熱設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)(節(jié)選3)

leonchen 2019-08-28

3 熱力學(xué)

傳熱學(xué)關(guān)注的是熱量的傳熱過(guò)程，熱力學(xué)則是研究物質(zhì)熱力性質(zhì)以及能量和能量之間相互轉(zhuǎn)換的一門(mén)學(xué)科[8]。熱力學(xué)中提到的熱力學(xué)三大定律是宏觀評(píng)判熱設(shè)計(jì)方案是否合理的客觀依據(jù)。熱力學(xué)中的氣體狀態(tài)方程對(duì)電子產(chǎn)品熱量傳遞行為也有重要影響。本節(jié)概述熱力學(xué)三大定律和理想氣體狀態(tài)方程。

3.1 熱力學(xué)第一定律

大量實(shí)踐表明，能量守恒定律是自然界的一個(gè)普遍的基本規(guī)律。能量守恒定律表達(dá)的是：能量既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，能量的總量不變。能量守恒定律適用于存在有熱現(xiàn)象的能量轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)移的過(guò)程時(shí)，就稱為熱力學(xué)第一定律。熱力學(xué)第一定律可以表述為：

一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做的功的和。

我們將一個(gè)典型的電子產(chǎn)品視為一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，顯然，其質(zhì)量和體積一般不會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)產(chǎn)品工作時(shí)，元器件將持續(xù)發(fā)熱。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，如果熱量不能被及時(shí)傳遞出去，那么系統(tǒng)的內(nèi)能將持續(xù)增加。而我們已知內(nèi)能與溫度呈正相關(guān)，內(nèi)能增加實(shí)質(zhì)上就意味著溫度的升高。這樣，當(dāng)熱量散失不及時(shí)，帶來(lái)的后果將是溫度的升高。

熱力學(xué)第一定律是非熱學(xué)專業(yè)人員最容易忽略的一個(gè)定律。在實(shí)際的工作中，那些試圖“將產(chǎn)品內(nèi)部器件發(fā)出的熱量封存在產(chǎn)品內(nèi)部，從而避免外殼高溫”的思路忽略了熱力學(xué)第一定律，是不可能實(shí)現(xiàn)的。產(chǎn)品工作過(guò)程中，元器件持續(xù)發(fā)熱，如果不允許熱量往外傳遞，產(chǎn)品內(nèi)部的熱量會(huì)轉(zhuǎn)化成內(nèi)能儲(chǔ)存在各部件中，內(nèi)能的持續(xù)增加將導(dǎo)致發(fā)熱元器件溫度持續(xù)走高，最后造成產(chǎn)品過(guò)熱失效。

3.2熱力學(xué)第二定律

熱力學(xué)第二定律（second law of thermodynamics）的表述之一為：熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。這一定律說(shuō)明，在電子產(chǎn)品散熱中，如果需要降低某個(gè)器件的溫度，我們始終需要找到一個(gè)比該器件溫度低的冷源，將熱量傳遞到該冷源上去。

熱力學(xué)第一定律闡明了能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的守恒關(guān)系，指出了不消耗能量而能不斷輸出功的第一類永動(dòng)機(jī)確是一種幻想。熱力學(xué)第二定律則更深刻地揭示了能量的品質(zhì)問(wèn)題。

熱力學(xué)第二定律有數(shù)種表達(dá)形式。最聞名于世的有克勞修斯表達(dá)和開(kāi)爾文表達(dá)?？藙谛匏梗翰豢赡馨褵崃繌牡蜏?zé)嵩磦鞯礁邷匚矬w而不引起其他變化。開(kāi)爾文：不可能從單一熱源吸取熱量使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓?。許多教材直接指出這兩種說(shuō)法是等價(jià)的。熱力學(xué)第二定律在承認(rèn)能量在數(shù)量上是守恒的這一前提下，進(jìn)一步闡釋了能量的品質(zhì)。任何表述都應(yīng)該表達(dá)出這樣一種思想：同樣是100J的能量，處在不同形式或不同狀態(tài)時(shí)其品質(zhì)并不相同。處于高溫狀態(tài)下的熱量，品位更高，便可以自發(fā)地轉(zhuǎn)移到品位更低的低溫介質(zhì)中去。但熱量從低溫介質(zhì)到高溫介質(zhì)中的轉(zhuǎn)移，卻無(wú)法自發(fā)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫@意味著能量從低品位向高品位躍進(jìn)。要想實(shí)現(xiàn)這一功能，必須要有另外的一部分能量品位降低來(lái)彌補(bǔ)所關(guān)注的這部分能量的品位的上升。例如，夏天空調(diào)將室內(nèi)熱量轉(zhuǎn)移到溫度更高的室外，需要引入壓縮機(jī)，通過(guò)將最高品位的電能轉(zhuǎn)化成低品位的熱能，才得以實(shí)現(xiàn)。

熱力學(xué)第二定律在電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)中的意義是，如果產(chǎn)品中并不涉及制冷設(shè)備，那么，產(chǎn)品中所有元器件的溫度都不可能比環(huán)境溫度低。對(duì)于那些禁止使用制冷設(shè)備，又提出器件溫度必須位于環(huán)境溫度以下的設(shè)計(jì)要求，熱設(shè)計(jì)工程師可以依據(jù)這一定律，直接闡述其不可實(shí)現(xiàn)性。

