Transferência de Calor nos Coolers         Introdução:                Um entendimento do mecanismo de troca de calor entre o processador e o cooler é essencial no momento da escolha de um sistema de ventilação que atenda as suas necessidades. Muitos parâmetros distintos podem influenciar no processo de resfriamento do processador, sendo que a maioria deles permanece fora do conhecimento dos usuários de PC em geral.            Esse artigo foi feito com intuito de esclarecer todos os aspectos técnicos que estão envolvidos na troca de calor entre o cooler e o processador, sem se estender muito para o lado teórico do processo, mostrando exemplos reais que fazem parte do nosso dia-a-dia enquanto usuários de um computador, incluindo comparações entre vários coolers existentes atualmente no mercado. Ao final da leitura, esperamos que você passe a entender um pouco mais de todo o mecanismo envolvido, dessa forma fazendo uma análise mais rígida e minuciosa antes de adquirir um cooler que lhe dê os resultados esperados.            O artigo completo está dividido em 3 partes. Na primeira parte, temos uma introdução um pouco mais teórica sobre a transferência de calor por condução e convecção em superfícies estendidas. Na segunda parte, veremos como é o perfil de temperatura em um cooler, dependendo do material do qual é feito, e calcularemos parâmetros importantes no que diz respeito à transferência de calor de alguns coolers bastante conhecidos aqui no Brasil. Na terceira e última parte, analisaremos a potência dissipada pelo processador e o efeito da resistência térmica do cooler na temperatura do die. Calcularemos também as resistências dos coolers VCOM 08B, 19B, 21B e 39B, que não são fornecidas. Antes de finalizarmos, faremos uma análise da resistência térmica de contato entre o die e a base do cooler, e falaremos um pouco sobre os coolers à base de heatpipes e a tecnologia por trás dos mesmos.            Teoria: Transferência de energia térmica (calor)         + Transferência de calor por condução:               Condução é o processo de transferência de energia através de um meio material, sem transporte de matéria. A energia térmica se propaga de partícula para partícula do meio. O modelo que relaciona a temperatura com o movimento das partículas pode ser usado para explicar a condução de calor através de um corpo. À medida que recebem calor, os átomos ou moléculas do corpo vibram mais intensamente e a energia cinética dessas partículas é transferida sucessivamente de uma partícula à outra, e essa transferência de energia cinética causa a propagação de calor. Como o calor se propaga de partícula para partícula, corpos mais densos, com maior número de partículas por unidade de volume, especialmente partículas livres, são bons condutores. Isto explica o por quê dos metais se mostrarem bons condutores. Pelo mesmo motivo, os líquidos e gases não são bons condutores de calor. Os materiais em que a condução térmica praticamente não ocorre são chamados isolantes térmicos, por exemplo, a madeira e o isopor.

            A propriedade do material que indica o quão bom ele é para conduzir calor através de si mesmo é conhecida por condutividade térmica (k). Quanto maior for o valor de k, melhor é o material para transferir calor por condução. A tabela abaixo relaciona alguns materiais e seus respectivos valores de condutividade térmica:      

Substância k(W/m.K)Prata* 430Cobre* 400Ouro* 310

Alumínio* 240Ferro* 80

Chumbo* 35Gelo** 2

Concreto** 0,8Vidro** 0,8

Borracha** 0,2Madeira** 0,08Água*** 0,06

Ar*** 0,023

   * - À 25 ºC.   ** - Valores médios aproximados.   *** - À 20 ºC.            Comentário: De acordo com a tabela, podemos perceber que o metal que melhor conduz o calor é a prata. Apesar disso, dois fatores principais contribuem para o seu desuso: preço e densidade. Alternativas razoáveis são encontradas no uso do cobre e do alumínio. Este último, apesar de possuir uma condutividade bem menor que a do cobre, é mais leve e por isso é mais usado.      Por sua vez, a resistividade térmica, 1/k, indica a resistência que o material oferece à condução de calor através de si. Logo, quanto maior for a resistividade, menor a condutividade, e o material terá características isolantes. O cobre e o alumínio, então, apresentam condutividades térmicas grandes e resistividades pequenas, 0,0025 e 0,0042 m.K/W, respectivamente; já o ar possui uma condutividade térmica muito baixa, 0,023 W/m.K, indicando assim que sua resistividade é bem elevada, da ordem de 40 m.K/W.            + Transferência de calor por convecção:               A transferência de calor por convecção é a que ocorre no contato entre um fluido (líquido ou gás) em movimento e uma superfície, quando os dois se encontram em temperaturas diferentes. Ela ocorre tanto em função do movimento molecular aleatório quanto pelo movimento global do fluido.

