Охлаждение. Вода или воздух?
После многих лет работы с водой в системах охлаждения радиоэлектронных изделий (Вакуумных ламп и тиратронов), где отводимая мощность измерялась более чем киловаттами, у меня сложилось определенное отношение к воде.
И не потому что поддон для сбора воды это обычное явление в этих системах, на моем сайте в разделе «Охлаждение» http://electrosad.narod.ruничего не говорится об этих системах.
Вода, конечно, позволяет отводить много больше тепла, чем воздух (около 4000 раз), тому подтверждение и ее теплоемкость. Казалось бы, ставь водяную систему охлаждения и вперед. Гони, сколько хочешь. Менее 0,01 л/мин воды достаточно для отвода тепла от охладителя. Это совсем небольшая помпа которая нужна больше для преодоления сопротивления длинных трубок, да и шумит она чуть-чуть, но тоже шумит.
Но реальную мощность 60 – 80 – 100 Вт (у кого какая), надо все-таки отводить. Что получаем в результате? Тот же шум что раньше был у воздушного кулера процессора на внешнем теплообменнике.
Но посмотрим данные:
- тепловое сопротивление водяной системы 0,24 – 0,34 К/Вт,
уровень шума 60 – 42 дб.
Более новые модели имеют несколько меньший уровень шума (порядка 38,3дб при не лучшем тепловом сопротивлении 0,37 К/Вт), но согласитесь разница небольшая.
Получается, при хорошем теплосъеме — по шуму выигрыш водянки небольшой.
Теперь еще об одном явлении, с которым не стакивается ни один начинающий применять воду.
Это микроорганизмы.
В практически любой воде есть жизнь – в ней обитают всевозможные микроорганизмы: бактерии, вирусы, простейшие, водоросли, грибки. Некоторые виду живут в самых агрессивных средах.
Для защиты от микроорганизмов производители применяют химические добавки к воде, мы раньше применяли 18% раствор этилового спирта. С большинством микроорганизмов это помогает, причем какое-то время. Поскольку добавки имеют свойство со временем снижать свою концентрацию.
Так что через определенное время, а некоторые микроорганизмы и сразу, начинают активно размножаться в системе. Для этого надо проводить периодическую промывку системы.
Это минус, да еще какой!
Когда чистить пыль недосуг, кому захочется возиться с водой, вот тогда то и потребуются поддоны!
А недоработки тоже заставляют задуматься. Вода при нагреве имеет свойство расширяться. Поэтому все водяные системы в обязательном порядке должны быть снабжены расширительным сосудом. Иногда используют так называемый «уравнительный резервуар», но это не совсем то. Видел только несколько систем которые сделаны как положено, но их цены впечатляют.
Вот это: шум, вода, регулярная замена ее, цена и недоработки большинства систем и останавливают меня от применения ВОДЫ.
Источник
Почему вода нагревается быстро, а охлаждается так медленно?
Сегодня довести воду до кипения не представляет каких-либо трудностей. Для этого нужно всего лишь включить на кухне плиту и поставьте на нее чайник. Обычно кипячение воды занимает всего несколько минут. Но вы наверняка замечали, что после кипения вода охлаждается до своей первоначальной температуры гораздо дольше. Чтобы остыть до двадцати градусов по Цельсию может потребоваться несколько часов (в зависимости от конструкции чайника). Почему вода нагревается быстро, а охлаждается так медленно?
Быстрый нагрев и медленное охлаждение
Давайте рассмотрим это явление на примере металлического чайника, наполненного водой. Вода, которую нужно нагреть от нормальной комнатной температуры (около 20 градусов по Цельсию) до температуры кипения, должна преодолеть разницу в 80 градусов. При этом она поглотит определенное количество энергии, которая преобразуется в кинетическую энергию молекул воды.
Количества тепла, необходимое для нагрева тела определенной температурой, можно рассчитать с использованием следующего соотношения:
Q = масса тела * удельная теплоемкость * разница температур
Из этой простой формулы есть несколько интересных следствий. Чем больше масса тела, тем больше тепла оно потребляет. Разные вещества потребляют разное количество энергии. Чем выше желаемая температура, тем больше энергии нам потребуется на нагрев.
Охлаждение работает точно так же, но с одним небольшим отличием — тепло в этом случае передается от горячей воды во внешнее пространство вокруг чайника.
