Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!
nalezeno 170 dotazů obsahujících »elektric«
19) Různé materiály chladiče procesoru
29. 02. 2008
Dotaz: Dobrý den, dotaz zní, zda hliníkový chladič (typicky na CPU v PC) chladí jinak (lépe nebo hůře), než tvarově identický vyrobený z mědi. Jestli problému správné rozumím, závisí jen na barvě a ploše chladiče, materiál ovlivňuje pouze to, jak rychle soustava dosáhne ustáleného stavu (alespoň v případě sálání, nevím ale jak u proudění, které zde hraje velkou roli). Děkuji za osvětlení nebo třeba i jen nápovědu, link. (Ren)
Odpověď: Chlazení chladičem bereme jako stacionární děj, tj. ustálený stav
teplot se stálými toky tepla. I při stejném "topném příkonu" součástky a
stejném tvaru chladiče a stejném způsobu chlazení resp. sálání z
chladiče i v ustáleném stavu ZÁLEŽÍ na materiálu chladiče, protože pro
jiný materiál chladiče se na povrchu chladiče ustálí jiné teploty - čím
je materiál vodivější, tím budou teploty nižší.
Je potřeba rozeznávat vodivost tepelnou (charakterizující přenos
tepla = energie) a teplotní (charakterizující změnu teploty), dále
vedení tepla vnitřní (např. uvnitř zahřívané tyče) a vnější (přenos
tepla z tyče ven, tj. přes hranici dvou prostředí); o vnějším
předpokládejme, že za jinak stejných podmínek - vlastnosti povrchu a
okolního prostředí - bude rovněž stejné.
Představme si vedení tepla deskou. Nalevo ji zahřívá jistý děj,
který jí dodává stálý tepelný příkon W (třeba elektrická spirála) a
udržuje tam v rovnováze stálou teplota T2. Na druhé straně desky je
odvod + sálání tepla a udržuje se tam nižší teplota T1 díky chladicímu
prostředí. Nastala-li již rovnováha, vejde dovnitř zleva za danou dobu
∆t přesně to teplo, co za tutéž dobu odejde zprava. Tepelný příkon
W = Q / ∆t je roven tepelnému "výkonu" (do chladicího
prostředí), jinak by nebyla rovnováha a teplota tyče by se s časem měnila.
Nezabýváme se tou dobou, než se vše dostalo do rovnováhy (tato doba
roste s celkovou tepelnou kapacitou desky). Deska je již nyní ve
stacionární rovnováze, tj. prohřátá se stálým teplotním průběhem ).
V tabulkách je pro měď a hliník uveden součinitel *tepelné vodivosti*
λ (thermal conductivity), což je
λ = Q l / (S ∆t / ∆T) s označením
∆ je přírůstek resp. změna,
Q = celkové teplo prošlé deskou za dobu ∆t,
l = tloušťka desky vzorku,
S = plocha desky,
∆T = T2 - T1, tedy rozdíl teplot na opbou stranách desky.
Příslušný součinitel *teplotní vodivosti* "a" (thermal diffusivity) je
a = λ / (ρ cp) ,
kde ρ je objemová hmotnost (hustota) a cp měrná tepelná kapacita při
stálém tlaku, udává průběh teploty.
Ve stařičkých Valouchových tabulkách (v CGS), které mám právě po
ruce, jsem našel hodnoty:
kov
λ
cp
ρ
"a"(vypočteno)
Al
0,503
0,214
2,70
0,912
Cu
0,92
0,094
8,9
1,1
Poměr přenášených tepel za jinak stejné konstrukce bude Cu:Al=0,92:0,503.
Dotaz: Bylo by možné(nejlépe bez vzorečků) vysvětlit pojem vnitřní energie, entalpie a
volná entalpie tak, aby to pochopil i někdo, kdo se fyzikou příliš nezabývá? A. (Bakalářová Anna)
Odpověď: Velice zjednodušeně (přičemž pod pojmem "soustava" si představujte například
čaj v hrnečku):
Vnitřní energie
Vnitřní energie je energie "ukrytá" ve struktuře hmoty, tj. ta část energie,
která není spojena ani s pohybem soustavy, ani s tím, že na soustavu působí
nějaké pole (gravitační...), ale kterou má soustava sama o sobě. Tato
energie je spojena s pohyby a vzájemným působením jednotlivých částic, ze
kterých je soustava složena. To ale znamená, že ji nemůžeme přímo změřit.