            A transferência de calor por convecção pode ser classificada de acordo com a natureza do escoamento do fluido. Referimo-nos à convecção forçada quando o movimento do fluido é causado por meios externos, como um ventilador, uma bomba, ou os ventos atmosféricos. No caso da convecção livre (ou natural), o movimento do fluido é originado a partir de diferenças de densidade causadas por variações na temperatura do fluido.            A equação que representa a transferência de calor por convecção é conhecida como a Lei de resfriamento de Newton, que possui a forma:      

q” = h(Tsup – Tfl) ,

      onde q” é o fluxo de calor por convecção (W/m2), Tsup e Tfl são as temperaturas da superfície e do fluido, respectivamente, e a constante h (W/m2.K) é o coeficiente de transferência de calor por convecção. Ela depende da geometria da superfície, da natureza do escoamento do fluido e de uma série de propriedades do fluido.               A tabela a seguir relaciona alguns valores típicos do coeficiente de transferência de calor por convecção:         

Processo h (W/m².K)Convecção natural (livre) -

Gases 2-25Líquidos 50-1.000

Convecção Forçada -Gases 25-250

Líquidos 50-20.000Convecção com mudança de fase -

Ebulição ou condensação 2.500-100.000

                  Através da tabela acima, percebe-se que os líquidos em geral apresentam uma melhor capacidade de conduzir calor por convecção em relação aos gases, especialmente no caso da convecção forçada. O ar atmosférico apresenta um valor de h em torno de 15 W/m2.K em condições de convecção natural, enquanto que sob convecção forçada, o coeficiente convectivo se torna uma função da velocidade e propriedades do ar e da geometria da superfície em contato com o mesmo.         Comentário: Conforme já foi dito no parágrafo anterior, o ar sob convecção forçada apresenta um valor de h maior que na convecção natural e que depende da sua velocidade. Mais adiante, mostraremos a relação que existe entre o coeficiente de convecção h e a velocidade de rotação do ventilador e, conseqüentemente, o fluxo de ar criado dentro do dissipador.

            Superfícies estendidas:               O termo superfícies estendidas é comumente usado em referência a um sólido, onde há transferência de energia por condução no interior de suas fronteiras e a transferência de energia por convecção entre suas fronteiras e a vizinhança.            Embora existam muitas situações diferentes que envolvem efeitos combinados de condução/convecção, a aplicação mais freqüente compreende a utilização de uma superfície estendida para, especificamente, aumentar a taxa de transferência de calor entre um sólido e um fluido adjacente. Tal superfície estendida é chamada de aleta.         Comentário: Agora já sabemos o porquê da existência dos pequenos “dentes” nos dissipadores. As aletas servem para melhorar a transferência de calor entre o dissipador e o ar que é soprado pelo ventilador. Esse objetivo é alcançado através do aumento da superfície de contato entre os dois. Veremos na seção seguinte que existe uma maneira de avaliar o quanto que a aleta é eficiente, ao compararmos a transferência de calor com e sem a mesma.      A condutividade térmica do material da aleta possui um grande efeito sobre a distribuição de temperatura ao longo da aleta e, portanto, apresenta grande influência sobre o grau de melhora da taxa de transferência de calor. Idealmente, o material da aleta deve possuir uma condutividade térmica elevada, de modo a minimizar a diferença de temperatura desde a sua base até a sua extremidade. Na condição limite, onde a condutividade térmica da aleta é infinita, toda ela estaria à mesma temperatura de sua base, fornecendo assim o limite máximo possível de melhora na taxa de transferência de calor.         Desempenho das aletas               Lembre-se de que aletas são usadas para aumentar a transferência de calor em uma superfície através do aumento da área superficial efetiva para a troca térmica. Contudo, a aleta em si representa uma resistência térmica condutiva à transferência de calor na superfície original. Por esse motivo, não existe qualquer garantia de que a taxa de transferência de calor aumente com a introdução de aletas.            Uma investigação sobre o assunto pode ser efetuada através da avaliação da efetividade da aleta Ea . A efetividade da aleta é definida como a razão entre a taxa de transferência de calor da aleta e a taxa de transferência de calor que existiria sem a presença da aleta.               Em qualquer projeto racional, o valor de Ea deve ser o maior possível e, em geral, o uso de aletas só é justificado para os casos onde Ea > 2.                Embora a instalação de aletas altere o coeficiente de transferência de calor por convecção, este efeito é geralmente desprezado. Assim, considerando o coeficiente de convecção na superfície aletada equivalente àquele na base sem aletas, tem-se para a

