En hetsig debatt om TDP och värme

Oj, vilket handgemäng! Jag fick tips om tråden från Kalium.

Alltså, detta är faktiskt hyggligt svårförståeligt, så det är inte förvånande att så många olika bud förekommer. Jag ska försöka reda lite i det, men orkar inte med allt.

Till att börja med så har spänning (volt) och "sluten krets" rätt lite med energi att göra. En sluten krets kan vara energilös, även om en ström flödar genom den. Inte i en dator, men i en supraledande ring, t.ex. Ett fel jag sett i tråden är tanken på att det är ett flöde med energi som kan uttryckas i volt. Energi är alltid något som utvecklas eller omvandlas på ett specifikt sätt på ett specifikt ställe. Energi som inte omvandlas är på sitt sett inte energi alls, utan potentiell energi.


Nej, inte alls. Båda lagrar energi, men på olika sätt och har olika egenskaper.


Spänning ligger alltid över en krets. Det är inget som flödar genom den. Det är bara en förmåga att driva ström. Driver du något med 12 volt, är det (i relativa termer) 0 volt på den låga sidan, minuspolen. Även vid apparaten. Energi går åt genom att den alstras. Seriekopplar du lampor kommer de fungera som spänningsdelare. Har de samma resistans kommer de ligga 6 volt över varje lampa. Spänningen säger ingenting om energin, utan är bara hur ett "tryck" fördelar sig.

Det här är jäkligt knepigt att reda ut, men rent kort: påståendet är fel på två sätt. Dels är det oegentligt att säga att energi passerar, dels så blir i själva verket praktiskt taget all energi värme. Ja, all energi kommer att bli värme, men det kan dröja ett tag. Den pyttelilla energi som blir till radiovågor på grund av de föränderliga signalerna i en processor kommer förr eller senare absorberas och/eller rödförskjutas. Nu kan man ju samtidigt hävda att radiovågor är en form av värmeenergi, dvs redan värme. Ytterligare en pyttedel av energiomsättningen i en processor kommer bli till ljud på grund av vibrationer. Well, det är bara ovanligt makroskopisk värme. Så jo, all energi blir verkligen värme.

Den energi som inte blir till värme, utan "flödar tillbaka" till nätaggregatet är i själva verket bara en energibärare, inte energin självt. 80 watt är 80 watt, och drar CPUn 80 watt betyder det att exakt 80 watt blir till värme i den. Det handlar inte om att 100 watt "flödar" i systemet där 80 watt skalas av varje gång processorn passeras.

Men nu blir det riktigt komplicerat, därför att i någon mening är de så iallafall, säg 100 watt "flödar runt". Det beror på hur vi modellerar termodynamisk jämvikt. När datorn slås på kommer det att krävas mer energi än vad systemet momentant kommer omsätta vid ett senare tillfälle och detta beror på att de olika komponenterna (främst naturligtvis kondensatorer, men även spolar) måste tillföras sin "arbetsenergi". Den energi försvinner när systemet stängs av i form av värme. Detta är mycket likt (är!) en form av virtuell energi, en slags potentiell energi som i fallet med spolar byggs upp av närfältet och består av virtuella fotoner. Dessa är energilösa, precis som i en permanentmagnet! Men en ändring i detta fält motsvarar ändå en ändring i energi. Det är själva fenomenet induktion. Att "ladda upp" en spole kräver en viss energi för att bygga upp magnetfältet, men när det väl är uppbyggt kommer all energi som utvecklas i spolen vara i form av värme, så länge som fältet är statiskt. När spänningen tas bort kollapsar fältet och skapar i stället elektrisk energi i spolen, tills fältet når noll. Denna energi blir i praktiken värme (eller kan återanvändas i regenerativ bromsning, t.ex.).

Samma sak med kondensatorer. Fast där är energin lagrad i ett elektrostatiskt fält i stället för elektromagnetiskt (kondensatorer lagrar faktiskt inte laddning, laddningen är den samma i en laddad som en urladdad kondensator. De handlar bara om en omfördelning av elektronerna, inte en ändring i antal. Jag talar om riktiga kondensatorer med två poler, inte "fysikerkondensatorer" som bara har en pol och där omgivningen är den andra polen).