Víme ovšem, že vnitřní energie se může měnit jedině tak, že soustava vydá
nebo přijme teplo (to měřit umíme), případně koná nebo je na ni konána práce
(to taky měřit umíme) - tj. kolik jí ubylo nebo přibylo zjistit umíme, ale
kolik jí v soustavě aktuálně je, to nezjistíme. Důležitou vlastností vnitřní
energie je, že závisí jen a pouze na stavu soustavy, tj. když vytvoříme
stejné podmínky, vždycky jí v soustavě bude stejně, a to bez ohledu na to,
co se s tou stoustavou předtím dělo, jestli jsme ty podmínky vytvořili
postupně nebo naráz, pomaleji nebo rychleji, oklikou nebo přímo... V
termodynamice se tomu říká, že je "stavová". Práce ani teplo stavové nejsou,
když je chceme spočítat, nestačí znát začátek a konec, ale je potřeba znát
podrobně, vteřinu za vteřinou celý proces, během něhož se teplo vyměňovalo
nebo během něhož byla práce konána. Což je hrozná komplikace...
Enthalpie
Za jistých podmínek teplo stavové být může - pokud je vyměněno při ději,
který není doprovázen změnou tlaku - například se odehrává v hrnečku bez
víčka, takže tlak je roven stále tlaku v místnosti. (Další podmínka je, že
se při onom ději nesmí konat neobjemová práce, třeba elektrická. Ale takové
věci se s čajem v hrnečku obvykle nedějí.) Toto vyměněné teplo je pak rovno
změně stavové veličiny zvané enthalpie. Je to užitečná věc zejména pro
chemické reakce (ty se obvykle odehrávají v kádinkách bez víčka), proto se
užívá velmi často v chemii k popisu energetických změn doprovázejících
reakce - spalné teplo, slučovací teplo, reakční teplo, to všechno jsou
enthalpie. A jak bylo řečeno, všechna tato "tepla" jsou stavová, závisejí
pouze na tom, co je na začátku a na konci reakce, takže je stačí pro dané
podmínky jednou změřit a zapsat někam do tabulek. Opět platí, že aktuální
hodnotu enthalpie nemůžeme změřit, pouze změnu, ale to nám bohatě stačí.
Volná enthalpie
Chemici jí asi častěji říkají Gibbsova energie a je to něco jako
"vychytanější" enthalpie. Úžasnou vlastností volné enthalpie je, že její
změny vypovídají něco o tom, jestli jde soustava do stabilnějšího nebo méně
stabilního stavu, což souvisí s tím, jestli do toho stavu jde dobrovolně
(samovolně), anebo ji k tomu musíme nutit, a jak moc (tj. s dodáním nějaké
energie). Také se z jejích změn dá poznat, kdy je na tom soustava nejlépe -
kdy je v rovnováze. A změny volné enthalpie jsou měřitelné (i když trochu
komplikovaněji, než je tomu u enthalpie, přičemž podmínka neměnného tlaku
stále platí) a volná enthalpie je stavová. Co víc si přát. Použití díky
neměnnému tlaku opět v chemii - když hodnota volné enthalpie klesá (tj.
změna je v čase záporná), jde o děj (třeba chemickou reakci) samovolnou a
soustava jde do stabilnějšího stavu, a to tak dlouho, až dojde do rovnováhy,
kde už se volná enthalpie dál nemění a je na minimu - což neznamená, že už
tam žádné děje neprobíhají! Když je změna kladná - hodnoty rostou - je děj
nesamovolný a výsledek bude méně stabilní než začátek. A opět platí, že
aktuální hodnotu volné enthalpie nemůžeme změřit, pouze její změny, ale
bohatě nám to dostačuje.
Dotaz: Dobrý den, rád bych se zeptal, jaký je mechanismus vedení elektrického proudu v
grafitu, hlavně co je důvodem toho, že je teplotní závislost odporu klesající.
Může to být způsobeno tím, že jak je 4 vazný uhlík "napasován" do šesterečné
soustavy, že se zvyšující teplotou některé vazby "povolí"? Pak mě ale zase
překvapuje tak vyvoký bod tání grafitu. Děkuji za Vaši odpověď (Miroslav Panoš)
Odpověď: Elektrická vodivost grafitu dána jeho strukturou. Atomy uhlíku uspořádané do
šestiúhelníků vytvářejí jednotlivé vrstvy (jakési včelí plástve), které jsou
k sobě poutány slabšími interakcemi.
Uhlík v grafitu má tzv. hybridizaci sp2. To znamená, že jeho
sigma-vazby jsou tři a směřují do vrcholů rovnostranného trojúhelníka.
Podobné uspořádání známe u uhlovodíků s dvojnou vazbou nebo u benzenu. Takto
uspořádané tři vazby si přímo říkají o spojování do šestiúhelníkú a jejich
další spojování do "plástve", nejde tedy o žádné násilné napasování.
