熱力學(xué)第二定律的案例
顛覆“熱力學(xué)第二定律”！
研究展示了負(fù)溫度下光子之間的熱力學(xué)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)負(fù)溫度下熱量從低溫流向高溫，有望實(shí)現(xiàn)超過(guò)100%的卡諾效率。熱力學(xué)第二定律對(duì)所有熱機(jī)的熱效率進(jìn)行了基本的限制。即使是理想的無(wú)摩擦發(fā)動(dòng)機(jī)也不能將其100%輸入熱量的任何地方轉(zhuǎn)換成工作，卡諾循環(huán)的效率必定小于1。如此，在負(fù)溫度下，這一切都將被顛覆，有望實(shí)現(xiàn)更高效的發(fā)動(dòng)機(jī)。
相關(guān)成果以“Observation of photon-photon thermodynamic processes under negative optical temperature conditions”為題發(fā)表于《Science》。
熱力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)示意圖
通過(guò)控制光子晶格，實(shí)現(xiàn)了21種模式的激發(fā)，并對(duì)其中的10種模式進(jìn)行研究。作者觀測(cè)到正溫度和負(fù)溫度，并在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了理論預(yù)測(cè)。光經(jīng)過(guò)非線性光纖進(jìn)行四波混頻作用，可以模擬出正溫度和負(fù)溫度條件下，光子之間達(dá)到熱平衡的過(guò)程。由于系統(tǒng)中可用狀態(tài)的數(shù)量是有限的，觀測(cè)到的負(fù)溫度狀態(tài)是穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)。
觀測(cè)正溫度和負(fù)溫度
該研究利用光學(xué)平臺(tái)模擬了負(fù)溫度下光子之間的等壓膨脹、等容壓縮、絕熱膨脹等過(guò)程，并且測(cè)量了每個(gè)過(guò)程中光子能量和體積（波長(zhǎng)）的變化。等壓膨脹時(shí)，保持壓強(qiáng)不變，光子能量增加而體積減小；等容壓縮時(shí)，保持體積不變，光子能量減小。在負(fù)溫度區(qū)域，由于低溫系統(tǒng)比高溫系統(tǒng)具有更高的平均能量密度，熱量會(huì)從低溫流向高溫，這些現(xiàn)象與正溫度區(qū)域相反。這意味著，在負(fù)溫度區(qū)域運(yùn)行一個(gè)類似于卡諾循環(huán)的過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)100%的卡諾效率。
展開(kāi) 14種人類設(shè)計(jì)的永動(dòng)機(jī)，最后兩個(gè)徹底服了！
不消耗能量而能永遠(yuǎn)對(duì)外做功的機(jī)器，它違反了能量守恒定律，故稱為"第一類永動(dòng)機(jī)"。在沒(méi)有溫度差的情況下，從自然界中的海水或空氣中不斷吸取熱量而使之連續(xù)地轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的機(jī)器，它違反了熱力學(xué)第二定律，故稱為"第二類永動(dòng)機(jī)"。這兩類永動(dòng)機(jī)是違反當(dāng)前客觀科學(xué)規(guī)律的概念，是永遠(yuǎn)不能夠被制造出來(lái)的。
能量從一種形式轉(zhuǎn)變到另一種形式時(shí)，絕對(duì)不可能100%轉(zhuǎn)變成這種形式。比如物質(zhì)之間相互摩擦產(chǎn)生的熱能。
雖說(shuō)永動(dòng)機(jī)不符合科學(xué)規(guī)律
但是民間還是有不少人對(duì)此非常有興趣
我們一起來(lái)看一下吧~
▲達(dá)芬奇設(shè)計(jì)的永動(dòng)機(jī)。他設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)為，右邊的重球比左邊的重球離輪心更遠(yuǎn)些，在兩邊不均衡的作用下會(huì)使輪子沿箭頭方向轉(zhuǎn)動(dòng)不息，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻是否定的。
達(dá)·芬奇敏銳地由此得出結(jié)論:永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的。事實(shí)上，由杠桿平衡原理可知，上面兩個(gè)設(shè)計(jì)中，右邊每個(gè)重物施加于輪子的旋轉(zhuǎn)作用雖然較大，但是重物的個(gè)數(shù)卻較少。精確的計(jì)算可以證明，總會(huì)有一個(gè)適當(dāng)?shù)奈恢茫棺笥覂蓚?cè)重物施加于輪子的相反方向的旋轉(zhuǎn)作用(力矩)恰好相等，互相抵消，使輪子達(dá)到平衡而靜止下來(lái)。
▲重力作用的永動(dòng)機(jī)
▲重力作用的永動(dòng)機(jī)
▲細(xì)管子的毛細(xì)作用制作的永動(dòng)機(jī)
再來(lái)一波
展開(kāi) 霍金關(guān)于黑洞的著名理論得到證實(shí)
