功耗产生的热量

直到今天，我感觉我对功耗如何转化为热量还没有一个很好的直觉感觉，也就是说，如果我将1瓦特的电能浪费在一个咖啡杯大小的设备中，它会发烫吗？得到吗？10瓦，100或1,000怎么样？

我非常清楚地意识到，材料选择，空气流量，表面积等是巨大的差异。但是，最好有一些经验法则作为健康检查的起点，以检查设备是否凉爽，温暖，异常热或着火危险。

您有哪些方法来估算您的项目在不建模或构建实际设备的情况下会变得多么火热？

编辑：

为了澄清起见，我对持续运行中设备（或至少“触摸表面”）的稳态温度更感兴趣；而不是瞬间对设备产生的即时加热效果。

对于设备你经常会看到各种花样叫。这称为热阻。$\theta_{JA}$

这告诉您，在典型的周围环境中，每耗散一瓦特的功率，设备的温度就会比周围环境高x °C。您必须在计算中包括环境温度。在开放的实验室环境中，温度可能为25°C，但实际上在某些电子设备的外壳内，温度可能更高。

如果添加散热器需要知道（结的情况下的电阻），θ Ç 我（区分绝缘体电阻，如果有的话），θ 我ħ（绝缘散热器电阻，如果有的话），并最后θ ħ 甲（散热片周围的电阻。）与普通电阻一样，您可以将这些电阻加在一起得出最终的数字，以计算设备耗散x瓦特时会发热多少。$\theta_{JC}$$\theta_{CI}$$\theta_{IH}$$\theta_{HA}$

考虑供暖时，您必须经过多个不同的单位才能获得一些合理的数字。

电气散热以瓦为单位。能量以焦耳为单位，热量本身以卡路里为单位。

让我们拿一个典型的水杯-例如300g的水（大约300cc，一个典型的咖啡杯）。现在我们说有一些东西可以散发出10W的热量。10W一切都很好，但是我们算出10W多久呢？那是公式：

• $W=\frac{J}{t}$

^{其中J是焦耳，t是时间，以秒为单位}

派上用场。一瓦等于每秒一焦耳。那么焦耳=瓦数×秒，好吗？因此，如果我们以10W的功率加热10秒钟，我们将得到100焦耳。

现在，卡路里是将1克水加热1摄氏度所需的热量，相当于4.184焦耳。

这意味着我们的100焦耳等于（编辑：23.9卡路里[1卡路里= 4.184 J，所以100 J * 1卡路里/4.184 J = 23.9卡路里，而不是418.4卡路里]）。在我们的300克水中，将是：

• $T=\frac{23.9}{300}$

等于（编辑：0.08°C [不是1.395°C]）温升。

因此10瓦的功率持续10秒钟会使咖啡杯中的水的热量升高一点点（编辑：十分之一度（不是一个半度））。

作为一种直观且非常粗略（但有用）的经验法则，我喜欢指代不同尺寸的电阻器。几乎每个人都知道“标准” 1/4 W电阻器（又名0207）。此外，通过查看电子产品分销商的目录（或从不断的黑客和维修工作中获得的经验），您将了解越来越大的电阻器（SMD尺寸为1/4 W，1/8 W ...和更大的功率电阻器）适用于2 W，4 W，5 W，11 W等）

大多数电阻的设计方式是，您可以在70°C或75°C的环境温度下以其额定功率运行它们，这样做会使它们达到其125°C或155的最高允许温度。 °C（典型值和通用值，请参见数据表以了解详细信息）。

因此，您在耗散功率和温度上升之间存在关系（大约在125°C-70°C = 55°C到155°C-70°C = 85°C），然后回到问题的核心是零件的物理尺寸（体积，表面积）。

另外，您可以使用灯泡（老式的灯丝风格）以及其他您知道尺寸和功率（又称瓦数）的东西。以一个40 W的灯泡为例：在室温（环境温度）下，表面变得非常热，以至于您几乎不能触摸它（这可能等于60°C）。一台开水器（用于茶水）需要消耗2 kW的水，并用水1升，它会在大约一到两分钟内从20°C升至100°C（如果不关闭，则会自毁。将这个概念扩展到您所知道的其他日常设备中：耗散功率，尺寸，温度升高。

如果您只需要对要考虑构建的东西有所了解，那么在许多情况下效果很好。

也许列出实际设备耗散的列表将是一个很好的参考。智能手机1-2W，笔记本电脑10-30W，50英寸液晶电视100W，台式计算机200-500W，空间加热器1500W。

表面积和空气流动（风扇）可以在同一温度下允许更多数量级的散热，因此对于热的任何事物来说，机械设计都是一件大事。吹风机大约相当于咖啡杯的大小，运行功率超过1000W，并且仅在鼓风机前是温暖的，但是如果拆开，加热线圈可能会点燃纸。如果集中在足够小的区域，例如用激光，即使是1W也足以引起火灾。如果在没有散热器的情况下运行，将100W功率置于1cm ^ 2的台式机CPU可以在主板上打一个洞，但是适当地冷却只会使散热器变热并且外壳变热。

如果您的项目运行在0.1W以下，则可能无需担心发热量。功率为1W时，电路板上的金属可能会散布足够多的热量，以允许环境冷却。在10W时，您可能需要一个合适大小的散热器（可能是这种情况）和/或风扇。在100W时，您可能需要一个风扇。高于1000W，您已经有效地构建了一个空间加热器，它是否燃烧，将取决于您将热量转移到周围空气中的速度。高于5000W，您可能需要将热量排到室外，以防止房间过热。

大多数人家中没有任何耗电超过数千瓦的东西，最高的单个负载可能是干衣机。请记住，始终运行1W的成本约为1美元/年，因此拥有几百瓦以上的任何东西都将很昂贵，除非仅间歇性地使用它。

您正确地提到材料是一个因素。每种材料都有特定的热量，这可以告诉您在1g样品中温度每升高1K，必须添加多少热量。例如，要将1g的水从14.5°C加热到15.5°C，您需要4.186J。（这是1卡路里的旧单位的定义）。
当谈论这种热量的流动时，您会对热阻感兴趣（就像您想知道电阻以找出电流一样）。热阻以K / W（开尔文/瓦）表示，并告诉您当热量以一定速率流动时，两点之间的温度差（单位时间的能量=功率）。阅读电源组件的数据表时，您会看到管芯与外壳之间以及从外壳到环境的热阻。

编辑（关于您的编辑）
对于平衡状态，相同的因素也起作用：比热确定管芯的温度以及一系列的热阻，可以将多少热量排放到环境中。平衡意味着后者等于您消耗的能量。

回应“最好有一些经验法则” ..

• 如果您不能将拇指放在上面，那就太热了。它上面需要一个散热器。
• 我发现在40引脚DIP中耗散的2W以上会使表面过热而无法触摸。
• TO-220 w / oa散热器中甚至只有1W的功率也很大

这些天，您可能不会遇到太多的40引脚DIP封装，如果您这样做，似乎会怀疑它们会消耗高达2W的功率。我提到它是因为它提供了方便的规模感。

TO-220封装仍然很坚固，并且基本上是为与散热器一起使用而设计的。该金属片的存在是有原因的，因此，当铝制水槽和少量接触导热油脂如此便宜和容易时，运行这些热片就毫无意义。