Температура варочной панели обычно составляет несколько сотен градусов Цельсия. Поэтому она может передавать значительное количество энергии в воду и быстро нагревать ее до температуры, при которой она начинает испаряться (100 °С) Для такого же быстрого охлаждения нам понадобится такая же большая разница температур – температура внешней среды должна быть минус несколько сотен градусов Цельсия. Безусловно, ничего подобного в природе не встречается, поскольку минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело во Вселенной -273,15°С (абсолютный ноль температуры). А наш хладагент (воздух вокруг чайника) имеет температуру около + 20 °C. Таким образом, охлаждение происходит намного медленнее, чем нагрев воды.
Тепло — вид энергии
Большинство людей недооценивает количество энергии, которую потребляет вода для ее нагрева. Для нагрева 1 кг воды на 1 градус требуется 4187 Дж. На первый взгляд это не очень интересно.
Но представьте, что мы приложим то же количество энергии не для нагрева 1 кг воды, а для ее ускорения (кинетическая энергия).
Источник
Эффект Мпембы. Длиннотекст.
И так, что это и с чем его едят?
Эффект Мпембы (Парадокс Мпембы) — парадокс, который гласит, что горячая вода при некоторых условиях замерзает быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. Данный парадокс является экспериментальным фактом, противоречащим обычным представлениям, согласно которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той же температуры.
Этот феномен замечали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, однако лишь в 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба установил, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная.
Будучи учеником Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить самодельное мороженое — вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был особо усердным учеником и промедлил с выполнением первой части задания. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии.
После этого Мпемба экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой. Во всяком случае, уже будучи учеником Мквавской средней школы он задал вопрос профессору Деннису Осборну из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе (приглашенному директором школы прочесть ученикам лекцию по физике) именно по поводу воды: «Если взять два одинаковых контейнера с равными объемами воды так, что в одном из них вода имеет температуру 35°С, а в другом — 100°С, и поставить их в морозилку, то во втором вода замерзнет быстрее. Почему?» Осборн заинтересовался этим вопросом и вскоре в 1969 году они вместе с Мпембой опубликовали результаты своих экспериментов в журнале «Physics Education». С тех пор обнаруженный ими эффект называется эффектом Мпембы.
До сих пор никто точно не знает, как объяснить этот странный эффект. У учёных нет единой версии, хотя существует много. Всё дело в разнице свойств горячей и холодной воды, но пока не понятно, какие именно свойства играют роль в этом случае: разница в переохлаждении, испарении, формировании льда, конвекции или воздействии разжиженных газов на воду при разных температурах.
Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры окружающей среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и окружающей среды. Этот закон был установлен еще Ньютоном и с тех пор много раз подтверждался на практике. В данном же эффекте вода с температурой 100°С остывает до температуры 0°С быстрее, чем такое же количество воды с температурой 35°С.
Тем не менее, это еще не предполагает парадокс, поскольку эффекту Мпембы можно найти объяснение и в рамках известной физики. Вот несколько объяснений эффекта Мпембы:
Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объём, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. Нагретая до 100 С вода теряет 16% своей массы при охлаждении до 0 С.
Эффект испарения – двойной эффект. Во-первых, уменьшается масса воды, которая необходима для охлаждения. И во-вторых, снижается температура из-за того, что уменьшается теплота испарения перехода из фазы воды в фазу пара.
Из-за того, что разница температур между горячей водой и холодным воздухом больше — следовательно теплообмен в этом случае идет интенсивнее и горячая вода быстрее охлаждается.
Когда вода охлаждается ниже 0 С она не всегда замерзает. При некоторых условиях она может претерпевать переохлаждение, продолжая оставаться жидкой при температурах ниже температуры точки замерзания. В некоторых случаях вода может оставаться жидкой даже при температуре –20 С.
Причина этому эффекту в том, что для того, чтобы начали формироваться первые кристаллы льда нужны центры кристаллообразования. Если их нет в жидкой воде, тогда переохлаждение будет продолжаться до тех пор, пока температура не понизится настолько, что кристаллы начнут формироваться спонтанно. Когда они начнут формироваться в переохлаждённой жидкости, они начнут расти быстрее, формируя лёдовую шугу, которая замерзая, будет образовывать лёд.
Горячая вода больше всего подвержена переохлаждению поскольку её нагревание устраняет растворённые газы и пузырьки, которые в свою очередь, могут служить центрами образования кристаллов льда.
Почему же переохлаждение заставляет горячую воду застывать быстрее? В случае с холодной водой, которая не переохлаждается происходит следующее. В этом случае тонкий слой льда будет образовываться на поверхности сосуда. Этот слой льда будет действовать как изолятор между водой и холодным воздухом и будет препятствовать дальнейшему испарению. Скорость формирования кристаллов льда в этом случае будет меньше. В случае с горячей водой, подвергающейся переохлаждению, переохлаждённая вода не имеет защитного поверхностного слоя льда. Поэтому она теряет тепло намного быстрее через открытый верх.
