動(dòng)，它的轉(zhuǎn)化定律和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化定律一樣，同樣是正確的?！?/span>[3]
熱質(zhì)說(shuō)和熱動(dòng)說(shuō)被完美地融合在相對(duì)論的中的質(zhì)能關(guān)系中。熱是一種能量，兼具運(yùn)動(dòng)和物質(zhì)兩種屬性。熱量能夠反映出物體內(nèi)部微粒隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，它與物體的宏觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，而只與物體的內(nèi)部狀態(tài)有關(guān)，因此有時(shí)也將熱能稱為內(nèi)能。熱能的微觀意義是內(nèi)部微粒的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，宏觀表現(xiàn)則是溫度。
1.2 溫度的物理意義
溫度是衡量物體冷熱程度一個(gè)標(biāo)量?，F(xiàn)代科學(xué)中，溫度對(duì)物理、化學(xué)、生物、地球科學(xué)等多個(gè)學(xué)科都有關(guān)聯(lián)。熱是分子運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)形式，構(gòu)成物體的分子運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能體現(xiàn)的是熱的程度。熱的程度，也就是溫度。
經(jīng)典的熱質(zhì)說(shuō)或熱動(dòng)說(shuō)最難解釋的現(xiàn)象就是熱輻射。輻射換熱不需要中間介質(zhì)，且高溫面的熱量以光速瞬息抵達(dá)低溫面。無(wú)論熱量是一種物質(zhì)還是一種運(yùn)動(dòng)，輻射換熱都難以獲得合理的解釋。這樣，理解不同溫度表面的輻射換熱，就需要了解溫度和輻射之間的關(guān)系，探究溫度的微觀本質(zhì)。微觀上來(lái)講，電子時(shí)刻不停地受到光子的擾動(dòng)，不斷地吸收各種能量的光子，也不停地輻射出各種能量的光子，所以電子在原子核中并不是處于穩(wěn)定狀態(tài)，它的運(yùn)動(dòng)軌跡也不是正圓。一般來(lái)說(shuō)，溫度越高，電子受到的擾動(dòng)越大，其運(yùn)動(dòng)軌跡偏離圓形的趨勢(shì)越明顯；溫度越低，電子受到的擾動(dòng)越小，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡越接近圓(只有在絕對(duì)零度時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡才可能是正圓)。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，原子模型可以看作是盧瑟福的行星模型和電子云模型的結(jié)合：溫度越高，原子模型越接近行星模型；溫度越低，原子模型越接近電子云模型(但在某一瞬間，電子在原子核中有確切的位置)。
溫度的高低反映了電子偏離穩(wěn)定軌道程度的大小，單個(gè)原子(分子)也有溫度。電子偏離圓形軌道的程度越大，表明該原子的溫度越高，電子裂變后放出的能量也越大。所以溫度升高時(shí)物體發(fā)出的電磁輻射向短波方向移動(dòng)。對(duì)于溫度一定的物體來(lái)說(shuō)，它內(nèi)部包含了大量的原子，這些原子中的電子由于受到的擾動(dòng)大小不同，它們裂變放出光子的質(zhì)量也不同，但大致滿足正態(tài)分布，即發(fā)出的光子中能量特別大的和能量特別小的都是極少數(shù)。
