Κατ’αρχην η θερμότητα είναι μορφή ενέργειας που μεταφέρεται μεταξύ δυο συστημάτων εξαιτίας της διαφοράς θερμοκρασίας. Στο καθημερινό μας λεξιλόγιο χρησιμοποιούμε τον όρο θερμότητα λανθασμένα για να προσδιορίσουμε το πόσο ζεστό είναι ένα σώμα.Το πόσο θερμό είναι ένα σώμα εξαρτάται από τη θερμική ενέργεια που έχει. Δηλαδή ένα σώμα είναι πιο θερμό από ένα άλλο αν έχει περισσότερη θερμική ενέργεια. Η θερμότητα στην ουσία είναι μεταφορά ενέργειας από ένα σώμα σε ένα άλλο και γίνεται αντιληπτή μόνο κατά τη μεταφορά της. Επειδή όμως είναι πιο εύκολο να χρησιμοποιούμε τον όρο θερμότητα γενικά στο παρόν κείμενο δεν θα γίνεται διάκριση μεταξύ θερμότητας και θερμικής ενέργειας.
Ας αρχίσουμε με μερικά καθημερινά παραδείγματα. Όλοι ξέρουμε ότι αν ζεστάνουμε ένα σύρμα στο ένα άκρο του σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα θα ζεσταθεί και το άλλο. Αν υποθέσουμε τώρα ότι κρατάμε το σύρμα παραπάνω απ’ότι έπρεπε(μην το επιχειρήσετε μόνοι σας :)) η επόμενη κίνηση μας είναι να ανοίξουμε τη βρύση ώστε το νερό να κρυώσει τα καμένα μας δάκτυλα.
Η θερμότητα δηλ.μεταδιδεται όπως είδαμε σε ένα σώμα (σύρμα) αλλά μπορεί να μεταδοθεί και από ένα σώμα σε ένα άλλο(σύρμα>δάκτυλα>νερό).Υπάρχουν τρεις τρόποι μετάδοσης της θερμότητας:
1)Με αγωγή(conduction) :Με τον τρόπο αυτό μεταδίδεται η θερμότητα στα στερεά(όπως το σύρμα).Με τον ίδιο τρόπο μεταδίδεται και στα υγρά ή αέρια όταν μπορούμε να τα θεωρήσουμε ακίνητα. Χωρίς να αναλύσω περισσότερο απλά αναφέρω ότι στα στερεά η θερμότητα μεταδίδεται λόγω των ταλαντώσεων των μορίων στο πλέγμα του στερεού και την ενέργεια που μεταφέρεται από ελεύθερα ηλεκτρόνια ενώ στα υγρά και τα αέρια λόγω της τυχαίας κίνησης των μορίων τους.
2)Με μεταφορά(convection) :Μ’αυτόν τον τρόπο μεταφέρεται θερμότητα από ένα στερεό σε αέρια ή υγρά (και το αντίστροφο) τα οποία βρίσκονται σε κίνηση(όπως το παράδειγμα με το χέρι κάτω από τη βρύση).Όσο γρηγορότερα κινείται το υγρό η αέριο τόσο μεγαλύτερη είναι η μεταφορά θερμότητας.
3)Με ακτινοβολία(radiation) :Η θερμότητα εδώ μεταδίδεται με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Θερμότητα με ακτινοβολία εκπέμπουν όλα τα σώματα τα οποία έχουν θερμοκρασία μεγαλύτερη του απολύτου μηδενός. Με τον τρόπο αυτό μεταδίδεται η θερμότητα από τον ήλιο στη γη και τους υπόλοιπους πλανήτες. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα του ήλιου απορροφώνται από τη γη και έτσι αυξάνει η θερμοκρασία της.
Αυτοί είναι οι μηχανισμοί μετάδοσης της θερμότητας. Έχοντας αυτές τις γενικές γνώσεις ας προχωρήσουμε να εξετάσουμε πως λειτουργούν οι ψύκτρες.
Ο υπολογιστής είναι ένα σύστημα που παίρνει ηλεκτρική ενέργεια και τη μετατρέπει σε θερμική. Οι σύγχρονες cpu και gpu ή vpu παράγουν έως και πάνω από 100W ισχύος. Αν νομίζετε ότι αυτό είναι λίγο προσπαθήστε να πιάσετε μια λάμπα παρόμοιας ισχύος. Η ενέργεια αυτή που παράγεται πρέπει να απορριφθεί γιατί αλλιώς αν συσσωρευτεί η θερμοκρασία θα ανέβει με καταστρεπτικά αποτελεσματα. Αυτή τη δουλεία κάνουν οι ψύκτρες.
