思考基本熱學概念

作者 : Bill Schweber,EE Times/EDN/Planet Analog資深技術編輯

散熱是許多設計中的一個主要課題。無論是降低或管理熱耗散、使用各種冷卻技術、甚至為冷卻或超導而製冷,與熱相關的問題在工程考慮中都是普遍存在的。

散熱是許多設計中的一個主要課題。無論是降低或管理熱耗散、使用各種冷卻技術、甚至為冷卻或超導而製冷,與熱相關的問題在工程考慮中都是普遍存在的。

工程師通常在宏觀的範圍內考慮熱問題。相比之下,許多理論物理學家卻從非常微觀——我認為是從原子和分子的熱「生命」(life)角度,來看待熱效應。

無論學習哪門學科,許多工程師都會在某個階段接觸熱學課程。就算不是在正式的課堂上,網路上也有不少由學者和供應商提供的優秀教材。這些課程和教材都會講解基礎知識,如熱源、熱流、阻抗、導熱率和建模等基礎知識,如圖1所示。這些通常用作檢查被動和主動散熱管理工具的先導,這些工具包括散熱器、熱管和冷板、風扇、空調,甚至基於流體的冷卻系統。

 

圖1:這類顯示了半導體元件封裝的熱流路徑和電阻的熱模型,是設計過程中的關鍵部分。

(來源:立錡科技)

 

事實上我對熱科學是既愛又恨。許多年前,我愚蠢地報名參加了一門熱物理課程,希望學習宏觀方面的知識,但這門課程實際上是關於微觀方面的,對工程設計幾乎毫無用處。相反,它是關於基礎物理學的深入研究;它甚至包括仔細閱讀愛因斯坦在1905年發表的一篇關於隨機布朗運動的論文(當然是譯文版),這篇論文援引了由高等微積分支援的抽象理論結構之間的複雜相互作用。但課程從未提及熱流繞不開的三大支柱——傳導、對流和輻射,如圖2所示,因此我很快意識到這對整門課程來說不是個好兆頭。

 

圖2:瞭解熱量和能量流動的三種方式是熱力學和熱分析至關重要的第一步。

(來源:solpass.org)

 

不過,說到熱愛的那一面,我真心很喜歡學習——誠然是在不同的環境中——學習廣泛的熱學概念和熱學分析,用來評估和管理電子系統中的熱量,以及理解和管理熱量流動的實用方法。

由於對熱問題的複雜情緒,我有點猶豫要不要讀一本最近出版的關於這個話題的書。Paul Sen的《愛因斯坦的冰箱:冷與熱的區別如何解釋宇宙》(《Einstein’s Fridge : How the Difference of Hot and Cold Exploration the Universe》)是對我們所說的熱的基本問題的一個整體性審視;不同的實驗者、工程師和研究人員如何為我們今天對它的理解做出貢獻;從最初的調查到現在的誤解和誤解;熱力學的三個「簡單」定律;更多資訊請參見圖3。它在理論、歷史、誤解、部分答案、矛盾、實際影響和宏觀視角等相互競爭的視角之間穿行,只有幾個非常簡單的方程式和許多類比。

 

圖3:這本最近出版的書提供了關於熱學及其諸多影響、意義,以及歷史背景的廣泛視角和洞察力。

(來源:Scribner/Simon and Schuster)

 

當然,我們需要這種程度的洞察力,尤其是那些聲稱要向我們通報能源相關話題的記者。例如,在《華爾街日報》(The Wall Street Journal)最近的一篇文章中,「為家裡取暖既昂貴又含碳量大。熱泵能幫上忙嗎?」(Heating Your Home Is Expensive and Carbon Heavy. Will Heat Pumps Help?)作者把熱流稱為「粒子」,但我不知道這種粒子的存在。

此外,作者還引用了熱泵的另一個可能優點,稱「與燃燒天然氣、石油或煤炭的傳統熔爐不同,熱泵是電動的,不依賴排放密集型燃料。如果從電網獲得的電力來自可再生能源,則根本不需要化石燃料。」等等…這句話不適用於所有電動加熱供暖系統,而不僅僅是熱泵嗎?這篇文章的600多條評論中有許多指出了其他誤解、嚴重的過度簡化,以及在能源問題上的誤導性陳述。事實上,與所有加熱供暖系統一樣,熱泵也有一系列的優點和缺點,這些優點和缺點取決於當地條件、環境、房屋類型等。

雖然我認為我知道的和我根據學術研究和實踐經驗所需要瞭解的一樣多,但這本書仍然是思考屬於「全部意義」範疇的問題的好方法,因此非常值得我花時間。

然而,關於這本書,我確實有兩個小問題:首先,有一個相當誤導人的書名,我認為這是出版商強加給作者的,目的是更好地吸引潛在讀者(和搜尋引擎)的興趣。愛因斯坦確實利用自己的熱能見解設計並製造了一台高效能冰箱,但這只是本書的一小部分。第二,封面圖形是向後的:藍色(表示冷)應位於弧的左側,紅色表示暖,而藍色/冷的弧指示器段的寬度應較窄,紅色/暖的弧指示器段的寬度應較寬。

你對熱問題和熱力學有什麼經驗?你是否有逐漸消失的誤解?你有沒有為了更深入的瞭解而鑽研過熱物理?

(參考原文:Taking a Step Back: Basic Thermal Concepts,by Bill Schweber)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌20224月號

 

 

 

 

 

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發表評論

  1. 德龍 賴表示:

    那個「封面圖形是向後的」語意不明。我猜測是翻譯的錯誤;原文(我沒讀過)本意可能是「封面圖形是反向的」,意思是說顏色和溫度(或者說熱流量)是相反的;例如,我們知道藍色光譜的恆星具有較高的表面溫度…