Когда процесс переохлаждения заканчивается и вода замерзает, теряется намного больше тепла и поэтому формируется больше льда.
Многие исследователи этого эффекта считают переохлаждение главным фактором в случае с эффектом Мпемба.
Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу.
Объясняется этот эффект аномалией плотности воды. Вода имеет максимальную плотность при 4 С. Если охладить воду до 4 С и положить её при более низкой температуре, поверхностный слой воды замерзнет быстрее. Потому что эта вода менее плотная чем вода при температуре 4 С, она останется на поверхности, формируя тонкий холодный слой. При этих условиях тонкий слой льда будет формироваться на поверхности воды в течение короткого времени, но этот слой льда будет служить изолятором, защищающим нижние слои воды, которые будут оставаться при температуре 4 С. Поэтому дальнейший процесс охлаждения будет проходить медленнее.
В случае с горячей водой ситуация совершенно иная. Поверхностный слой воды будет охлаждаться более быстрее за счёт испарения и большей разницы температур. Кроме того, холодный слои воды более плотные, чем слои горячей воды, поэтому слой холодной воды будет опускаться вниз, поднимая слой тёплой воды на поверхность. Такая циркуляция воды обеспечивает быстрое падение температуры.
Но почему этот процесс не достигает точки равновесия? Для объяснения эффекта Мпембы с этой точки зрения конвекции следовало бы принять, что холодные и горячие слои воды разделены и сам процесс конвекции продолжается после того, как средняя температура воды опустится ниже 4 С.
Однако, нет экспериментальных данных, которые подтверждали бы эту гипотезу, что холодные и горячие слои воды разделены в процессе конвекции.
Растворённые в воде газы
Вода всегда содержит растворённые в ней газы – кислород и углекислый газ. Эти газы имеют способность уменьшать точку замерзания воды. Когда вода нагрета, эти газы выделяются из воды, поскольку их растворимость в воде при высокой температуре ниже. Поэтому когда горячая вода охлаждается, в ней всегда меньше растворённых газов, чем в не нагретой холодной воде. Поэтому точка замерзания нагретой воды выше и она замерзает быстрее. Этот фактор иногда рассматривается как главный при объяснении эффекта Мпембы, хотя никаких экспериментальных данных, подтверждающих этот факт нет.
Этот механизм может играть существенную роль когда вода помещается в морозильник холодильной камеры в небольших контейнерах. В этих условиях замечено, что контейнер с горячей водой протаивает под собой лёд морозильной камеры, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозилки и теплопроводность. В результате чего, тепло отводится от контейнера с горячей водой быстрее, чем от холодного. В свою очередь контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег.
Все эти (а также другие) условия изучались во многих экспериментах, но однозначного ответа на вопрос — какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизводство эффекта Мпембы — так и не было получено.
Так, например, в 1995 году немецкий физик Давид Ауэрбах изучал влияние переохлаждения воды на этот эффект. Он обнаружил, что горячая вода, достигая переохлажденного состояния, замерзает при более высокой температуре, чем холодная, а значит быстрее последней. Зато холодная вода достигает переохлажденного состояния быстрее горячей, компенсируя тем самым предыдущее отставание.
Кроме того, результаты Ауэрбаха противоречили полученным ранее данным, что горячая вода способна достичь большего переохлаждения из-за меньшего количества центров кристаллизации. При нагревании воды из нее удаляются растворенные в ней газы, а при ее кипячении выпадают в осадок некоторые растворенные в ней соли.
Утверждать пока можно только одно — воспроизводство этого эффекта существенно зависит от условий, в которых проводится эксперимент. Именно потому, что воспроизводится он далеко не всегда.
Источник
Рассуждения о будущих системах охлаждения или вода против умирающего воздуха
Просматривая в очередной раз предложения по разным кулерам, меня вдруг осенило, а ведь многое поменялось за последние 5-7 лет. Когда я писал свою версию долгоиграющих комплектующих, то процессорный кулер представлялся этаким долгожителем, на котором можно было отсидеть 7 и даже 10 лет и затем, при финальном апгрейде всего компьютера, сменить его на такой же, но современный. А что происходит сейчас?
реклама
Сокеты меняются как карты в колоде, не успел вытянуть туза, как сверху прилетает джокер и все насмарку. Нужна новая колода. Вот через месяц выйдет что-то по-настоящему новое, новая платформа на топовом чипсете Intel Z690. О плюсах и минусах новой платформы Intel Z690 можно прочитать вот тут. Один из минусов — новое крепление для кулеров, но, если бы только это было бедой!
