熱力學定律在電子產品熱設計中的應用

leon2016 2017-05-22

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。雖然這三大定律已經廣為人知，但在實際的工作中，仍然有不少工程師對其理解錯誤，甚至試圖設計一些違反三大定律的方案。

熱力學第一定律

熱力學第一定律就是能量守恒定律。人們就認為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。

它的熱力學表述為：

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傳熱學專業人員最容易忽略的一個定律。在實際的工作中，我曾不止一次遇到這樣的客戶：他們提出，是否能夠設計一種方案，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。顯然，這樣的客戶忽略了熱力學第一定律，產品工作過程中，發出的熱量并不是一個固定的值，而是隨著工作時間逐漸積累的。如果不允許熱量往外傳遞，產品內部的熱量會轉化成內能，從而導致發熱元器件溫度持續走高。這顯然是一個違反熱力學第一定律的設計方向，是不可能實現的。

2 熱力學第二定律

熱力學第二定律（second law of thermodynamics），熱力學基本定律之一，其表述之一為：熱量不可能自發地從低溫物體傳到高溫物體。這似乎很容易理解，因為在電子產品散熱中，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。克勞修斯：不可能把熱量從低溫熱源傳到高溫物體而不引起其他變化。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。許多熱力學的教材直接指出這兩種說法是等價的。熱力學第二定律的全部意義是指出了能量的品質屬性，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?？藙谛匏拐f不可能在不引起其他變化的前提下使得熱量從低溫熱源傳至高溫熱源，其實就是這個意思。當熱量從高溫到低溫，由于品位下降，便可以自發轉移；但若逆向而行，并非全無可能，卻要引起其他變化了。這里的引起其他變化實際上就是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。需要引入其它設備才能實現。在電子產品的熱量轉移和形式轉換中，基本上只涉及電能到熱能的轉換，以及熱能從發熱器件傳遞到散熱器或者空氣中。相對來講，這是一個比較單一的、沒有其它形式能量參與的熱量轉移過程。

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。

另外一個美妙的幻想是，將電子產品產生的熱量轉化成電能，然后驅動風扇再對發熱元件進行散熱。通過熱力學第二定律，也可以直接否定。

當前，熱力學第二定律的影響范圍已經遠遠超越熱學范疇，其在信息、金融甚至哲學領域都是基本原理之一。

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。絕對零度不可達到這個結論稱做熱力學第三定律。

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。