aproximação de aleta com comprimento infinito que:   

   onde k é a condutividade térmica do material do qual é feita a aleta, P é o perímetro da aleta, h é o coeficiente de transferência de calor por convecção e Asr. é a área da seção reta da aleta (área que fica exposta ao se “cortar” a aleta na direção paralela à sua espessura).         Comentário: Através dessa equação nós podemos obter a eficiência da aleta diretamente a partir de suas dimensões e da condutividade térmica do qual é feita, se conhecermos o coeficiente convectivo do ar, h. Em uma seção mais adiante, faremos uma comparação entre os desempenhos de vários coolers de diferentes marcas e modelos.                  Algumas tendências importantes podem ser deduzidas a partir desse resultado. Obviamente, a efetividade da aleta é melhorada pela seleção de um material com elevada condutividade térmica. Ela também pode ser melhorada pelo aumento da razão entre o perímetro da aleta e a área da seção reta. Por esse motivo, o uso de aletas finas, porém com um pequeno espaçamento entre elas, deve ser preferido. Nesse caso, existe a restrição de que o espaçamento entre as aletas não deva ser reduzido a um valor no qual o escoamento do fluido entre as aletas seja gravemente prejudicado, fato que causa diminuição no coeficiente de transferência de calor por convecção.         Comentário: Agora nós já temos um parâmetro concreto para usar como critério de escolha de um cooler: a altura e a espessura das aletas. Quanto mais altas e finas, melhor, contanto que o número de aletas não seja exageradamente grande a ponto de atrapalhar o fluxo de ar nos seus interstícios, diminuindo a quantidade de calor transferido para o mesmo.               Uma outra medida do desempenho de uma aleta é fornecida pela eficiência da aleta Na. O potencial motriz máximo para a convecção de calor é dado pela diferença entre as temperaturas de sua base e do fluido. Assim, a taxa máxima de dissipação de energia é aquela que existiria caso toda a superfície da aleta se encontrasse à temperatura de sua base. Entretanto, uma vez que toda aleta é caracterizada por possuir uma resistência térmica condutiva, há necessariamente um gradiente de temperatura ao longo da aleta e a condição proposta é apenas uma idealização.            Para uma aleta plana retangular, temos que:   

   onde k é a condutividade térmica do material do qual é feita a aleta, h é o coeficiente de transferência de calor por convecção, t é a largura da aleta e L é o comprimento da aleta.         Comentário: Essa equação parece ser complicada, mas é simples de se resolver. Assim como a efetividade, a eficiência da aleta também pode ser obtida facilmente, pois todos os parâmetros são conhecidos.   

      Eficiência global da superfície:               A eficiência global da superfície Ng caracteriza o desempenho de um conjunto de aletas e da superfície na qual ele está fixado. De um modo geral, a eficiência global da superfície é definida por:      

Ng = 1 – (N.Aa/At).(1 – Na) ,

      onde N é o número de aletas, Aa é a área superficial de uma aleta, At é a área total de troca de calor (incluindo Aa) e Na a eficiência individual de cada aleta.         Comentário: A eficiência global da superfície pode nos dar uma idéia da eficiência do dissipador como um todo. Lembre-se de que a qualidade do fluxo de ar está embutida no parâmetro h que está implícito na equação acima, mas que entra no cálculo da eficiência individual de uma aleta apenas.   