這條定理引起了物理學(xué)家們的興趣，因?yàn)樗c另一個(gè)設(shè)定在時(shí)間上的定律——熱力學(xué)第二定律密切相關(guān)，即封閉系統(tǒng)的熵或無(wú)序必須總是增加的。因?yàn)楹诙吹撵嘏c其表面積成正比，所以兩者都必須始終增加。
人類歷史上拍攝的首張黑洞照片
奇怪的是，面積定律似乎與霍金的另一個(gè)已被證明的定理相矛盾，即黑洞應(yīng)在極長(zhǎng)的時(shí)間尺度內(nèi)蒸發(fā)。因此，找出兩種理論之間矛盾的根源可以揭示新的物理學(xué)。
黑洞面積定理的驗(yàn)證
為了驗(yàn)證這一理論，研究人員分析了13 億年前由兩個(gè)龐然大物的黑洞在高速相互旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的引力波，它是由高級(jí)激光干涉儀引力波天文臺(tái) (LIGO) 在 2015 年探測(cè)到的，LIGO是一束長(zhǎng)1,864英里（3,000 公里）的激光束，天文學(xué)家們能夠通過(guò)它們路徑的改變來(lái)檢測(cè)時(shí)空中最輕微的扭曲。
模擬顯示的兩個(gè)黑洞在相互盤旋時(shí)發(fā)出的引力波
通過(guò)將信號(hào)分成兩半——黑洞合并之前的和合并之后的，研究人員計(jì)算了兩個(gè)原始黑洞和新組合黑洞的質(zhì)量和自旋，反過(guò)來(lái)，這些數(shù)字使他們能夠計(jì)算碰撞前后每個(gè)黑洞的表面積。經(jīng)過(guò)計(jì)算，新產(chǎn)生的黑洞的表面積大于最初兩個(gè)黑洞的表面積之和，以超過(guò) 95%的置信度證實(shí)了霍金的黑洞面積定律。
廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的碰撞
真正的謎團(tuán)始于科學(xué)家們嘗試將廣義相對(duì)論（大物體的規(guī)則）與量子力學(xué)（微小物體的規(guī)則）結(jié)合起來(lái)，根據(jù)廣義相對(duì)論，黑洞不能收縮，但根據(jù)量子力學(xué)，它們則可以。這也導(dǎo)致了黑洞面積定理和霍金輻射理論的矛盾。
一定條件下的適用
為了解決這一矛盾性，科學(xué)家們對(duì)面積定理設(shè)置了中短時(shí)間的限制框架。
展開(kāi) 基于comsol的溫差發(fā)電仿真分析-TEC、TEG ￥4300
這種發(fā)電方法是將熱能直接轉(zhuǎn)變成電能，其轉(zhuǎn)變效率受熱力學(xué)第二定律即柯諾特效率(Carnotefficiency)的限制.早在1822年西伯即已發(fā)現(xiàn)，因而熱電效應(yīng)又叫西伯效應(yīng)(Seebeckeffect) [1]
塞貝克效應(yīng)
塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）又稱作第一熱電效應(yīng)，是指由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象。一般規(guī)定熱電勢(shì)方向?yàn)椋涸跓岫穗娮佑韶?fù)流向正。在兩種金屬A和B組成的回路中，如果使兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度不同，則在回路中將出現(xiàn)電流，稱為熱電流。相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)，其方向取決于溫度梯度的方向。塞貝克效應(yīng)的成因可以簡(jiǎn)單解釋為在溫度梯度下導(dǎo)體內(nèi)的載流子從熱端向冷端運(yùn)動(dòng)，并在冷端堆積，從而在材料內(nèi)部形成電勢(shì)差，同時(shí)在該電勢(shì)差作用下產(chǎn)生一個(gè)反向電荷流，當(dāng)熱運(yùn)動(dòng)的電荷流與內(nèi)部電場(chǎng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，半導(dǎo)體兩端形成穩(wěn)定的溫差電動(dòng)勢(shì)。半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)較大，可用作溫差發(fā)電器。
產(chǎn)生Seebeck效應(yīng)的主要原因是熱端的載流子往冷端擴(kuò)散的結(jié)果。例如p型半導(dǎo)體，由于其熱端空穴的濃度較高，則空穴便從高溫端向低溫端擴(kuò)散；在開(kāi)路情況下，就在p型半導(dǎo)體的兩端形成空間電荷（熱端有負(fù)電荷，冷端有正電荷），同時(shí)在半導(dǎo)體內(nèi)部出現(xiàn)電場(chǎng)；當(dāng)擴(kuò)散作用與電場(chǎng)的漂移作用相互抵消時(shí)，即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在半導(dǎo)體的兩端就出現(xiàn)了由于溫度梯度所引起的電動(dòng)勢(shì)——溫差電動(dòng)勢(shì)。自然，n型半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)的方向是從低溫端指向高溫端（Seebeck系數(shù)為負(fù)），相反，p型半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)的方向是高溫端指向低溫端（Seebeck系數(shù)為正），因此利用溫差電動(dòng)勢(shì)的方向即可判斷半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型。可見(jiàn)，在有溫度差的半導(dǎo)體中，即存在電場(chǎng)，因此這時(shí)半導(dǎo)體的能帶是傾斜的，并且其中的Fermi能級(jí)也是傾斜的；兩端Fermi能級(jí)的差就等于溫差電動(dòng)勢(shì)。