Η ροή της θερμότητας από τη cpu στον αέρα γίνεται ως εξής:
a)Από την επιφάνεια του επεξεργαστή στην θερμοαγώγιμη πάστα
b)Από την θερμοαγωγιμη πάστα στην ψύκτρα
c)Από την ψύκτρα στον αέρα η στο υγρό αν χρησιμοποιούμε υγρόψυξη
Πως όμως μεταφέρεται η θερμότητα στα διάφορα αυτά στάδια?
Στα στάδια a και b η θερμότητα μεταδίδεται με αγωγή ενώ στο c με μεταφορά και με ακτινοβολία σε πολύ μικρό ποσοστό όμως σε σχέση με την ενέργεια από μεταφορά στη συνήθη θερμοκρασία. Εκτός αυτού η ψύκτρα δέχεται και αυτή με τη σειρά ένα ποσό θερμότητας με ακτινοβολία από τα υπόλοιπα υποσυστήματα του συστήματος και από το tower οπότε δεν λαμβάνουμε υπόψη μας τη θερμ. που μεταδίδεται με ακτινοβολία.
Γιατί όμως βάζουμε ψύκτρα? Δεν μπορεί η θερμότητα να αποβληθεί απευθείας από τη cpu?
Η εξίσωση που δίνει τη μεταφορά θερμότητας από ένα στερεό σε ένα υγρό ή αέριο είναι:
Qconv=h*A*(Ts-Tf ) , Qconv=ρυθμός μεταφοράς θερμότητας
h=συντελεστής μεταφοράς θερμ.
A=επιφάνεια ψύκτρας
Ts=θερμ. επιφάνειας ψύκτρας
Tf=θερμ. αέρα
Όπως βλέπουμε το Q αυξάνει με την αύξηση του Α δηλαδή το ποσό της θερμότητας που μεταφέρεται στον αέρα είναι μεγαλύτερο όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια της ψύκτρας. Η επιφάνεια της cpu είναι πολύ μικρή για να αποβάλλει τόση ενέργεια. Στην ουσία παρεμβάλουμε μεταξύ επιφάνειας cpu και αέρα μια άλλη επιφάνεια πολύ μεγαλύτερη ώστε να έχουμε καλύτερη απαγωγή θερμότητας. Γι’άυτο οι ψύκτρες έχουν πολλά fins ώστε να έχουν μεγάλη επιφάνεια.
Το h στην εξίσωση παραπάνω εξαρτάται από πολλές παραμέτρους:γεωμετρία επιφάνειας, φύση της κίνησης του ρευστού(ρευστο=υγρο ή αέριο),ιδιότητες ρευστού και ταχύτητα του .Δεν εξαρτάται από το υλικό της ψύκτρας. Οπότε…
Ποιο είναι το καλύτερο υλικό για την ψύξη της cpu?
Για να απαντήσουμε σ’αυτό το ερώτημα πρέπει να εξετάσουμε πως γίνεται η μετάδοση της θερμότητας από το κάτω μέρος της ψύκτρας που εφάπτεται στη cpu (μέσω της θερμοαγώγιμης πάστας) στην επιφάνεια της ψύκτρας που έρχεται σε επαφή με τον αέρα. Όπως είδαμε και πιο πάνω η μετάδοση γίνεται με αγωγή. Η εξίσωση που δίνει το ρυθμό μετάδοσης της θερμότητας με αγωγή είναι:
Qcond=k*A*(Τ1-T2)/Δχ , Qcond=ρυθμός θερμικής αγωγής
k=θερμική αγωγιμότητα του υλικού
Α= επιφάνεια
Τ1=θερμ. επιφ. ψύκτρας στη cpu
T2=θερμ. επιφ. ψύκτρας στο πάνω μέρος
Δχ=αποσταση των επιφανειών
Η εξίσωση αυτή αναφέρεται σε μια “υποτιθέμενη” ψύκτρα σε σχήμα πλάκας όπου η μετάδοση της θερμότητας γίνεται σε διεύθυνση κάθετη της επιφάνειας .Αυτό βέβαια δεν ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα καθώς οι ψύκτρες δεν είναι επίπεδα μέταλλα. Όμως ο υπολογισμός θερμότητας για τα πολύπλοκα σχήματα που έχουν οι ψύκτρες είναι δύσκολος και δεν μας ενδιαφέρει στο παρόν άρθρο. Εξετάζουμε το ζήτημα ποιοτικά και όχι ποσοτικά..