Do hybridizace se nezapojil čtvrtý orbital na uhlíkovém atomu, označovaný
pz. Tyto zbylé orbitaly všech uhlíkových atomů jedné vrstvy
(plástve) se dohromady kombinují na jeden veliký, tzv. delokalizovaný,
pí-systém orbitalů. Vzájemnou kombinaci za vzniku jednoho systému známe i v
menším vydání: u uhlovodíku benzenu, kde se týká šesti orbitalů, a u dalších
aromatických uhlovodíků.
Delokalizace znamená, že určitý elektron "nepatří" k žádnému určitému
uhlíkovému atomu vytvářejícímu pí-systém, ale se stejnou pravděpodobností se
může vyskytovat na libovolném místě delokalizovaného systému. Což je v
důsledku volná pohyblivost elektronů v pí-orbitalech po celé "plástvi". A
tedy elektrická vodivost. Zároveň je zřejmé, že se elektrický proud přenáší
dobře pouze po vrstvách, nikoli napříč (neexistují propojení pláství), a že
narušení pravidelné struktury pláství (tj. porucha v krystalu) může vodivost
ovlivňovat.
K teplotní závislosti vodivosti mě napadá pouze následující:
Vodivost rostoucí s teplotou spíše nebude způsobena přerušením některých
vazeb (viz výše, geometrické uspořádání je přirozené a nevytváří žádné
zvláštní pnutí). Růst vodivosti s teplotou pozorujeme v případě vlastní
vodivosti polovodičů, kdy elektrony s vyšší energií způsobenou vyšší
teplotou mají větší šanci překonat energetický rozdíl mezi energetickým
pásem, v němž jsou, a nejbližším vyšším prázdným energetickým pásem, v němž
už se mohou volně pohybovat. Grafit je podoben právě spíše polovodičům než
kovům - vytváří síť kovalentních vazeb atd. Zřejmě také možnost rozkmitání
uhlíkových atomů je menší než u kovů, protože jsou drženy na místě směrovými
kovalentními vazbami. Vazba v kovech je nesměrová, na všechny strany stejná,
kdežto kovalentní vazba - překryv orbitalů - vyžaduje určité prostorové
uspořádání a znesnadňuje výchylky.
Dotaz: Dobrý den, můžete prosím vysvětlit,nebo odkázat, jaký je rozdíl, mezi ochranou
zeměním a nulováním? Děkuji (Majka)
Odpověď: Ochrana zemněním a nulováním je dnes zahrnuta pod společný název "Ochrana samočinným odpojením od zdroje". Princip a podrobnější pojednání o této problematice najdete například v článku Co skrývá elektrická zásuvka?. Ochrana zemněním - viz část "Síť TT", ochrana nulováním - viz části "Síť TN-C a Síť TN-S".
Dotaz: Vysvětlete funkci bezkontaktního teploměru pro měření teploty lidského těla,
zejména kalibraci (J.Kozlovský)
Odpověď: Každé těleso sestává z elektricky nabitých částic (elektrony, protony). Tyto částice kmitají, a to tím více, čím je těleso teplejší. Tím ale vytvářejí elektromagnetické záření, čímž těleso ztrácí energii. Těleso ale také pohlcuje elektromagnetické záření vydávané okolními tělesy, čímž energii získává. Podle Stefanova-Boltzmannova zákona je těleso teploty T v rovnovážném stavu s elektromagnetickým polem, které nese energii rozloženou s hustotou úměrnou čtvrté mocnině teploty vyzařujícího tělesa. Vy sám, sedíte-li v klidu v místnosti, vyzařujete kolem sebe výkon zhruba 1 kW. Na druhou stranu ale předměty kolem Vás (o něco chladnější), vyzařují rovněž, a vy od nich přijímáte asi 900 W, takže vyzařujete (a průběžně potřebujete doplňovat) asi 100 W. Pokud
např. z jedné strany toto teplo nedostáváte - např. je tam otevřený mrazák o podstatně nižší teplotě, pak to pociťujete tak, že "na vás čiší chlad".
Ve vyzařovaném elektromagnetickém záření jsou různé frekvence zastoupeny s různou intenzitou. Frekvence odpovídající maximální intenzitě roste úměrně teplotě, odpovídající energie se čtvrtou mocninou teploty. Při "pokojových teplotách" leží maximum ve vzdálené infračervené oblasti (často se mluví o "tepelném záření"). Stačí tedy mít čidlo dostatečně citlivé na infračervené záření v této oblasti a měřit, kolik záření přijímá.
Kalibrovat takový teploměr lze nejjednodušeji měřením záření z lázně známé teploty (změřené třebas obvyklým dostatečně přesným rtuťovým teploměrem).