Men då är det knasigt att tala om energi! Visst, det finns en potentiell energi som flödar, i form av en ström och spänning som kan uträtta ett arbete, effekt och därmed alstra energi, arbete över tid. Men det är inte så att 100 watt flödar in i processorn och 20 watt ut som kan användas i en annan komponent. Ingenting som händer i processorn eller som kan mätas i den kan nämligen berätta om "nästa" komponent alstrar 0, 20 eller 20 000 000 000 watt. Det enda du kan mäta omkring processorn är spänningen över den och strömmen igenom den och därmed räkna ut den effekt den utvecklar (där 100.000% blir värme, även om en försvinnande liten smådel dröjer en kort stund innan det blir värme, plus att du har ett närfält som håller en liten potentiell energi).

Se följande "schema":

PSU-plus--->last 1--->last 2--->PSU-minus

Vi säger att över last 1 är det 10 volt och 1 ampere flödar i kretsen. Det enda du kan säga är att last 1 utvecklar 10 watt i effekt. Om det är värme eller något annat beror på vad last 1 gör, men i slutändan är det värme likförbaskat. Titta nu på last 2. Kan vi säga något om energin som flödar i kretsen? Vi vet strömmen genom last 2, den är naturligtvis 1 ampere den med (Kirchhoffs strömlag). Men den uppgiften säger inget om energin om vi inte vet spänningen! Om spänningen är 10 volt över last 2 är det 10 watt i utvecklad effekt där med. Är spänningen 1 kV är effekten 1 kW. Ingenting i last 1 kan berätta om det! Visst, i någon mening är det antingen 20 watt eller 1010 watt som "flödar" genom last 1, beroende på spänningen över last 2, men det påverkar inte last 1 på något sätt och ingenting med last 1 kan berätta om detta. Energi i sig självt har ingen kvalité i form av en rumslig utbredning eller vikt eller något sådant. Spänningen och strömmen är bara energibärare, inte energin i sig självt. Strömmen och spänningen måste utföra ett arbete över tid för att ge upphov till energi.

Vattenmodeller är rätt vanliga. En vattentank på en viss höjd motsvarar en viss spänning. Flödet av vatten motsvarar strömmen, mängden vatten motsvarar laddningen och flödesmotståndet motsvarar motstånd. Om du tittar på ett 1 m tvärsnitt av ett vattenfall så berättar det ju bara om flödet och om tryckskillnaden över 1 meter, men du vet inget om den totala mängden vatten (i någon mening den totala energin som kan omsättas av systemet), ingenting om vattnets totala fallhöjd (högsta potentialdifferansen, Kirchoffs spänningslag) eller om hur länge vattnet har flödat (vilket är relaterat till den hittills utvecklade energin). Det enda du kan uttala dig om från tvärsnittet är det arbete som utförs i det, effekten.

Så, strömmen genom en krets är inte ekvivalent med energin. Ej heller spänningen över den. Strömmen gånger spänningen ger dock effekten i just denna komponent, men berättar ingenting om effekten i systemet som helhet eller den totala energin. Och, såvida inte kretsen i fråga är ytterligare en energiomvandlingsmanick (elmotor, whatever) så är den per automatik en krets som omvandlar elenergi till värme. Med 100.00% verkningsgrad. Må vara att en bråkdel blir radiovågor, ljus eller ljud som tar några extra ögonblick på sig att bli till värme. Men såväl radiovågor som ljus som ljud är egentligen bara olika former av värme. Ja, värme är ju inte en enhetlig energiform, utan ett statistiskt fenomen som kan vara mer eller mindre makroskopisk beroende på vilka frågor som ställt.

Blev det klarare? Eller ställde jag bara till med mer oreda?

Edit (2012-05-12): Skrivfel 1 watt -> 10 watt. Jag har också upptäckt ett tekniskt sakfel i mitt inlägg, om än något esoteriskt. Vem avslöjar mig? Troligen finns det flera fel.