展開(kāi) 
傳熱學(xué)中熱能傳遞的三種基本方式及研究方法 附傳熱學(xué)電子書(shū)籍下載
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熱力學(xué)第二定律指出，在自然界中不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他的變化。由于自然界和生產(chǎn)過(guò)程中幾乎到處存在溫度差，所以熱量傳遞就成為一種非常普遍的物理現(xiàn)象。傳熱學(xué)就是研究由溫差引起的熱能傳遞規(guī)律的科學(xué)，其作用是利用可以預(yù)測(cè)能量傳遞速率的一些定律來(lái)補(bǔ)充熱力學(xué)分析。傳熱學(xué)與空氣動(dòng)力學(xué)有著緊密的關(guān)系，了解傳熱學(xué)的相關(guān)知識(shí)有助于解決汽車空氣動(dòng)力學(xué)中發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻、新能源汽車熱管理以及駕駛室空調(diào)性能優(yōu)化等問(wèn)題。下面分別介紹熱能傳遞的三種基本方式和傳熱學(xué)的研究方法。
一、熱能傳遞的三種基本方式
熱傳遞有三種基本方式，分別為熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。
1.熱傳導(dǎo)（heat conduction）
物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)互相撞擊，使能量從物體的高溫部分傳至低溫部分，或由高溫物體傳給低溫物體的過(guò)程，叫做熱傳導(dǎo)，又稱導(dǎo)熱。物體或系統(tǒng)內(nèi)的溫度差，是熱傳導(dǎo)的必要條件。熱傳導(dǎo)是固體中傳熱的主要方式，在不流動(dòng)的液體或氣體層中逐層傳遞，在流動(dòng)情況下常與熱對(duì)流同時(shí)發(fā)生。
熱傳導(dǎo)
熱傳導(dǎo)有如下幾個(gè)特點(diǎn)：
①必須有溫差
②物體直接接觸
③依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量，不發(fā)生宏觀的相對(duì)位移
④沒(méi)有能量形式之間的轉(zhuǎn)化
2.熱對(duì)流（heat convection）
熱對(duì)流，指流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷、熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過(guò)程。熱對(duì)流僅能發(fā)生在流體中，而且由于流體中的分子同時(shí)在進(jìn)行著不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，因而熱對(duì)流必然伴隨有熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。熱對(duì)流有三種基本形式，分別是自然對(duì)流、強(qiáng)迫對(duì)流以及湍流。在工程應(yīng)用上更注重的是流體流過(guò)一個(gè)物體表面時(shí)，流體與物體表面間的熱量傳遞過(guò)程，并將該過(guò)程稱為對(duì)流傳熱。
展開(kāi) 渦流管——一根破鐵管子為啥能制冷
熱力學(xué)第二定律告訴我們，孤立系統(tǒng)的熵永不減小，這個(gè)世界總會(huì)朝著無(wú)序的混亂方向發(fā)展。90多年前的1931年，法國(guó)冶金師喬治·蘭克也正在和我一樣被這個(gè)熵增的世界困擾。
但他突然有一天，在分離瓦斯時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)流體流過(guò)分離器后，居然一邊是高溫，一邊是低溫。冷熱流體混合的熵增很正常，但這個(gè)變化卻是反向的，而且這小管子里沒(méi)有任何電機(jī)等能量源，卻讓流體自動(dòng)分離成高低溫2股氣體，簡(jiǎn)直如同麥克斯韋妖啊，麥克斯韋妖要是不知道是啥，就自己查一下哈。
然后這根妖孽管子叱咤人類文明100余年，就跟機(jī)翼升力一樣，到現(xiàn)在人們也沒(méi)太搞明白是咋回事兒。看它外形，就像個(gè)三通一樣，空氣從中間進(jìn)，兩邊出。但和三通比，有2個(gè)區(qū)別，第一，空氣進(jìn)入必須是旋轉(zhuǎn)的，可以用偏心的入口或?qū)Я鞑蹖?shí)現(xiàn)。第二，一個(gè)出口中間有一塊兒遮擋物。
雖然現(xiàn)在沒(méi)有一種理論能把它解釋得讓所有人信服，但俗話說(shuō)得好，沒(méi)有1種理論，就有6種理論。我查了哈佛呀，浙大呀古往今來(lái)的一些研究吧，大概總結(jié)為：壓力梯度理論、動(dòng)量傳遞理論、溫度梯度理論、聲流理論、二次熱流泵理論等等。
當(dāng)然著重說(shuō)說(shuō)我比較偏向的一個(gè)理論：