Το k στην εξίσωση αποτελεί το μέτρο της ικανότητας του υλικού να μεταδίδει τη θερμότητα. Έτσι ένα υλικό που έχει μεγάλη k,σημαίνει ότι μπορεί να μεταφέρει περισσότερη θερμότητα υπό τις ίδιες συνθήκες από ένα άλλο που έχει μικρότερη. Ο χαλκός και ο άργυρος έχουν υψηλές τιμές k ενώ το αλουμίνιο μικρότερη. Το αλουμίνιο όμως είναι φτηνότερο και γι’αυτό χρησιμοποιείται περισσότερο ενώ ο άργυρος…καθόλου.
Αν έχουμε τώρα δυο ψύκτρες ,μια από χαλκό και μια από αλουμίνιο, με το ίδιο ακριβώς σχήμα και κατά συνέπεια την ίδια επιφάνεια, τότε όλες οι μεταβλητές της εξίσωσης θα είναι ίδιες εκτός από το k.Άρα η ψύκτρα με το μεγαλύτερο k θα είναι αυτή που θα μπορεί να μεταδίδει περισσότερη θερμότητα από την cpu στην επιφάνεια της που έρχεται σε επαφή με τον αέρα. Αν εξαιρέσουμε τον άργυρο τότε η χάλκινη ψύκτρα θα μεταδίδει περισσότερη θερμότητα έναντι του αλουμινίου. Τι σημαίνει όμως αυτό?
Αφού η χάλκινη ψύκτρα συσσωρεύει περισσότερη θερμότητα στην επιφάνεια της θα έχει και μεγαλύτερη θερμοκρασία. Ας επανέλθουμε τώρα στην εξίσωση μεταφοράς .Όπως είχαμε πει η μεταφορά θερμότητας από την επιφάνεια της ψύκτρας στο αέρα δεν εξαρτάται από το υλικό της. Και αφού και οι δυο έχουν το ίδιο σχήμα τότε το h και το A και στις δυο περιπτώσεις θα είναι το ίδιο. Άρα το Qconv θα εξαρτάται μόνο από τον παράγοντα (Ts-Tf ).Και αφού στη χάλκινη ψύκτρα θα έχουμε μεγαλύτερη θερμοκρασία επιφάνειας η διαφορά (Ts-Tf )χαλκού θα είναι μεγαλύτερη της (Ts-Tf ) αλουμινίου. Άρα το cpu fan στην περίπτωση του χαλκού θα μεταφέρει περισσότερη θερμότητα στον αέρα.
Σε μια σταθερή διαδικασία παραγωγής και απαγωγής θερμότητας αυτό σημαίνει ότι ο χαλκός έχει καλύτερες ψυκτικές ικανότητες από το αλουμίνιο.
Πως απάγεται η θερμότητα από την επιφάνεια της ψύκτρας?
Σ’αυτή τη διαδικασία συμβάλει ο ανεμιστήρας(fan) που φέρει πάνω της η ψύκτρα. Είναι απαραίτητο να έχει fan?Όχι πάντα. Για παράδειγμα σε πολλά chipset στα mobo και στις χαμηλού “κυβισμού” κάρτες γραφικών δεν υπάρχουν πάντα fan γιατί η παραγωγή θερμότητας απ’αυτά δεν είναι τόσο μεγάλη ώστε να είναι απαραιτητο. Όπως είχαμε πει η μετάδοση θερμότητας από ένα στερεό σε κάποιο ρευστό γίνεται με μεταφορά. Υπάρχουν δυο τρόποι μεταφοράς.
Ο ένας είναι η φυσική ή ελεύθερη μεταφορά. Αυτός ο τρόπος μετάδοσης γίνεται όταν δεν υπάρχει ροή αέρα, δηλ. όταν δε υπάρχει fan..Στην περίπτωση αυτή δημιουργείται ένα μικρό ρεύμα αέρα καθώς ο αέρας που έρχεται σε επαφή με τη θερμή επιφάνεια της ψύκτρας ζεσταίνεται και κατά συνέπεια γίνεται ελαφρυτερος. με αποτέλεσμα ο θερμότερος αέρας να κινείται ανοδικά και τη θέση του να παίρνουν ψυχρότερες και βαρύτερες αέριες μάζες.