Transferência de Calor nos Coolers – Parte 2/3

      

(Clique aqui para ler a Parte 1)

         Da teoria à prática:      Passada a teoria, é hora de utilizá-la na prática. Vamos entender agora como funciona a troca de calor entre o processador e o cooler. Consideraremos que o material térmico de contato utilizado tem uma eficiência infinita e que a resistência de contato entre o material, o die e a base do dissipador é nula.    Apesar de, aqui, estarmos considerando a famosa "pasta térmica" como infinitamente eficiente, isto não acontece na prática. Cada pasta térmica comercial tem a sua própria condutividade térmica, conforme é mostrado na tabela a seguir:

   Material k(W/m.K)

Artic Silver III 9

Artic Silver II 8CoolerMaster Premium 6,8CoolerMaster High Perf 4,18

Artic Alumina 4,15Ar 0,023

         Observando a tabela, comparando com o ar, vemos o porquê do uso de material de interface térmica ser tão recomendado (e relevante). Posto isto, analisemos agora como o calor é transferido do processador para o meio circundante:      

      

1. Inicialmente, o calor é transferido do die do processador para a base do dissipador e em seguida para as aletas, por condução;

2. O ar frio é empurrado pelo ventilador em direção ao interior do dissipador;3. Em seguida, as aletas quentes trocam calor com o ar empurrado pelo

ventilador, por convecção. O valor de h para o ar vai depender, nesse caso, principalmente da velocidade de rotação do ventilador. Lembre-se de que a temperatura não influencia no coeficiente h, apenas na quantidade de calor trocado;

4. O ar quente é empurrado para fora do dissipador.

   

      Para mostrar como é o comportamento térmico do sistema cooler-processador, utilizaremos, como exemplo, um AMD Athlon XP 2200+ Tbred-B com o cooler BOX, com as temperaturas monitoradas durante o uso normal no desktop do Windows XP.       Conforme o programa Motherboard Monitor 5, as temperaturas medidas foram: Tdie = 51 ºC; Tbase = 46 ºC; e Tgabinete = 33 ºC. Consideraremos a temperatura do ar que é ventilado como sendo igual à temperatura média interna do gabinete.      O perfil de temperatura do sistema é mostrado no gráfico a seguir. O eixo Y representa a temperatura em Celsius, e o eixo X representa a posição relativa no cooler, em milímetros, em relação à base do dissipador. São mostradas 3 curvas diferentes, correspondendo ao perfil de temperatura que existiria caso o dissipador fosse feito unicamente do material indicado (Cobre, Alumínio ou Aço Inoxidável).      

         Nesse gráfico, para saber a temperatura em uma determinada posição do dissipador, trace uma reta paralela ao eixo y, na posição desejada, até cruzar na curva do material escolhido. Então, no ponto onde a reta cruzar com a curva, trace outra reta, paralela ao eixo x, e ao cortar o eixo y, você terá a temperatura naquela posição do cooler, para o material que você escolheu.   Esse gráfico só é valido para as aletas laterais do dissipador, já que aqui a distribuição de temperaturas não é exatamente uniforme, conforme pode ser visto na figura: Na parte do dissipador que fica embaixo da região central do ventilador, quase não há fluxo de ar e a superfície fica mais quente que o restante.   Fazendo uma análise do trecho das aletas, percebemos que o cobre apresenta uma distribuição de temperatura mais próxima da ideal (lembre-se, uma aleta ideal é aquela onde a temperatura em toda a sua extensão é igual à da sua base). Isso acontece porque, dos três materiais analisados, ele é o que tem a maior condutividade térmica (k). Note também que o alumínio não deixa muito a desejar em relação ao cobre. É por isso que é mais vantajoso do ponto de vista de fabricação produzir dissipadores de alumínio, e então adicionar ou não uma base de cobre, do que utilizar cobre em toda a sua extensão, o que elevaria bastante o preço do produto e aumentaria o peso total do cooler. Apesar disso, existem coolers feitos totalmente em cobre, mas esses com certeza não são os mais populares. Eles são mais utilizados por aqueles que necessitam de uma refrigeração mais agressiva, embora não tão agressiva quanto às oferecidas pelos watercoolers e coolers à base de heatpipes.   Existe um programa muito interessante para a análise de perfis de temperaturas em elementos finitos, tanto em regime estacionário (nada varia com o tempo) quanto em regime transiente (onde as temperaturas variam com o tempo). O FEHT (Finite Element Heat Transfer), como é chamado, pode ser usado para calcular o perfil de temperatura no dissipador para quaisquer condições possíveis e imagináveis. Na figura abaixo, vemos um exemplo de um dissipador resfriando um processador em funcionamento e o seu perfil de temperatura. Na figura seguinte, vemos setas representando o fluxo de calor dentro do dissipador. Uma figura bem interessante, por sinal.      

