要想解決產品散熱問題，掌握相關理論知識是最基本的前提。本章將討論如下幾個問題：

1)        基礎認知：熱和溫度

2)        電子產品熱設計需要掌握的傳熱學知識

3)        電子產品熱設計需要掌握的熱力學知識

4)        電子產品熱設計需要掌握的流體力學知識

 熱和溫度

熱是自然界最常見的一種能量之一。熱量的重要性不言而喻，甚至可以說，整個人類文明史就是人類對熱利用技術不斷提升的歷史。

考古證明，約50萬年前，人類就已經開始使用火來加熱、烹飪食物^[1]。發生在近代的第一次科技革命和第二次科技革命，均與熱利用技術緊密相關：

第一次科技革命的核心是蒸汽機的廣泛使用。蒸汽機的核心是液體受熱蒸發，氣壓升高，利用氣體的不斷蒸發來推動機械運動，熱能轉化成機械能；

第二次科技革命引入了電能。發電成為關鍵環節。迄今為止，火力發電（熱能轉化成機械能，然后再轉化成電能）仍然是發電的主要方式。

同其他所有的學科一樣，直到近代，人類才在認識熱的物理本質上取得了明顯的進展。古代人對熱的認知基本完全停留在感性的基礎上，被宗教人員委以各種神話色彩，這不在本書的討論之列，故不詳述。本書對近代熱學和現代熱學做一個概述，幫助讀者理解熱的本質。

1.1熱動說和熱質說

近代熱學是近代物理學的一個分支。關于熱的解釋，近代熱學充滿經典的笛卡爾-牛頓知識體系色彩。

早期關于熱的本質的學說分為熱是一種運動和熱是一種物質兩類。

熱動學說由倫福德伯爵于1798年引入，并由法國物理學家尼古拉·卡諾進一步發展^[2]。牛頓，笛卡爾等人也支持該假說。熱動說的核心觀點是將熱看成是一種運動。熱量從高溫物體傳給低溫物體的原因，是由于高溫物體中的微粒把運動傳給低溫物體中的微粒造成的，而且給出的運動量與接受的運動量相等。按照熱動說，傳熱現象可以很好地從微觀上與動量守恒定律匹配起來。

與熱動說幾乎同一時代，熱質說也在相當長的一段時間得到普遍認同，而且在熱質學說的理解下，還衍生了許多新的、目前仍被認為在經典時空中是正確的概念和定理。熱質說的核心觀點是將熱看成是一種物質，即熱質（caloric）。熱量的單位卡路里（Calorie）即起源自熱質。熱質說簡易地解釋了當時發現的大部分熱學現象：物體溫度的變化是吸收或放出熱質引起的；熱傳導是熱質的流動，對流是載有熱質的物體的流動，輻射是熱質的傳播；物體受熱膨脹是因為熱質粒子間的相互排斥；物質狀態變化時的“潛熱”是物持粒子與熱質發生“準化學反應”的結果；摩擦或碰撞的生熱現象，是同上于“潛熱”被擠壓出來以及物質的比熱變小的結果，等等。由于熱質的物質性，所以它也遵從物質守恒定律。

可以說，在解釋常見的物理現象上，熱質說更加直觀。在熱質說觀點的指導下，熱學研究所取得的主要進展有：布萊克發現了比熱和潛熱；瓦特從理論上分析了舊蒸汽機的主要缺陷而引導他改進了蒸汽機；傅立葉依據這一物理圖象建立了熱傳導理論；卡諾從熱質傳遞的觀點出發于十九世紀初提出了消耗從熱源取得熱量而得到功的理論。

但是，到了十八世紀末，熱質說受到了嚴重的挑戰。1798年，物理學家本杰明·湯普遜即倫福德伯爵向英國皇家學會提出了一個報告，說他在慕尼黑監督炮筒鉆孔工作時，注意到炮筒溫度升高，鉆削下的金屬屑溫度更高的現象，他提出了大量的熱是從哪里來的這個問題。他在盡量作到絕熱的條件下進行了一系列鉆孔實驗，比較了鉆孔前后金屬和碎屑的比熱，發現鉆磨不會改變金屬的比熱。他還用很鈍的鉆頭鉆炮筒，半小時后炮筒從華氏60度升溫到華氏130度，金屬碎屑只有五十多克，相當于炮筒質量的九百四十八分之一，這一小部分碎屑能夠放出這么大的“潛熱”嗎？他想：“看來在這些實驗中，由摩擦產生熱的源泉是不可窮盡的。任何與外界隔絕的物體或物體系，能夠無限制地提供出來的東西，決不可能是具體的物質實體。在這些實驗中被激發出來的熱，除了把它看作是‘運動’以外，似乎很難把它看作為其他任何東西。”^[3]

1799年,英國化學家戴維(1778-1829)在真實裝置中使兩塊冰相互摩擦,并使周圍的溫度比冰還低。實驗發現,冰塊摩擦后就逐漸融化了。戴維分析指出,使冰塊融化的熱不可能從周圍的空氣中來,因為周圍空氣的溫度比冰還低;這熱也不可能來自潛熱,因為冰融化時是吸收潛熱、而不是放出潛熱。戴維由此斷言“熱質是不存在的”。1812年他終于明確提出：“熱現象的直接原因是運動，它的轉化定律和運動轉化定律一樣，同樣是正確的。”^[3]

熱質說和熱動說被完美地融合在相對論的中的質能關系中。熱是一種能量，兼具運動和物質兩種屬性。熱量能夠反映出物體內部微粒隨機運動，它與物體的宏觀運動狀態無關，而只與物體的內部狀態有關，因此有時也將熱能稱為內能。熱能的微觀意義是內部微粒的隨機運動，宏觀表現則是溫度。