Ο άλλος τρόπος είναι η εξαναγκασμένη μεταφορά. Στην περίπτωση αυτή ένας ανεμιστήρας δημιουργεί ροή αέρα πάνω από μια επιφανεια. Ας υποθέσουμε ένα ρεύμα αέρα πάνω από μια επιφάνεια όπως στο σχήμα:
Η ροή του αέρα έχει φορά από αριστερά προς τα δεξια. Η ταχύτητα του ρεύματος είναι μεγαλύτερη στο πάνω μέρος και σχεδόν μηδενική κοντά στην επιφάνεια του σωματος. Αντιθέτως η θερμοκρασία είναι μεγαλύτερη κοντά στην επιφάνεια και σχεδόν ίση με την περιβαλλοντική στο πάνω μέρος(αν μιλάμε για επιφάνεια ψύκτρας τότε η περιβαλλοντική θερμ. είναι ίση με τη θερμά. του tower).
Γιατί έχουμε καλύτερη ψύξη με εξαναγκασμένη ροή αέρα όμως? Ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας όπως είχαμε πει εξαρτάται εκτός των άλλων και από την ταχύτητα του ρευστου. Για τα αέρια π.χ. με φυσική μεταφορά το h κυμαίνεται από 2 έως 25 W/(m^2*K) ενώ στην εξαναγκασμένη από 25 έως 250.
Και η θερμοαγώγιμη πάστα τι ρόλο παίζει στην υπόθεση?
Αν τοποθετούσαμε την ψύκτρα απ’ευθειας πάνω στη cpu και κοιτούσαμε με ένα ισχυρό μικροσκόπιο θα βλέπαμε ότι η επιφάνεια της cpu και της ψύκτρας δεν εφάπτονται καλα. Θα βλέπαμε κάτι που μοιάζει με παρακάτω σχήμα:
\/\/\/\/\/
/\/\/\/\/\
Οι δυο επιφάνειες έχουν εξοχές και “πατάνε” στις μύτες αυτων. Αυτό συμβαίνει λόγω των ατελειών που δημιουργούνται κατά την κατασκευή των επιφανειων. Όμως όσο καλά και αν λειάνετε τις επιφάνειες ποτέ δεν θα εφάπτονται τέλεια γιατί τα άτομα που αποτελούν τις επιφάνειες δεν είναι επιπεδα. Ανάμεσα σ’αυτά τα κενά που δημιουργούνται υπάρχει αέρας, ο οποίος δεν είναι και το καλύτερο υλικό για να μεταφέρει τη θερμοκρασία από την μια επιφάνεια στην άλλη.
Η θερμοαγωγιμη πάστα κάνει αυτό ακριβώς που δεν μπορεί να κάνει καλά ο αερας. Μεταδίδει τη θερμότητα με αγωγή από την επιφάνεια της cpu στην κάτω επιφάνεια της ψύκτρας .Όταν λέμε ότι μια θερμοαγωγιμη πάστα είναι καλύτερη από μια άλλη αυτό σημαίνει ότι η k του υλικού που την αποτελεί είναι μεγαλύτερη από την k μιας χειροτερης. Και γιατί δεν πρέπει να βάζουμε πολύ πάστα?
Ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας εξαρτάται εκτός από την k και από την απόσταση των δυο επιφανειών, το Δχ. Έτσι αν απλώσουμε μεγάλη ποσότητα πόστας στη cpu τότε η επιφάνεια της πάστας που ακουμπάει στη cpu θα απέχει περισσότερο από την επιφάνεια της πάστας που εφάπτεται στην ψύκτρα, δηλαδή το Δχ θα είναι μεγαλυτερο. Το Qcond όμως είναι αντιστρόφως ανάλογο του Δχ οπότε θα μειωθει. Με λίγα λόγια η περίσσεια πάστα λειτουργεί σαν μονωτικό.
Για το γράψιμο αυτού του άρθρου συμβουλεύτηκα το εξής βιβλίο:
Θερμοδυναμική για μηχανικούς, Τομος Α, 3η εκδοση των
Yunus A. Cengel
Michael A. Boles