一股高速氣體流入，在管子里被迫旋轉(zhuǎn)起來(lái)，速度不會(huì)驟變，所以里圈的氣體，開(kāi)始轉(zhuǎn)時(shí)線速度和外邊差不多的話，角速度就是大的。
還記得我之前視頻中說(shuō)的流體有粘性，粘性意思就是快的粒子會(huì)帶動(dòng)慢的粒子，
所以里圈氣體就帶動(dòng)外邊的氣體更快的轉(zhuǎn)，同時(shí)自己減速，這就是一個(gè)很神奇的事兒啊，就是明明我的實(shí)際速度小，但因?yàn)槲肄D(zhuǎn)的圈兒小，我就能帶動(dòng)外圈角速度雖然比我低，但實(shí)際速度更大的粒子以更快的速度運(yùn)動(dòng)，多神奇。而宏觀上表現(xiàn)的溫度和分子實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)，也就是和線速度相關(guān)，所以外邊的溫度就高，里邊兒的溫度就低，
而我們通過(guò)一塊兒這樣的遮擋物讓里面的低溫氣體折返，從另一個(gè)方向流出去，就實(shí)現(xiàn)冷熱氣的分離。
展開(kāi) 動(dòng)力學(xué)的世界觀——相變與混沌
因?yàn)樗慕Y(jié)果不符合熱力學(xué)第二定律（根據(jù)熱力學(xué)第二定律，自發(fā)狀態(tài)下系統(tǒng)必須趨于平衡），又加上適逢冷戰(zhàn)，他到死也沒(méi)看到他的成果被承認(rèn)，成為科學(xué)史上幾個(gè)重大悲劇之一。
但是它的發(fā)現(xiàn)卻開(kāi)拓了一個(gè)全新的領(lǐng)域-化學(xué)振蕩，而他的發(fā)現(xiàn)也成為復(fù)雜性可以從簡(jiǎn)單系統(tǒng)中誕生的典型例子，與圖靈對(duì)生物斑圖的研究一起，開(kāi)拓了復(fù)雜科學(xué)的先河。
周期振蕩的化學(xué)反應(yīng)，紅變藍(lán)又變紅
Belousov的化學(xué)振蕩可以自發(fā)產(chǎn)生美麗復(fù)雜的斑圖（下圖），被認(rèn)為是復(fù)雜性從簡(jiǎn)單系統(tǒng)產(chǎn)生的典范，對(duì)生命起源等問(wèn)題都很有啟發(fā)。
如果我們給這個(gè)化學(xué)反應(yīng)寫出熱力學(xué)方程，就可以發(fā)現(xiàn)循規(guī)蹈矩的化學(xué)平衡和“異常”的化學(xué)振蕩可以完全統(tǒng)一在一個(gè)系統(tǒng)里，只是根據(jù)反應(yīng)物濃度不同而不同。它的本質(zhì)即Hopf Bifurcation。
Belousov反應(yīng)具有眾多反應(yīng)物和接近20個(gè)步驟，但是可以簡(jiǎn)化為一個(gè)二維動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)（內(nèi)容繁雜在此不續(xù)）：
隨著參數(shù)a、b的變化，系統(tǒng)具有完全不同的動(dòng)力學(xué)模型，見(jiàn)下圖：
Hopf Bifurcation，左圖是一個(gè)具有靜止平衡態(tài)（定點(diǎn)）的系統(tǒng)，動(dòng)力學(xué)流從不同的位置旋入這個(gè)系統(tǒng)。右圖為振動(dòng)解 (limit cycle) 的誕生， 事實(shí)上，兩張圖描述的是一個(gè)系統(tǒng)的連續(xù)變化，開(kāi)始那個(gè)穩(wěn)定的平衡點(diǎn)失去穩(wěn)定屬性，流行從旋入這個(gè)點(diǎn)變?yōu)樾觯鴼w于確定的閉合軌道。這就是Hopf Bifurcation的范式。
Hopf Bifurcation作為闡述振動(dòng)和靜態(tài)平衡互相演化的基本手段， 在生物、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域反復(fù)出現(xiàn)。甚至我們的生命過(guò)程本身也可以理解為一個(gè)大的Hopf Bifurcation。心臟的跳動(dòng)和新陳代謝的循環(huán)伴隨我們一生，這是系統(tǒng)的振動(dòng)解。 我們死的那一刻，振動(dòng)停止我們步入了靜態(tài)平衡。
展開(kāi) 動(dòng)態(tài)雙面神行為：在地球-太陽(yáng)/太空系統(tǒng)的被動(dòng)式冷-熱調(diào)控
例如電化學(xué)脫鹽電池在運(yùn)行過(guò)程消耗電能，產(chǎn)生淡水資源。在其再生過(guò)程中可以視為鹽差發(fā)電設(shè)備用于電能生產(chǎn)，且同時(shí)解決膜組件表面鹽結(jié)晶。
(2) 光熱轉(zhuǎn)換與輻射制冷機(jī)制：
被動(dòng)式太陽(yáng)能加熱和輻射冷卻的應(yīng)用，作為具有動(dòng)態(tài)雙面神行為的典型示例，通過(guò)材料太陽(yáng)光吸收和紅外發(fā)射光譜的有效調(diào)控，實(shí)現(xiàn)地球和太陽(yáng)/太空之間的能量選擇性傳遞。這種應(yīng)用滿足工作流程可逆（例如地面物體的溫度可調(diào)節(jié)），并且能量流向不同（例如，升溫即太陽(yáng)向地面物體傳遞熱量；降溫即地面物體向太空傳遞熱量），協(xié)同研究從而有助于能量的高效利用。因此，太陽(yáng)/太空-地球之間能量傳遞軌跡分析至關(guān)重要。地球表面（約300K）、太陽(yáng)（約5700K）和太空（3K）之間的巨大溫差作為能量的傳遞驅(qū)動(dòng)力。本文首先闡述了這些溫差導(dǎo)致的能量交換波段差異（維恩位移定律和熱力學(xué)第二定律），其次介紹了光熱材料（一般性光熱材料、光譜選擇性光熱材料）和輻射冷卻材料（日間輻射冷卻材料、夜間輻射冷卻材料）的理想光譜、材料種類以及能量轉(zhuǎn)換機(jī)制。這些理論為研究人員探索光熱技術(shù)和輻射制冷技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用提供充足的理論支持。
