做电子产品与热设计是分不开的,比如发热的手机对于客户的体验就非常差,电风吹吹着吹着就热保护了,甚至是锂电池发热起火爆炸等。因此热设计做的好对于产品的体验和口碑有的重要的作用。
在产品设计中,对于热如果要采取一些热对策,必须首先了解什么是热及其特性,还需要知道一些与热有关的名词的定义、单位等基础知识。
1. 温度和热
温度是表示物体冷热程度物理量。较常用的温标有摄氏温标(℃)和华氏温标( ℉)。譬如,浴缸内的热水温度(水温)如果是 38℃和 42℃,则可通过温度来表示相对较热的情况。大家暂且将温度理解为表示冷热程度物理量。
热是表示从高温部向低温部传递的能量,热量通过物体传递来使物体的温度发生变化。譬如,将热水倒入杯中杯子变热,是因为热水的热量传递到了杯子上。
2. 热量、焦耳
热量是指由于温度差别而转移的能量;也就是说将热量数值化。在温度不同的物体之间,热量总是由高温物体向低温物体传递。符号使用 Q (heat Quantity 的 Q),单位为 J(焦耳)。
3. 发热量
发热量是指单位时间内热的产生量或转移量。热量的单位是焦耳(J),而发热量主要使用瓦特(W)。瓦特通过焦耳和时间(秒)来定义。
4. 比热容和热容
比热容是指使得 1g 物质的温度上升 1K 时所需的热量。符号使用 C,单位为 J/K・g。(K:绝对温度(+1℃ = +1K))每一物质的比热容都不同。水的比热容较大,所以同等质量的水和空气吸收的热量水就大一些(水的比热容是4.2kJ/ (kg*K),空气的比热容约是1.4kJ/ (kg*K)),因此水可以用于降温,有些电脑散热器也有通过水冷的。
热容是指使得某一定量的物质温度上升 1K 时所需的热量。符号使用 C,是该物质的比热容乘以克数而得到的值。
5. 热的性质:热传递(传热)、热平衡
重要的热的性质包括以下 2 项。
·热必然是从高温侧向低温侧的物质传递⇒ 热传递(传热)
·当两者的温度相等时,热传递不再进行⇒ 热平衡
这些都是通过日常经验得来的,所以大家不难进行想像。热从高温侧向低温侧传递叫做热传递或者传热。当两方的温度相同时,热的传递停止,我们将这种状态叫做热平衡状态。
6. 热传递的种类
热传递(传热)包括 3 种形式。物质传递热的“热传导”和“热对流”、通过电磁波传递热的“热辐射”。篝火图简明易懂地示出了各自的情况。篝火发出的热,将金属棒作为媒介而传递(热传导),变暖的空气上升(热对流)传到我们身边,同样也通过辐射(热辐射)传到我们身边。
热传导
热传导(传导)是指热通过物质传递的现象, 通过原子或分子的晶格振动的传播和自由电子的移动来传递热。按照热的特性,热从高温侧向低温侧传导。液体比气体易于进行热传导,固体比液体易于进行热传导。
我们将用数值来表示此热传递的难易度的叫做热导率。
热导率根据物质而不同。当每1m长有1℃的温差时,热导率表示在单位時间1sec 内移动单位断面积1m2 的热量,单位为(W/m・K)。这意味着热导率的数值越大热越容易传递。此外,前面所描述的“热按照气体<液体<固体的顺序易于传递”, 表示热导率按照气体<液体<固体的顺序从高到低。
当然,固体中热导率也会根据种类而不同。
热对流
热对流是指热通过因温度差产生的流体(气体或液体)移动而被传递的现象。 气体及液体在温度上升时会膨胀,密度变小且变轻,因而会逐渐上升。反之,当温度下降时气体及液体会变重,因而会逐渐下降。
所以为什么雨都是从天下掉到地面(天空的温度更低,气体积成云然后变成液体),而地面到天空的总是水蒸气(地面温度高,液体蒸发变成气体上升)。
热辐射
热辐射是指热通过辐射线(电磁波)传递的现象,也叫做热放射。不仅可经由物质来进行热传递,而且还可通过辐射线来进行热传递,所以即使在真空中也可进行热传递。太阳的热传递到地球,是通过此热辐射来进行的。
7.电子产品热模型
此图列出了热传导、 热对流、 热辐射与设备或零部件的冷却有着什么样的关系。
此例中,电子零部件发出的热由于热传导而向安装基板传导并分散。 由于零部件及安装基板的热而引起热对流, 并使得周围温度平均化,温度随之下降。这种情况下,安装基板的热辐射对热对流发挥辅助性的作用。
热传导:对温度的均一化做出贡献
热对流:对平均温度的降低做出贡献(散热量的约 80%)
热辐射:对热对流发挥辅助性的作用(散热量的约 20%)
小结
本文我们以热的基本特性和术语为中心进行了解释。 这些术语都比较接近我们的生活,所以通过与日常经验等进行对照,弄清这些基本概念是不难的。
今天的文章 【电子通识】热的基础知识分享到此就结束了,感谢您的阅读。
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