            Relação entre o coeficiente convectivo h, a velocidade de rotação do ventilador e o fluxo de ar dentro do dissipador:      Já foi dito anteriormente que o coeficiente convectivo do ar depende da velocidade e propriedades do ar e da geometria da superfície em contato com o mesmo. Equações que relacionam todos esses parâmetros podem ser encontradas na literatura, mas estas geralmente são muito complexas e fogem do escopo desse artigo. Para o caso especial do fluido ser o ar, podemos simplificar as equações e, após adaptá-las à geometria retangular do dissipador, chegamos a uma relação linear entre o coeficiente convectivo e a velocidade do ar. Mais simples impossível:      

h = 6,47v ,

   onde a velocidade deve ser dada em metros por segundo, obrigatoriamente, para obtermos o valor de h em Watts por metro quadrado por Kelvin (W/m².K). Abrindo um parêntesis para a explicação da unidade de h: se nós temos um coeficiente h igual a 1 W/m².K, isso significa que é possível dissipar, no máximo, 1 Watt por metro quadrado para cada

diferença de temperatura de 1 K (equivalente a 1 ºC) entre a superfície e o fluido.      O problema agora é: como calcular a velocidade do ar que entra no dissipador, em metros por segundo?    Felizmente, essa velocidade nos é fornecida, indiretamente, pelo fabricante do cooler. Vocês já devem ter notado que nas especificações técnicas de cada modelo, existe um parâmetro chamado "air flow", ou fluxo de ar, que é dado em CFM. CFM é a abreviação para Cubic Feet per Minute, ou pés cúbicos por minuto. Pois bem, podemos converter essa unidade para metros cúbicos por segundo, e se tivermos a área transversal livre do dissipador (área na qual o ar pode fluir), que também é fornecida indiretamente pelo fabricante, encontraremos a velocidade em metros por segundo:      

v = Q/A ,

   onde v é a velocidade em metros por segundo (m/s), Q é o fluxo em metros cúbicos por segundo (m³/s) e A é a área transversal livre, em metros quadrados (m²).      Dessa forma, temos mais um parâmetro importante que pode ser usado como critério de escolha na hora da compra do cooler: a capacidade do ventilador de imprimir velocidade ao ar. Essa capacidade pode ser indiretamente analisada verificando-se o fluxo de ar no dissipador, dado que é fornecido pelo fabricante. Quanto maior, melhor, sem esquecermos de que "o espaçamento entre as aletas não deve ser pequeno a ponto de que o escoamento do ar entre as mesmas seja gravemente prejudicado, fato que causa diminuição no coeficiente de transferência de calor por convecção". Claro que, para o "quanto maior, melhor", existe o limite auditivo do usuário. Infelizmente, coolers com ventoinhas que giram mais rápido costumam ser os mais barulhentos.      Agora, de posse da velocidade, podemos calcular o valor do coeficiente convectivo do ar, para qualquer cooler que desejarmos. Para efeitos didáticos, abaixo é mostrado o h em função de v e de Q (em CFM), para um cooler com área transversal do dissipador igual a 0,00574 m² (80 mm x 72 mm):      

            Finalmente temos uma boa base para começarmos a fazer comparações técnicas entre diferentes coolers. Nesse artigo, iremos utilizar as especificações técnicas dos seguintes coolers para o Socket A, para calcularmos os seus parâmetros térmicos:

      + Cooler Master DP5-6J31C   + Cooler Master ACC-L72 Vortex Dream 7   + Cooler Master ASB-V73 Aero 7+   + Cooler Master CP5-8J71F Aero 7 Lite   + Thermaltake Silent Boost   + Thermaltake Volcano 7+   + VCOM S462-08B715   + VCOM S462-19B825   + VCOM S462-21B825   + VCOM S462-39B825      Antes de começarmos a maratona de cálculos, devemos fazer as seguintes considerações:   

1. Condições de regime estacionário (nada varia com o tempo).

2. Condução de calor nas aletas unidimensional.3. Propriedades constantes.4. Troca de calor por radiação desprezível.5. Coeficiente convectivo de troca de calor na superfície com ou sem aletas

uniforme.6. Resistência térmica de contato entre o processador, o material de interface e

a base do dissipador desprezível.

      Na tabela abaixo sumarizamos todos os parâmetros relevantes dos coolers. A maioria deles é fornecida pelos fabricantes, enquanto que alguns, como as medidas das aletas, são muito difíceis de se obter e, portanto, são apenas aproximações.      

            A partir dos dados da área útil para o fluxo de ar e do fluxo de ar em CFM, podemos calcular o coeficiente de convecção h para cada cooler em particular:      

            De acordo com os nossos cálculos, o Volcano 7+ é o que possui o maior valor de h. Os coolers da VCOM, porém, não ficam muito atrás. Seus ventiladores giram a 3000 RPM, metade da velocidade do Volcano 7+, mas como a área útil para o fluxo de ar é maior, aumenta a relação h/RPM tornando-os mais eficientes.   Agora, com os valores de h para todos os coolers, podemos finalmente calcular as efetividades e rendimentos das aletas, bem como os rendimentos globais das superfícies dos dissipadores dos coolers:      

           O Vortex Dream 7, cooler ainda não lançado no mercado (até o fechamento do artigo) pela CoolerMaster, é o que tem as aletas mais eficientes. O Aero 7+ é disparado o que tem as aletas mais efetivas, que conseguem transferir 206 vezes mais calor do que seria transferido sem a presença das mesmas. Veja que a eficiência global é praticamente a mesma da aleta individual, pois a área adicional para a transferência por condução entre as bases das aletas se torna desprezível tamanha é a superfície de contato das mesmas com o

ar que é soprado pelo ventilador.    É interessante ver a diferença entre a efetividade e os rendimentos dos dois modelos Aero 7. Ela é causada única e exclusivamente pela diferença na condutividade térmica entre o Cobre (Aero 7+) e o Alumínio (Aero 7 Lite).   

Transferência de Calor nos Coolers – Parte 3/3

      

(Recomendamos ler, antes desta, a Parte 1 e a Parte 2)

      Potência dissipada pelo processador / Resistência térmica do cooler:       A taxa de transferência de calor por convecção das aletas é dada por      

Qa = h At [Ng] . (Tbase – Tar),

   onde: Ng = [1- (NAf /At)(1-na)] .         A taxa de transferência de calor por condução na base do dissipador é      

Qb = kAb/L (Tdie – Tbase).

         Para encontrarmos a equação que representa o calor total trocado entre o processador e o ar ambiente através do cooler, basta somar as duas equações. Após um rearranjo, obtemos:      

QT = Qa + Qb = {1/[(L/k.AB)+(1/h.At.Ng)]}(Tdie – Tar)

         A única coisa boa nessa equação (:P) é que não é necessário conhecer a temperatura na base do dissipador para calcular o calor trocado. Só precisamos da temperatura do die do processador, que é monitorada pelas placas mães mais recentes, e da temperatura do ar soprado pelo ventilador, que também é conhecida.   Um dado muito importante que engloba todos os parâmetros que calculamos até agora é a resistência térmica total do cooler (Thermal Resistance). Esse dado, na maioria das vezes, também é fornecido pelo fabricante. Ele é dado em graus Celsius por Watt, -ºC/W - e representa todos aqueles termos antes da diferença de temperaturas da equação anterior. Logo, se a resistência térmica total do cooler for conhecida, podemos substituí-la e

simplificar enormemente a equação acima:      

QT = (1/RT).(Tdie – Tar) ,

   onde RT é a resistência térmica total do cooler, em ºC/W. Se a resistência não for fornecida, podemos calculá-la através da seguinte equação:      

RT = (L/kAB)+(1/hAt.Ng)