圖3. 冷熱調(diào)控的能量流動(dòng)軌跡以及對(duì)應(yīng)材料的理想光譜
(3) 光熱轉(zhuǎn)換與輻射制冷應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)比：
太陽(yáng)加熱和輻射冷卻技術(shù)在水資源獲取、發(fā)電、智能服裝、溫控建筑物、智能窗戶、防結(jié)冰及冰川保護(hù)和農(nóng)業(yè)種植等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。本文全面地闡述了在不同應(yīng)用條件下加熱、制冷以及動(dòng)態(tài)冷熱調(diào)節(jié)的相關(guān)研究工作并且詳細(xì)分析其光譜調(diào)控方式。此外，根據(jù)應(yīng)用的不同，其在保持太陽(yáng)加熱（高太陽(yáng)光吸收率）和輻射冷卻（高紅外發(fā)射率）調(diào)控基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)專有屬性的調(diào)節(jié)。例如，衣服的不透光性和玻璃的透光性需要考慮材料在可見(jiàn)光區(qū)域的透光率調(diào)控。
展開(kāi) 一分鐘了解穩(wěn)態(tài)熱分析&瞬態(tài)熱分析
當(dāng)無(wú)外功輸入時(shí)，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量總是自動(dòng)地從溫度較高的部分傳給溫度較低的部分，根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，傳熱的基本方式有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種。
1）熱傳導(dǎo)
熱傳導(dǎo)可以定義為完全接觸的兩個(gè)物體之間或一個(gè)物體的不同部分之間由于溫度梯度而引起的內(nèi)能的交換。熱量由溫度高的地方流向溫度低的地方。熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律。
2）熱對(duì)流
熱對(duì)流是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間，由于溫差的存在引起的熱量的交換。熱對(duì)流可以分為兩類：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。熱對(duì)流用牛頓冷卻方程來(lái)描述。
3）熱輻射
熱輻射是指物體發(fā)射電磁能，并被其他物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過(guò)程。物體溫度越高，單位時(shí)間輻射的熱量越多。熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流都需要有傳熱介質(zhì)，而熱輻射無(wú)需任何介質(zhì)。實(shí)質(zhì)上，在真空中的熱輻射效率最高。熱輻射可以用斯蒂芬玻爾茲曼方程來(lái)描述。
1.穩(wěn)態(tài)熱分析&瞬態(tài)熱分析
Abaqus熱分析（Heat Transfer）基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度，并導(dǎo)出其他熱物理參數(shù)。穩(wěn)態(tài)傳熱（Steady-State）：系統(tǒng)的溫度場(chǎng)不隨時(shí)間變化。瞬態(tài)傳熱（Transient）：系統(tǒng)的溫度場(chǎng)隨時(shí)間明顯變化。
1.1.穩(wěn)態(tài)傳熱
如果系統(tǒng)的凈熱流率為0，即流入系統(tǒng)的熱量加上系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量等于流出系統(tǒng)的熱量，則系統(tǒng)處于熱穩(wěn)態(tài)。在穩(wěn)態(tài)熱分析中，任一節(jié)點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化。穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程為（以矩陣的形式表示）
式中，[K]為熱傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；{T}為節(jié)點(diǎn)溫度向量；{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含熱生成。
穩(wěn)態(tài)傳熱用于分析穩(wěn)定的熱載荷對(duì)系統(tǒng)或部件的影響。通常在進(jìn)行瞬態(tài)熱分析之前，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析用于確定初始溫度分布。