將熱力學(xué)第二定律中的描述對(duì)象延伸為所有形式的能量，得出的另一層抽象的推論是元器件通電處理指令將必然發(fā)熱。廣義上，處理指令的過(guò)程可以認(rèn)為是將無(wú)序的信息按照人們指定的規(guī)則有序地整理出來(lái)，這個(gè)過(guò)程會(huì)消耗能量，而且輸入的能量必然要付出代價(jià)。元器件輸入的能量為電能，由于能量的守恒性，能量的總量在處理指令前后不可能發(fā)生變化，因此只能是品位降低。熱能是唯一品位低于電能的能量形式，因此，熱能必然產(chǎn)生。元器件能量效率的提升，本質(zhì)上是減少或弱化指令處理過(guò)程中那些消耗電能的副過(guò)程。

3.3熱力學(xué)第三定律

熱力學(xué)第三定律認(rèn)為，當(dāng)系統(tǒng)趨近于絕對(duì)溫度零度時(shí)，系統(tǒng)等溫可逆過(guò)程的熵變化趨近于零。第三定律只能應(yīng)用于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，因此也不能將物質(zhì)看做是理想氣體。可以簡(jiǎn)單將其理解為絕對(duì)零度不可達(dá)到。

熱力學(xué)第三定律描述的是絕對(duì)零度時(shí)物質(zhì)的狀態(tài)，對(duì)于電子產(chǎn)品而言，一般不涉及。

3.4熱力學(xué)第零定律

除了上述三大定律，熱力學(xué)里還有一個(gè)第零定律：如果兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中的每一個(gè)都與第三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡(溫度相同)，則它們彼此也必定處于熱平衡。

用公式表達(dá)，可能更加簡(jiǎn)潔明了：如果Ta = Tb，而Ta = Tc，則Tb = Tc，這類似邏輯學(xué)中的推理過(guò)程。

熱力學(xué)第零定律實(shí)際上講述的是熱平衡的逐級(jí)傳遞。

3.5理想氣體定律

空氣是電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)中最常遇到的流體。我們知道，自然散熱的產(chǎn)品，雖然外部沒(méi)有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)氣流的部件，空氣在溫差和重力的雙重作用下，仍然會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)，這種流動(dòng)稱為自然對(duì)流。因此，大多數(shù)自然散熱的產(chǎn)品（航空航天電子除外），在以散熱手段進(jìn)行分類時(shí)，又常被叫做自然對(duì)流散熱產(chǎn)品。

氣體的密度通常很低，這意味著氣體分子之間的平均距離要比液體和固體大很多。因此，氣體分子本身的體積通常比氣體所占的體積小得多，分子之間的作用力也比較弱[8]。雖然分子間作用力較弱，但這些力仍然是存在的，這導(dǎo)致實(shí)際氣體的性質(zhì)和變化機(jī)制非常復(fù)雜。為簡(jiǎn)化氣體分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，人們引入了理想氣體的概念。理想氣體中，假設(shè)氣體分子是一種彈性的、不占有體積的質(zhì)點(diǎn)，且分子之間沒(méi)有相互作用力^[7]。這使得人們可以使用較為簡(jiǎn)潔的關(guān)系式來(lái)描述氣體宏觀物理量與微觀運(yùn)動(dòng)。理想氣體狀態(tài)方程是描述氣體壓強(qiáng)、密度和溫度之間關(guān)聯(lián)的基本方程，又稱克拉佩龍方程。其形式如下^[7]：

pV = nRT

式中，p、V、n、R和T分別為氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)、氣體的體積、氣體摩爾數(shù)、通用氣體常數(shù)和氣體的絕對(duì)溫度。通用氣體常數(shù)與氣體的種類和狀態(tài)無(wú)關(guān)，其值約為8.314 J/（mol.K）。

理想氣體狀態(tài)方程表明，當(dāng)維持氣體總量和氣體壓強(qiáng)不變時(shí)（即n不變），溫度升高，其體積將會(huì)增大。由于氣體總質(zhì)量恒定，因此溫度升高將導(dǎo)致氣體密度降低。在電子產(chǎn)品中，處于開(kāi)放環(huán)境中的設(shè)備，周圍壓強(qiáng)可以近似視為恒定值。設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)熱面溫度高于周圍環(huán)境，距離發(fā)熱面更近的空氣被加熱而溫度升高。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，這部分高溫空氣的密度將會(huì)低于周圍的低溫空氣。于是，在重力的作用下，低密度的空氣將會(huì)上浮，高密度的空氣則會(huì)下沉。因此，發(fā)熱設(shè)備表面周圍的空氣會(huì)流動(dòng)起來(lái)，固體壁面和周圍空氣之間會(huì)發(fā)生對(duì)流換熱。

圖2-8 自然散熱產(chǎn)品周圍空氣的流動(dòng)

空氣密度隨溫度的升高而降低，在重力的作用下，這將產(chǎn)生浮升力。這一現(xiàn)象在工程中有很多應(yīng)用?？酌鳠簟釟馇虻染谶@一原理。生活中將空調(diào)出風(fēng)口掛的比較高，而將暖氣片放到房間比較低的位置也是利用了冷空氣密度大下沉，熱空氣密度低上浮的效應(yīng)。