熱力學(xué)定律在電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

leon2016 2017-05-22

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)。雖然這三大定律已經(jīng)廣為人知，但在實(shí)際的工作中，仍然有不少工程師對(duì)其理解錯(cuò)誤，甚至試圖設(shè)計(jì)一些違反三大定律的方案。

熱力學(xué)第一定律

熱力學(xué)第一定律就是能量守恒定律。人們就認(rèn)為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。

它的熱力學(xué)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)第一定律是非傳熱學(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，我曾不止一次遇到這樣的客戶：他們提出，是否能夠設(shè)計(jì)一種方案，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。顯然，這樣的客戶忽略了熱力學(xué)第一定律，產(chǎn)品工作過(guò)程中，發(fā)出的熱量并不是一個(gè)固定的值，而是隨著工作時(shí)間逐漸積累的。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，從而導(dǎo)致發(fā)熱元器件溫度持續(xù)走高。這顯然是一個(gè)違反熱力學(xué)第一定律的設(shè)計(jì)方向，是不可能實(shí)現(xiàn)的。

2 熱力學(xué)第二定律

熱力學(xué)第二定律（second law of thermodynamics），熱力學(xué)基本定律之一，其表述之一為：熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。這似乎很容易理解，因?yàn)樵陔娮赢a(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)。克勞修斯：不可能把熱量從低溫?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ＴS多熱力學(xué)的教材直接指出這兩種說(shuō)法是等價(jià)的。熱力學(xué)第二定律的全部意義是指出了能量的品質(zhì)屬性，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。克勞修斯說(shuō)不可能在不引起其他變化的前提下使得熱量從低溫?zé)嵩磦髦粮邷責(zé)嵩矗鋵?shí)就是這個(gè)意思。當(dāng)熱量從高溫到低溫，由于品位下降，便可以自發(fā)轉(zhuǎn)移；但若逆向而行，并非全無(wú)可能，卻要引起其他變化了。這里的引起其他變化實(shí)際上就是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。需要引入其它設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)。在電子產(chǎn)品的熱量轉(zhuǎn)移和形式轉(zhuǎn)換中，基本上只涉及電能到熱能的轉(zhuǎn)換，以及熱能從發(fā)熱器件傳遞到散熱器或者空氣中。相對(duì)來(lái)講，這是一個(gè)比較單一的、沒(méi)有其它形式能量參與的熱量轉(zhuǎn)移過(guò)程。

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。

另外一個(gè)美妙的幻想是，將電子產(chǎn)品產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化成電能，然后驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇再對(duì)發(fā)熱元件進(jìn)行散熱。通過(guò)熱力學(xué)第二定律，也可以直接否定。

當(dāng)前，熱力學(xué)第二定律的影響范圍已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越熱學(xué)范疇，其在信息、金融甚至哲學(xué)領(lǐng)域都是基本原理之一。

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。絕對(duì)零度不可達(dá)到這個(gè)結(jié)論稱做熱力學(xué)第三定律。

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。