展開(kāi) 熱設(shè)計(jì)工程師突圍指南：如何借助“秘密武器”提升研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)力？
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</figure><p><br></p><p>根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱管理必然會(huì)成為高端電子產(chǎn)品面臨的核心挑戰(zhàn)之一，其成本占比將持續(xù)上升且不可逆轉(zhuǎn)。許多頭部廠商已經(jīng)意識(shí)到熱管理的重要性，大幅提高了<strong>熱設(shè)計(jì)工程師</strong>的薪酬，使其成為近年來(lái)研發(fā)團(tuán)隊(duì)中薪資增長(zhǎng)最快、重要性不斷提高的關(guān)鍵崗位之一。</p><h3>01 熱設(shè)計(jì)工程師的價(jià)值</h3><p><strong>熱設(shè)計(jì)</strong>雖非高難度工作，但也需要扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備。熱設(shè)計(jì)工程師需要熟悉市面上最先進(jìn)、常用且最經(jīng)濟(jì)的散熱物料，并通過(guò)專業(yè)判斷，剔除那些虛標(biāo)參數(shù)、夸大其詞的供應(yīng)商。許多時(shí)候，一個(gè)專業(yè)的熱設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)足以震懾那些以次充好、虛報(bào)高價(jià)或虛報(bào)低價(jià)的供應(yīng)商，幫助公司規(guī)避不必要的損失。</p><p><img src="https://pic2.zhimg.com/80/v2-ac2dc07e36f66dca68ca3e317806e0bf_1440w.webp" height="420" width="1033"></p><p>除了不斷學(xué)習(xí)熱管理行業(yè)知識(shí)，熱設(shè)計(jì)工程師還需要通過(guò)大量實(shí)踐積累經(jīng)驗(yàn)。電子產(chǎn)品千變?nèi)f化，迭代迅速，不存在通用的解決方案。要實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)，必須對(duì)多種效果相近的方案進(jìn)行細(xì)節(jié)對(duì)比，通過(guò)測(cè)試或仿真模擬進(jìn)行排序和篩選。這一過(guò)程需要熱設(shè)計(jì)工程師具備<strong>關(guān)鍵能力——熱仿真工具</strong>的應(yīng)用。
展開(kāi) 用戶側(cè)蒸汽壓差驅(qū)動(dòng)的空壓機(jī)設(shè)計(jì)及應(yīng)用
而集中供汽用戶門站蒸汽參數(shù)為１.１ＭＰａ，２０５℃的過(guò)熱蒸汽，而目前采用減壓閥的方式調(diào)節(jié)參數(shù)參數(shù)，根據(jù)熱力學(xué)第二定律評(píng)估，減溫減壓過(guò)程消耗的功率及折算為壓縮空氣量見(jiàn)表１。由表１可看出，某塑料生產(chǎn)公司在對(duì)蒸汽減溫減壓過(guò)程，浪費(fèi)的輸出功率為１５０ｋＷ，以空壓機(jī)比功率為６ｋＷ／（ｍ３·ｍｉｎ） （常規(guī)空壓機(jī)比功率為５～６ｋＷ／（ｍ３·ｍｉｎ））計(jì)算，可產(chǎn)生壓縮空氣流量為２０ｍ３／ｍｉｎ。這表明，該應(yīng)用場(chǎng)景的蒸汽偏差具有足夠大的壓縮空氣生產(chǎn)潛力［４－５］。
２.２ 設(shè)計(jì)約束條件說(shuō)明
本文在對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需遵循以下幾個(gè)
約束條件。
（１）運(yùn)行條件約束
蒸汽進(jìn)口壓力為１.１ＭＰａ，空壓機(jī)排氣壓力高
于０.４ＭＰａ。壓縮空氣流量根據(jù)蒸汽流量的波動(dòng)而波動(dòng)。
（２）向心汽輪機(jī)條件
考慮主汽閥損失（５％左右） 后，給定進(jìn)口總
壓、總溫及出口靜壓，設(shè)置進(jìn)口氣流角度為７８°（與徑向夾角），進(jìn)行流量計(jì)算與轉(zhuǎn)速的選取，出口流速（基本沿軸向） 為８１.３ｍ／ｓ，質(zhì)量流量為１.６８７ｋｇ／ｓ，轉(zhuǎn)速為３００００ｒ／ｍｉｎ。即向心汽輪機(jī)最大功率為１５０ｋＷ，轉(zhuǎn)速在３００００ｒ／ｍｉｎ。
（３）離心空壓機(jī)參數(shù)選取
鑒于離心空壓機(jī)輸入功率為１５０ｋＷ，排氣壓
力大于０.４ＭＰａ，離心空壓機(jī)采用兩級(jí)壓縮，部分性能參數(shù)見(jiàn)表２。即：在給定機(jī)械功率１５０ｋＷ，排氣壓力０.４ＭＰａ的條件下，離心空壓機(jī)采用２級(jí)壓縮，轉(zhuǎn)速在７１０００ｒ／ｍｉｎ以上時(shí)，可產(chǎn)生２０ｍ３／ｍｉｎ的壓縮空氣［６］。
展開(kāi) 
AI時(shí)代下的熱設(shè)計(jì)工作演進(jìn)思考
根據(jù)熱力學(xué)第二定律，電子產(chǎn)品熱管理問(wèn)題會(huì)不可逆地成為所有高端產(chǎn)品共同面臨的核心難題，熱管理成本占比會(huì)越來(lái)越高。鑒于熱管理設(shè)計(jì)的重要性，許多成功的公司已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，并因此大幅提高了熱設(shè)計(jì)工程師的薪酬，使其成為近年來(lái)研發(fā)團(tuán)隊(duì)中薪資增長(zhǎng)最快、水平最高的職位之一。