人們通常認(rèn)為：熱現(xiàn)象是大量分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的反映，溫度越高分子的平均速率越大，溫度越低分子的平均速率越小。嚴(yán)格意義上講，這一理解可能只適用于一定場(chǎng)景中。我們知道，太陽(yáng)時(shí)刻不停地向外拋射高能粒子，這些粒子的速度接近光速，宇宙中其它恒星也在不停地向外拋射高能粒子，所以在宇宙空間任何地方，都有許多高能粒子正在做雜亂無(wú)章的運(yùn)動(dòng)，這些粒子的速度通常都接近光速或亞光速。這樣看來(lái)宇宙空間的溫度應(yīng)該很高。但事實(shí)上，宇宙空間溫度極低（3K左右）。這說(shuō)明粒子運(yùn)動(dòng)速度大未必溫度就很高，物體的溫度不是由組成它的原子(分子)的平均運(yùn)動(dòng)速度決定的。溫度升高，原子(分子)的平均速度增大。但反過(guò)來(lái)，原子(分子)的平均速度增大并不意味著溫度升高。我們知道，只要物體的溫度在絕對(duì)零度以上就會(huì)向外輻射電磁波，而物質(zhì)向外輻射電磁波的原因是電子受到擾動(dòng)后在靜電力作用下放出光子，并且光子受到的擾動(dòng)越大放出的光子能量也越大，相應(yīng)的物體的溫度也越高。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，原子是儲(chǔ)存熱量的最小單位，單個(gè)原子也有溫度，因?yàn)樗梢詢?chǔ)存熱能。但單個(gè)的帶電粒子如質(zhì)子、電子在不受外界任何擾動(dòng)時(shí)，即便速度再大也不會(huì)向外界釋放能量，因此它們都不能儲(chǔ)存熱能，因而也沒(méi)有溫度。應(yīng)該看到，原子(分子)的高速運(yùn)動(dòng)所具有的能量?jī)H僅是動(dòng)能而不是熱能，和宏觀物體一樣，速度大未必溫度高。宏觀物體的速度與其溫度無(wú)關(guān)，原子(分子)也是如此。一個(gè)原子(分子)的速度比其它原子(分子)的速度大，只能說(shuō)明它的動(dòng)能大，儲(chǔ)存的熱能未必就多。熱能僅儲(chǔ)存于原子核和電子形成的原子體系中，兩者中缺少任何一個(gè)都不能儲(chǔ)存熱能。
了解了上述知識(shí)，我們?cè)倏紤]溫度的概念，就會(huì)有不同的結(jié)論。對(duì)一個(gè)物體而言，倘若它儲(chǔ)存了熱能它就有溫度，并且它儲(chǔ)存的熱能越多它的溫度就越高，反之則溫度越低；倘若物體沒(méi)有儲(chǔ)存熱能則它就沒(méi)有溫度或者說(shuō)它的溫度是絕對(duì)零度；倘若物體不能儲(chǔ)存熱能，則用溫度來(lái)衡量該物體是沒(méi)有意義的。我們知道，原子是儲(chǔ)存熱能的最基本單位，原子的熱能實(shí)際上是儲(chǔ)存在電子中的。單獨(dú)的原子核、單獨(dú)的電子都不能儲(chǔ)存熱能，所以單獨(dú)的原子核、單獨(dú)的電子都沒(méi)有溫度。同樣的道理，光子也不能儲(chǔ)存熱能，它僅僅是熱能的載體，因?yàn)閱为?dú)的原子可以儲(chǔ)存熱能，所以單獨(dú)的原子有溫度，但由于單獨(dú)的光子不能儲(chǔ)存熱能，所以單獨(dú)的光子沒(méi)有溫度，不同能量的光子之間只有能量的差異而沒(méi)有溫度的差異，用溫度來(lái)衡量光子是毫無(wú)意義的。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)：溫度是物質(zhì)內(nèi)部電子儲(chǔ)存熱能的宏觀表現(xiàn)，其本質(zhì)是一種運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。這一認(rèn)知對(duì)深入理解熱量的傳遞方式有很大幫助。
本篇內(nèi)容選自:陳繼良. 從零開(kāi)始學(xué)散熱 . 第四版 .第二章
參考文獻(xiàn)
[1] 斯塔夫里阿諾斯. 全 球 通 史. 北 京 大 學(xué) 出 版 社, 2005, 2(005).
[2] Clausius, Rudolf. (1879). Mechanical Theory of Heat, 2nd Edition. London: Macmillan & Co.
[3] 向義和. 大學(xué)物理導(dǎo)論: 物理學(xué)的理論與方法, 歷史與前沿[M]. 清華大學(xué)出版社有限公司, 1999.
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