      Se o cooler possuir base de cobre e o restante de alumínio, deve-se adicionar mais uma resistência associada à base:      

RT = (Lc/Kc.Abc)+(L/k.AB)+(1/h.At.Ng) ,

   onde Lc, Kc e Abc são a altura, a condutividade e a área da seção reta da base de cobre.       Veja que a quantidade de calor trocado aumenta se aumentarmos os coeficientes Kc, k e h. Por isso que a adição da base de cobre melhora o fluxo de calor, pois como o seu Kc é grande, então acaba por compensar o aumento da altura da base, em relação ao cooler apenas com o dissipador de alumínio.    Voltando à equação do calor transferido, temos que, de acordo com o princípio da conservação da energia, todo o calor dissipado pelo cooler deve ser igual ao que é gerado pelo processador. Logo, podemos substituir QT pela potência máxima dissipada pelo processador e calcular qual a temperatura do die que cada cooler seria capaz de manter na pior das situações, ou seja, com o processador em "full-load" e a temperatura do ar igual a 40 ºC.   Vamos exemplificar utilizando como processador um AMD Athlon XP 3200+. A potência máxima que ele pode dissipar é igual a 76,8 W. Então, se tivermos a resistência térmica total do cooler e a temperatura do ar (que deixaremos em 40 ºC), podemos calcular qual a temperatura máxima a que estaria o processador se determinado cooler estivesse sendo usado. A tabela a seguir relaciona as resistências térmicas dos coolers analisados bem como a temperatura do die do Athlon XP 3200+ nas condições que descrevemos acima:      

         Veja que o CP5-6J31C não poderia ser usado nessas condições, pois a temperatura do die seria de 88,38 ºC, que é superior à temperatura máxima de operação recomendada pela AMD, 85 ºC.   Utilizando a equação para QT, podemos construir um gráfico da temperatura do die versus potência dissipada pelo processador, com a temperatura do ar igual a 40ºC. O gráfico fica valendo, então, para todos os processadores que dissipem potência no intervalo mostrado:      

            Cálculo da resistência térmica para os coolers VCOM   

   As resistências térmicas dos coolers VCOM 08B, 19B, 21B e 39B não são fornecidas. Mas isso não nos impede de calculá-las. Temos todos os dados que precisamos para calcular resistências aproximadas para os quatro coolers que faltam, inclusive com a adição da base de cobre dos 19, 21 e 39B nos cálculos.   A tabela a seguir apresenta os resultados obtidos. Para o cálculo da resistência da base do dissipador (ou da base de cobre), consideramos como área útil de troca apenas a área do die do processador. Na verdade, é a única área onde há troca de calor efetiva, pois o die é a fonte de calor de todo o processador. E para os coolers com base de cobre, consideramos como área de troca entre a base de cobre e a base do dissipador como sendo a média aritmética das áreas superficiais dos dois.      

         A ausência de uma base de cobre para o 08B faz com que a sua resistência térmica seja bem elevada. Entre os outros três coolers, podemos ver que o 21B é o que tem a menor resistência, portanto é o mais indicado.    Considere esses resultados para efeito de comparação apenas entre os coolers da VCom, pois não é justo comparar as resistências dos outros, que foram fornecidas pelos fabricantes, com esses valores calculados, encontrados depois de muitas simplificações e aproximações. Apesar disso, são valores bastante razoáveis e que justificam o ótimo custo-benefício desses "pequenos grandes coolers".         Análise final      Montamos uma tabela com todos os dados importantes dos coolers analisados, incluindo os parâmetros calculados. A partir, dela, é possível tirar as conclusões sobre qual cooler é melhor dependendo dos parâmetros escolhidos.      

   O parecer final fica por conta de você, leitor.