2、如何有效提升設(shè)計(jì)能力？—問(wèn)題在于如何提高熱設(shè)計(jì)水平
在為眾多客戶提供熱設(shè)計(jì)方案服務(wù)和提供散熱物料的過(guò)程中，我逐漸形成了如下幾個(gè)觀點(diǎn)。
2.1熱設(shè)計(jì)是整個(gè)公司的工作
熱設(shè)計(jì)是一個(gè)工程應(yīng)用型學(xué)科，大多數(shù)電子產(chǎn)品散熱設(shè)計(jì)并不需要設(shè)計(jì)者具備極高的天賦或深厚的理論基礎(chǔ)。需要非常明確的一點(diǎn)是，熱設(shè)計(jì)不是熱設(shè)計(jì)工程師的工作，而是整個(gè)公司的工作。一個(gè)熱設(shè)計(jì)工程師水平再高，如果其他部門無(wú)法提供有效輸入信息，或因擔(dān)心調(diào)整風(fēng)險(xiǎn)而拒絕改善散熱，那么整個(gè)產(chǎn)品的熱管理競(jìng)爭(zhēng)力也會(huì)大打折扣。
這并非要求所有部門都無(wú)條件配合熱設(shè)計(jì)工程師，而是強(qiáng)調(diào)實(shí)事求是，客觀公正的研發(fā)氛圍對(duì)打造綜合競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的產(chǎn)品至關(guān)重要。因此熱設(shè)計(jì)工程師除了加強(qiáng)自身對(duì)熱管理問(wèn)題和熱管理物料的理解與認(rèn)知，還要判斷評(píng)估協(xié)作同事的水平和習(xí)慣，確保獲取的信息準(zhǔn)確、反饋真實(shí)。
方案設(shè)計(jì)完成后，意味著研發(fā)工作的階段性結(jié)束，并不意味著產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作的結(jié)束。量產(chǎn)階段的不確定性更多，也更容易受到其他因素的影響。如今產(chǎn)品成本競(jìng)爭(zhēng)激烈，人心浮躁，研發(fā)團(tuán)隊(duì)精心設(shè)計(jì)的方案和選用的散熱物料常在生產(chǎn)端因成本被更換，甚至被偷換，公司卻要承擔(dān)所有風(fēng)險(xiǎn)和成本。這種陷阱難以識(shí)別，如果老板不懂就無(wú)法準(zhǔn)確判斷。比如，供應(yīng)鏈團(tuán)隊(duì)聲稱用更便宜的物料省錢，但實(shí)際交貨的是虛標(biāo)參數(shù)的假貨；又如，他們提供資料證明選了更貴的優(yōu)質(zhì)物料，實(shí)際用的卻是普通標(biāo)準(zhǔn)物料。
看報(bào)道最近何小鵬在一次采訪中就透露，被一整鏈條的下屬聯(lián)合欺騙。小鵬汽車曾經(jīng)一度面臨絕境，但我想，部分公司員工在這種絕境下可能反而賺得更多。
展開(kāi) 熱管原理和制造工藝解密
當(dāng)然，高導(dǎo)熱性也是相對(duì)而言的，溫差總是存在的，可能違反熱力學(xué)第二定律，并且熱管的傳熱能力受到各種因素的限制，存在著一些傳熱極限；熱管的軸向?qū)嵝院軓?qiáng)，徑向并無(wú)太大的改善(徑向熱管除外)。
(2)優(yōu)良的等溫性 熱管內(nèi)腔的蒸汽是處于飽和狀態(tài)，飽和蒸汽的壓力決定于飽和溫度，飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段所產(chǎn)生的壓降很小，根據(jù)熱力學(xué)中的方程式可知，溫降亦很小，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。
(3)熱流密度可變性 熱管可以獨(dú)立改變蒸發(fā)段或冷卻段的加熱面積，即以較小的加熱面積輸入熱量，而以較大的冷卻面積輸出熱量，或者熱管可以較大的傳熱面積輸入熱量，而以較小的冷卻面積輸出熱量，這樣即可以改變熱流密度，解決一些其他方法難以解決的傳熱難題。
(4)熱流方向酌可逆性 一根水平放置的有芯熱管，由于其內(nèi)部循環(huán)動(dòng)力是毛細(xì)力，因此任意一端受熱就可作為蒸發(fā)段，而另一端向外散熱就成為冷凝段。此特點(diǎn)可用于宇宙飛船和人造衛(wèi)星在空間的溫度展平，也可用于先放熱后吸熱的化學(xué)反應(yīng)器及其他裝置。
(5)熱二極管與熱開(kāi)關(guān)性能 熱管可做成熱二極管或熱開(kāi)關(guān)，所謂熱二極管就是只允許熱流向一個(gè)方向流動(dòng)，而不允許向相反的方向流動(dòng)；熱開(kāi)關(guān)則是當(dāng)熱源溫度高于某一溫度時(shí)，熱管開(kāi)始工作，當(dāng)熱源溫度低于這一溫度時(shí)，熱管就不傳熱。
(6)恒溫特性(可控?zé)峁? 普通熱管的各部分熱阻基本上不隨加熱量的變化而變，因此當(dāng)加熱量變化時(shí)，熱管備部分的溫度亦隨之變化。但人們發(fā)展了另一種熱管——可變導(dǎo)熱管，使得冷凝段的熱阻隨加熱量的增加而降低、隨加熱量的減少而增加，這樣可使熱管在加熱量大幅度變化的情況下，蒸汽溫度變化極小，實(shí)現(xiàn)溫度的控制，這就是熱管的恒溫特性。
展開(kāi) 從零開(kāi)始學(xué)散熱 書(shū)籍目錄-前言-后記