1.2 溫度的物理意義

溫度是衡量物體冷熱程度一個標量。現代科學中，溫度對物理、化學、生物、地球科學等多個學科都有關聯。熱是分子運動的宏觀表現形式，構成物體的分子運動的平均動能體現的是熱的程度。熱的程度，也就是溫度。

經典的熱質說或熱動說最難解釋的現象就是熱輻射。輻射換熱不需要中間介質，且高溫面的熱量以光速瞬息抵達低溫面。無論熱量是一種物質還是一種運動，輻射換熱都難以獲得合理的解釋。這樣，理解不同溫度表面的輻射換熱，就需要了解溫度和輻射之間的關系，探究溫度的微觀本質。微觀上來講，電子時刻不停地受到光子的擾動，不斷地吸收各種能量的光子，也不停地輻射出各種能量的光子，所以電子在原子核中并不是處于穩定狀態，它的運動軌跡也不是正圓。一般來說，溫度越高，電子受到的擾動越大，其運動軌跡偏離圓形的趨勢越明顯；溫度越低，電子受到的擾動越小，電子的運動軌跡越接近圓(只有在絕對零度時，電子的運動軌跡才可能是正圓)。從這個意義上來說，原子模型可以看作是盧瑟福的行星模型和電子云模型的結合：溫度越高，原子模型越接近行星模型；溫度越低，原子模型越接近電子云模型(但在某一瞬間，電子在原子核中有確切的位置)。

溫度的高低反映了電子偏離穩定軌道程度的大小，單個原子(分子)也有溫度。電子偏離圓形軌道的程度越大，表明該原子的溫度越高，電子裂變后放出的能量也越大。所以溫度升高時物體發出的電磁輻射向短波方向移動。對于溫度一定的物體來說，它內部包含了大量的原子，這些原子中的電子由于受到的擾動大小不同，它們裂變放出光子的質量也不同，但大致滿足正態分布，即發出的光子中能量特別大的和能量特別小的都是極少數。

人們通常認為：熱現象是大量分子無規則運動的反映，溫度越高分子的平均速率越大，溫度越低分子的平均速率越小。嚴格意義上講，這一理解可能只適用于一定場景中。我們知道，太陽時刻不停地向外拋射高能粒子，這些粒子的速度接近光速，宇宙中其它恒星也在不停地向外拋射高能粒子，所以在宇宙空間任何地方，都有許多高能粒子正在做雜亂無章的運動，這些粒子的速度通常都接近光速或亞光速。這樣看來宇宙空間的溫度應該很高。但事實上，宇宙空間溫度極低（3K左右）。這說明粒子運動速度大未必溫度就很高，物體的溫度不是由組成它的原子(分子)的平均運動速度決定的。溫度升高，原子(分子)的平均速度增大。但反過來，原子(分子)的平均速度增大并不意味著溫度升高。我們知道，只要物體的溫度在絕對零度以上就會向外輻射電磁波，而物質向外輻射電磁波的原因是電子受到擾動后在靜電力作用下放出光子，并且光子受到的擾動越大放出的光子能量也越大，相應的物體的溫度也越高。從這個意義上來說，原子是儲存熱量的最小單位，單個原子也有溫度，因為它可以儲存熱能。但單個的帶電粒子如質子、電子在不受外界任何擾動時，即便速度再大也不會向外界釋放能量，因此它們都不能儲存熱能，因而也沒有溫度。應該看到，原子(分子)的高速運動所具有的能量僅僅是動能而不是熱能，和宏觀物體一樣，速度大未必溫度高。宏觀物體的速度與其溫度無關，原子(分子)也是如此。一個原子(分子)的速度比其它原子(分子)的速度大，只能說明它的動能大，儲存的熱能未必就多。熱能僅儲存于原子核和電子形成的原子體系中，兩者中缺少任何一個都不能儲存熱能。

了解了上述知識，我們再考慮溫度的概念，就會有不同的結論。對一個物體而言，倘若它儲存了熱能它就有溫度，并且它儲存的熱能越多它的溫度就越高，反之則溫度越低；倘若物體沒有儲存熱能則它就沒有溫度或者說它的溫度是絕對零度；倘若物體不能儲存熱能，則用溫度來衡量該物體是沒有意義的。我們知道，原子是儲存熱能的最基本單位，原子的熱能實際上是儲存在電子中的。單獨的原子核、單獨的電子都不能儲存熱能，所以單獨的原子核、單獨的電子都沒有溫度。同樣的道理，光子也不能儲存熱能，它僅僅是熱能的載體，因為單獨的原子可以儲存熱能，所以單獨的原子有溫度，但由于單獨的光子不能儲存熱能，所以單獨的光子沒有溫度，不同能量的光子之間只有能量的差異而沒有溫度的差異，用溫度來衡量光子是毫無意義的。

簡單來說：溫度是物質內部電子儲存熱能的宏觀表現，其本質是一種運動的劇烈程度。這一認知對深入理解熱量的傳遞方式有很大幫助。

 

本篇內容選自:陳繼良. 從零開始學散熱 . 第四版 .第二章

參考文獻

[1] 斯塔夫里阿諾斯. 全 球 通 史. 北 京 大 學 出 版 社, 2005, 2(005).

[2] Clausius, Rudolf. (1879). Mechanical Theory of Heat, 2nd Edition. London: Macmillan & Co.

[3] 向義和. 大學物理導論: 物理學的理論與方法, 歷史與前沿[M]. 清華大學出版社有限公司, 1999.

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