熱設計理論基礎(節選3)

leonchen 2019-08-28

3 熱力學

傳熱學關注的是熱量的傳熱過程，熱力學則是研究物質熱力性質以及能量和能量之間相互轉換的一門學科[8]。熱力學中提到的熱力學三大定律是宏觀評判熱設計方案是否合理的客觀依據。熱力學中的氣體狀態方程對電子產品熱量傳遞行為也有重要影響。本節概述熱力學三大定律和理想氣體狀態方程。

3.1 熱力學第一定律

大量實踐表明，能量守恒定律是自然界的一個普遍的基本規律。能量守恒定律表達的是：能量既不能憑空產生，也不能憑空消失，它只能從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，在轉移和轉化的過程中，能量的總量不變。能量守恒定律適用于存在有熱現象的能量轉換和轉移的過程時，就稱為熱力學第一定律。熱力學第一定律可以表述為：

一個熱力學系統的內能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。

我們將一個典型的電子產品視為一個熱力學系統，顯然，其質量和體積一般不會發生變化。當產品工作時，元器件將持續發熱。根據熱力學第一定律，如果熱量不能被及時傳遞出去，那么系統的內能將持續增加。而我們已知內能與溫度呈正相關，內能增加實質上就意味著溫度的升高。這樣，當熱量散失不及時，帶來的后果將是溫度的升高。

熱力學第一定律是非熱學專業人員最容易忽略的一個定律。在實際的工作中，那些試圖“將產品內部器件發出的熱量封存在產品內部，從而避免外殼高溫”的思路忽略了熱力學第一定律，是不可能實現的。產品工作過程中，元器件持續發熱，如果不允許熱量往外傳遞，產品內部的熱量會轉化成內能儲存在各部件中，內能的持續增加將導致發熱元器件溫度持續走高，最后造成產品過熱失效。

3.2熱力學第二定律

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

熱力學第一定律闡明了能量轉換過程中的守恒關系，指出了不消耗能量而能不斷輸出功的第一類永動機確是一種幻想。熱力學第二定律則更深刻地揭示了能量的品質問題。

熱力學第二定律有數種表達形式。最聞名于世的有克勞修斯表達和開爾文表達?？藙谛匏梗翰豢赡馨褵崃繌牡蜏責嵩磦鞯礁邷匚矬w而不引起其他變化。開爾文：不可能從單一熱源吸取熱量使之完全變為功而不引起其他變化。許多教材直接指出這兩種說法是等價的。熱力學第二定律在承認能量在數量上是守恒的這一前提下，進一步闡釋了能量的品質。任何表述都應該表達出這樣一種思想：同樣是100J的能量，處在不同形式或不同狀態時其品質并不相同。處于高溫狀態下的熱量，品位更高，便可以自發地轉移到品位更低的低溫介質中去。但熱量從低溫介質到高溫介質中的轉移，卻無法自發實現，因為這意味著能量從低品位向高品位躍進。要想實現這一功能，必須要有另外的一部分能量品位降低來彌補所關注的這部分能量的品位的上升。例如，夏天空調將室內熱量轉移到溫度更高的室外，需要引入壓縮機，通過將最高品位的電能轉化成低品位的熱能，才得以實現。

熱力學第二定律在電子產品熱設計中的意義是，如果產品中并不涉及制冷設備，那么，產品中所有元器件的溫度都不可能比環境溫度低。對于那些禁止使用制冷設備，又提出器件溫度必須位于環境溫度以下的設計要求，熱設計工程師可以依據這一定律，直接闡述其不可實現性。

將熱力學第二定律中的描述對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熱。廣義上，處理指令的過程可以認為是將無序的信息按照人們指定的規則有序地整理出來，這個過程會消耗能量，而且輸入的能量必然要付出代價。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，熱能必然產生。元器件能量效率的提升，本質上是減少或弱化指令處理過程中那些消耗電能的副過程。

3.3熱力學第三定律

熱力學第三定律認為，當系統趨近于絕對溫度零度時，系統等溫可逆過程的熵變化趨近于零。第三定律只能應用于穩定平衡狀態，因此也不能將物質看做是理想氣體?？梢院唵螌⑵淅斫鉃榻^對零度不可達到。

熱力學第三定律描述的是絕對零度時物質的狀態，對于電子產品而言，一般不涉及。

3.4熱力學第零定律

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

用公式表達，可能更加簡潔明了：如果Ta = Tb，而Ta = Tc，則Tb = Tc，這類似邏輯學中的推理過程。

熱力學第零定律實際上講述的是熱平衡的逐級傳遞。

3.5理想氣體定律

空氣是電子產品熱設計中最常遇到的流體。我們知道，自然散熱的產品，雖然外部沒有主動驅動氣流的部件，空氣在溫差和重力的雙重作用下，仍然會產生流動，這種流動稱為自然對流。因此，大多數自然散熱的產品（航空航天電子除外），在以散熱手段進行分類時，又常被叫做自然對流散熱產品。

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，這導致實際氣體的性質和變化機制非常復雜。為簡化氣體分子的運動規律，人們引入了理想氣體的概念。理想氣體中，假設氣體分子是一種彈性的、不占有體積的質點，且分子之間沒有相互作用力^[7]。這使得人們可以使用較為簡潔的關系式來描述氣體宏觀物理量與微觀運動。理想氣體狀態方程是描述氣體壓強、密度和溫度之間關聯的基本方程，又稱克拉佩龍方程。其形式如下^[7]：

pV = nRT

式中，p、V、n、R和T分別為氣體的絕對壓強、氣體的體積、氣體摩爾數、通用氣體常數和氣體的絕對溫度。通用氣體常數與氣體的種類和狀態無關，其值約為8.314 J/（mol.K）。

理想氣體狀態方程表明，當維持氣體總量和氣體壓強不變時（即n不變），溫度升高，其體積將會增大。由于氣體總質量恒定，因此溫度升高將導致氣體密度降低。在電子產品中，處于開放環境中的設備，周圍壓強可以近似視為恒定值。設備正常運行時，發熱面溫度高于周圍環境，距離發熱面更近的空氣被加熱而溫度升高。根據理想氣體狀態方程，這部分高溫空氣的密度將會低于周圍的低溫空氣。于是，在重力的作用下，低密度的空氣將會上浮，高密度的空氣則會下沉。因此，發熱設備表面周圍的空氣會流動起來，固體壁面和周圍空氣之間會發生對流換熱。