······································································································11
2.1 熱傳導(dǎo)（Thermal Conduction） ·······························································12
2.2 熱對(duì)流（Thermal Convection） ·······························································15
2.3 熱輻射（Thermal Radiation） ·································································16
3 熱力學(xué) ······································································································18
3.1 熱力學(xué)第一定律··················································································19
3.2 熱力學(xué)第二定律··················································································19
3.3 熱力學(xué)第三定律··················································································20
3.4 熱力學(xué)第零定律···
展開(kāi) 超大號(hào)電池——壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的“前世今生”
根據(jù)熱力學(xué)第二定律，區(qū)別于環(huán)境壓力和溫度的空氣具有做功能力，單位質(zhì)量做功能力（可轉(zhuǎn)換的功）為e=u-u0-T0(s-s0)（u為內(nèi)能，T為溫度，s為熵，下標(biāo)0代表環(huán)境條件），可見(jiàn)溫度越高，內(nèi)能u越大，熵s也越大，但是u-T0s仍是增大的；壓力越大，熵s越小，但內(nèi)能基本不變，因此溫度和壓力升高均會(huì)使單位質(zhì)量空氣的做功能力增大。當(dāng)壓縮空氣壓力為100倍大氣壓、溫度為環(huán)境溫度時(shí)，1立方米空氣內(nèi)部的能量（可轉(zhuǎn)化為電能）為12.9度電；當(dāng)壓力增至200倍大氣壓時(shí)，1立方米空氣儲(chǔ)存電能為28.3度，進(jìn)一步將空氣加熱至300攝氏度，可釋放的電能變?yōu)?4.4度。同時(shí)根據(jù)上述公式，可知溫度極低時(shí)空氣的做功能力也會(huì)急劇增大，如1立方米常壓液態(tài)空氣內(nèi)部的可用能為201度電，可見(jiàn)最普通的空氣也可蘊(yùn)含巨大的能量。
和一般熱力系統(tǒng)一樣，評(píng)價(jià)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一為系統(tǒng)效率，是輸出能量和輸入能量的比值，其代表能量利用的熱力學(xué)完善程度，目前先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的理論計(jì)算效率可突破70%。另一個(gè)重要指標(biāo)為能量密度，其為系統(tǒng)儲(chǔ)存的能量和儲(chǔ)存體積的比值，用于判斷系統(tǒng)是否能用較少的占地面積/體積產(chǎn)生較大的能量。除此之外，污染物和碳排放也是壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于此，目前發(fā)展了幾種零碳輸入的先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。
壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀
壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是從上世紀(jì)50 年代發(fā)展起來(lái)的，目前世界上有兩個(gè)商業(yè)運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能電站，分別是德國(guó)的Huntorf電站、美國(guó)Mcintosh電站，它們均為帶有燃燒室和洞穴儲(chǔ)氣室的傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。用電低谷時(shí)，多余的電帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)將空氣壓入地下儲(chǔ)存室，用電高峰時(shí)，壓縮空氣進(jìn)入燃燒室與燃料混合燃燒產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)鈳?dòng)膨脹機(jī)和發(fā)電機(jī)發(fā)電。
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