Маркетинг уже с головой накрыл привычный всем термин “TDP”. Аббревиатура TDP (Thermal Design Power) обозначает требования по теплоотводу для системы охлаждения. Или проще, TDP служит ориентиром для выбора системы охлаждения и отражает то количество тепла, которое выделяет процессор во время среднестатистической своей активной нагрузки.
реклама
Раньше TDP было «жестким», и производители этим термином не злоупотребляли. Если на процессоре было указано, что его TDP = 95 или 125 Вт, значит и систему охлаждения пользователь подбирал соответствующую. А оверклокеры брали естественно еще и с запасом. А с введением всяческих хитрых состояний процессоров, таких как Power Limit или сокращенно PL1, 2 и т.д., TDP может выходить далеко за эти пределы.
В качестве примера приведу современный процессор — Intel i9 11900K. У него параметр PL2 равен 251 Вт. По спецификации Intel, период действия периода PL2 равен 56 секундам. Но, что делают, не до конца образованные в этих вопросах пользователи?
реклама
Тут есть несколько вариантов: I. Смотрят на TDP такого процессора и экономя на системе охлаждения выбирают кулер впритык к 125 Вт или используют простой боксовый кулер, а потом гневаются, что очень уж горячо в системном блоке. II. Другие юзеры заходят в биос и отключают время действия параметра PL2, тем самым получают в нагрузке 251 Вт гораздо дольше, чем рекомендованные 56 секунд.
III. Третья категория еще и разгоняет процессор и реальный TDP уходит за 300 Вт, а то и еще больше. А у AMD Ryzen Threadripper TDP вообще значится на уровне 280 Вт, у HEDT праформы Intel в районе 250 Вт. И вот мы подошли к основополагающему вопросу этой статьи — чем все это охлаждать?
Раньше было как, взял супер-кулер весом с килограмм и будь спокоен, а сейчас все изменилось, воздух уже не может справиться с такими TDP, а о разгоне на 100-200 МГц можно вообще забыть. Тут, правда есть две причины, из Pl1 с TDP = 50 Вт, в PL2 с 250 Вт процессор переходит за секунду, и воздух не в состоянии быстро отвести такое количество тепла. И второе, кулера весом больше 1 кг уже нецелесообразно производить производителям, так как стоимость будет уже на уровне AIO или выше.
реклама
И вот сейчас что же мы имеем? Массово, хотим мы этого или нет, пойдет мода на чиплеты. Каждый чиплет — это 8 ядер, дальше – больше. TDP будет продолжать расти и может случиться так, что место для воздуха совсем не останется в мейнстрим сегменте, а затем и в middle. Воздушные кулеры будут уделом офисных машин с небольшим количеством ядер и низкой частотой.
Пройдёмся по каталогизаторам. Для примера возьму E-katalog. Хороший и высокопроизводительный воздух стоит более 7 тысяч рублей, а то и все 8, в зависимости от места приобретения.
По описанию на фото видно, что эти супер-кулеры способны отвести 180-220 Вт тепла, а у Thermalright SilverArrow IB-E Extreme Rev. B заявлен вообще максимальный TDP = 320 Вт. Но вот, только если дать эти 320 Вт сразу, то температуры будут в районе 90С, что явно превышает все допустимые нормы.
А если взять AIO, то тут можно за половину стоимости топового воздушного кулера приобрести так называемую водянку, способную отвести столько же тепла, но при этом шума будет меньше и температуры ниже.
Есть, конечно, и подешевле варианты, и подороже. Но плюс AIO в том, что он может погасить более плавно тот пик выброса тепла, которое образуется при переходе процессора в PL2 активную фазу и при этом температуры ядер будут ниже, а значит можно рассчитывать на поднятие частоты.
Тема эта, на самом деле, очень актуальная и процесс выбора воды или воздуха стоит сейчас очень остро. Но из моих знакомых, например, большинство перешло на такие AIO, кто-то вообще вложился в 30 тысяч и собрал себе кастомную воду, ну а кто-то придерживается ретроградских настроений и ни за что не перейдет на воду, а будет использовать топовое воздушное охлаждение пока это вообще возможно. (Как правило, самый жуткий страх — это возможность протечки)
А что используете вы и почему сделали именно такой выбор? Как, по-вашему, какую максимальную сумму не жалко отдать на позицию – охлаждения процессора? И как, по-вашему, когда случится момент, когда вода полностью вытеснит воздух?
Источник
