Ну чтож, продолжу "краткий курс ВКП(б)"
На предыдущей странице был пост посвященный теплопроводности, теперь так-же по вершкам по механизму теплоемкости
Согласно одному из начал термодинамики (кажется третьему) энтропия всегда положительна. Это значит что холодный предмет будет нагреваться от горячего но никак наоборот холодный предмет никогда не станет еще холоднее, а горячий горячее
. Отсюда вывод - при росте температуры, вещество будет поглощать энергию (т.е переводить свои электроны на более высокоэнергетические орбиты), увеличивая таким образом свою внутреннюю энергию (амплитуда колебаний растет) и уменьшая количество квантов энергии во вне. Соответственно при уменьшении общей энергии системы(температура падает), энергетически более выгодно будет отдать излишний квант (перевести электроны на более низкую орбиту). Поскольку на перевод электронов энергия расходуется то получается своего рода тепловой аккумулятор. Емкость такого "аккумулятора" можно назвать теплоемкостью.Резюмирую - теплоемкость это свойство вещества накапливать энергию при нагревании и отдавать ее при охлаждении. У разных веществ она соответственно разная. И к нашему счастью у воды она одна из самых больших (выше только у расплавов щелочных металлов). Теперь, когда есть представление о механизмах теплопроводности и теплоемкости, вернемся с высот теории на землю, т.е. к нашим системам водяного охлаждения.Итак давайте рассмотрим все процессы которые происходят при съеме тепла с поверхности CPU. Мы имеем мощность теплового потока в 130 Вт, который выделяется с поверхности площадью 9 кв.см (0.0009 кв.м). Таким образом величина теплового потока составляет около 145 тысяч(!) Вт/м2. Для справки - электрогриль на 1 кв.метр дает величину примерно в 13 тысяч Вт/м2. Каково, а? Более чем десятикратное превышение! При этом не забываем, что нам необходимо поддерживать диапазон приемлимых рабочих температур на поверхности. Какой объем тепла уйдет с рассматриваемой площади? Расчет тепловых потоков выполняется по уравнению Ньютона-Рихмана для теплообменных процессов и по уравнению Стефана-Больцмана по излучению. Приводить здесь полный расклад, я думаю, смысла нет. А краткий вывод скажу. Так вот если теплообмен будет происходить
только с поверхности процессора в воздушной среде процессор может отдать внешней среде при дельта тэ 40 градусов - менее 0,1 Вт!!! Вывод - процессоры должны гореть как бенгальские огни, но у нас на столе стоит компьютер и он работает, как же так? Рассмотрим более подробно формулу Ньютона-Рихмана
Q=A(t1-t0)
где А - коэффициент теплоотдачи, мера интенсивности процесса конвективного теплообмена между твердой поверхностью и потоком жидкости/газа. Коэффициент теплоотдачи является сложной функцией скорости и режима течения, формы и размеров обтекаемой поверхности, теплофизических свойств жидкости/газа. Т.е. меняя тот или иной параметр можно менять и данный коэффициент. Можно сказать, что разработка методов расчета коэффициента теплоотдачи – это главная задача теории конвективного теплообмена. Таким образом сначала увеличили площадь теплообмена. Это достигается применением радиаторов. Систему процессор-радиатор, грубо, можно представить как единый объект. Соответственно площадь для конвективного теплообмена значительно увеличивается. Следующий шаг - интенсификация воздушных потоков (т.е. прикрутили крутилятор). Коэффициент еще вырос. Но у нас растет и тепловыделение процессора. Значит наступает такой момент когда все ухищрения становятся либо неэффективны, либо неоправданно дорогими. Вывод - необходимо менять теплофизические свойства рабочего тела. А как их поменять? Только сменив теплоноситель. И вот здесь выходит на сцену вода - аплодисменты!!! Замечательным свойством воды является ее экстремально высокая теплоемкость(4200 Дж/(кг*К). Мольная теплоемкость воздуха 2900 Дж/(моль*К), что в пересчете на молярную массу составляет 841 Дж/(кг*К), учитывая что плотность воздуха при давлении 1 атм. составляет 1.29 кг/куб.м, а плотность воды 1004 кг/куб.м получаем что теплоемкость одного объема воды превышает теплоемкость такого же объема воздуха в 3887 раз!!! Это означает, что можно значительно сократив площадь теплообмена,можно тем не менее, значительно увеличить тепловой поток. Конечно, жидкостные системы привносят и свои трудности. В этом мире ничего не бывает бесплатно. Самый главный недостаток - это то, что система становится закрытой. В системах воздушного охлаждения рабочее тело берется из вне и так же тупо выдувается. Перед инженером не стоит задача охладить воздух который прошел над процессором.. Ушел и скатерью ему дорога. В СВО, увы, эту задачу надо решать. Значит добавляется второй теплообменник. Далее высокое сопротивление среды. Плотность и вязкость жидкости на порядки превосходит такие у газов. Значит возникает проблема транспортировки рабочего тела. Например, мощность кулера 5-8 Вт, а мощность помпы уже 50-60 Вт. А тепло от работы помпы (если она погружная), то же уйдет в систему. Считай еще один нагреватель. Если помпа внешняя, то соответственно тепловая нагрузка будет меньше, но все равно она (нагрузка) будет иметь место. Плюс сюда ГС. Так же надо напомнить про электробезопасность. Приемлимых диэликтрических жидкостей пока не наблюдается. Вроде есть полиэтилсилановые теплоносители, но теплоемкость все равно ниже. А самый главный недостаток ПЭС - это цена. С водой в обозримом будущем ничего не сравнится.
Но, тем не менее, высокая теплоемкость рабочего тела в значительной степени компенсирует эти недостатки. Так что на современном этапе, имхо, переход на гидравличиские системы оправдан.
Помощь
...
...
Не, тепловая трубка это не "водянка". Это своего рода тепловой насос, предназначенный для быстрого перемещения теплоты. При этом сама ТТ ничего не охлаждает и ничего не нагревает. Это инженерное решение создано для того чтобы быстро доставить некий объем теплоты из точки А в точку Б. А что будет далее с этой теплотой, то это уже другая задача. Вот например, взять пруток чистой меди и ТТ. Если абстрагироваться от внутреннего строения ТТ и представить ее сделаной из некого материала целиком, то для наблюдателя получится что этот материал имеет теплопроводность в десятки тысяч раз больше чем медь.