      Obs.: Veja que o VCom 08B também não poderia ser usado com o Athlon XP 3200+. A título de informação, de acordo com o site, coerentemente ele é indicado para o Athlon XP 3000+ no máximo. Ocorre o mesmo com o CP5-6J31C, que é recomendado para uso com Athlons XP até o modelo 2400+.         + Apêndice 1: Resistência Térmica de Contato   No início do artigo, dissemos que consideraríamos a resistência de contato entre o die e a base do processador igual a 0 (indiretamente, por dizer que a condutividade do material de interface era infinita). Na verdade isso foi apenas uma simplificação para os cálculos, pois a maioria dos dados confiáveis nessa área é experimental, que não podem ser obtidos simplesmente por uma correlação ou um cálculo teórico. Vejamos o que diz Frank. P. Incropera, uma das maiores autoridades em todo o mundo quando o assunto é Termodinâmica, a respeito da resistência de contato:      "Embora desprezível até agora, é importante reconhecer que, em sistemas compostos, a queda de temperatura através da interface entre os componentes pode ser considerável. Essa mudança de temperatura é atribuída ao que é conhecido como resistência térmica de contato.

      A existência de uma resistência de contato finita é devido, principalmente, aos efeitos da rugosidade da superfície. Os pontos de contato são intercalados com espaçamentos que são, na maioria dos casos, preenchidos com ar. Portanto, a transferência de calor é devida à condução através da área de contato real e à condução através dos espaçamentos. A área de contato é tipicamente pequena, e especialmente para superfícies rugosas, a principal contribuição à resistência é devida aos espaçamentos.      Para os sólidos cuja condutividade térmica é maior do que a do fluido interfacial, a resistência de contato pode ser reduzida através do aumento da área de contato dos pontos. Tal aumento pode ser efetuado aumentando-se a pressão da junta e/ou reduzindo-se a rugosidade das superfícies em contato (polimento). A resistência de contato também pode ser reduzida pela escolha de um fluido interfacial de alta condutividade térmica. Nesse sentido, a ausência de um fluido nos espaçamentos (vácuo) elimina a condução através dos espaçamentos, aumentando conseqüentemente a resistência de contato.      Muitas aplicações envolvem o contato entre diferentes sólidos e/ou uma ampla gama de possíveis materiais de preenchimento. Qualquer substância de preenchimento cuja condutividade térmica seja maior do que a do ar e que ocupa o espaçamento entre as superfícies de contato irá diminuir a resistência de contato. Pastas térmicas à base de silício/prata/cobre são atrativas, pois preenchem completamente os espaçamentos com um material cuja condutividade térmica supera em até 50 vezes a do ar".      Apesar de gerar controvérsias, o polimento da base do dissipador melhora sim a transferência de calor, pelos motivos explicados acima. A única coisa que não pode ser feita, no nosso caso, é aumentar a pressão do dissipador em cima do processador, pois o mesmo é relativamente frágil nesse aspecto.          + Apêndice 2: Coolers à base de Heatpipes   A tecnologia dos heatpipes foi inicialmente implementada pela CoolerMaster, nos dissipadores Fujiyama e HHC-001, e logo mostrou o seu valor, aparecendo em outros dissipadores, como é o caso dos da Zalman.    O conceito é extremamente básico, e teoricamente bastante funcional. Temos um tubo oco em forma de U que liga a base do dissipador à parte de cima deste. Dentro deste tubo, existe um líquido que evapora a uma temperatura entre 35 e 45 ºC. Como é sabido, a parte mais baixa do dissipador é mais quente, pois está mais próxima da fonte de calor (CPU), enquanto a parte mais fria é a parte de cima onde está a fonte de resfriamento (o ar frio). Assim sendo, quando o dissipador começa a aquecer, este líquido evapora, e sobe para a zona do U mais acima, condensando aí e voltando para baixo. Basicamente existe um ciclo de evaporação/condensação que serve de transporte ao calor, libertando assim a base do dissipador de parte do calor.   Nesse momento, devem estar voltando à sua cabeça os valores do coeficiente convectivo para fluidos com mudança de fase (vistos no início do artigo). Pois é, esse "hzinho" tremendamente alto é que garante a eficiência dos coolers à base de heatpipes. Com tal mecanismo, a escolha de se colocar uma ventoinha para melhorar a transferência nas aletas

passa a ser um mero opcional.      

O Silent Tower da Thermaltake é um cooler à base de heatpipes.

            Conclusão:      O que podemos dizer após aprender tanto sobre a troca de calor entre o processador e o cooler? Todos os cálculos realizados, que não tinham perspectiva alguma de dar certo, acabaram resultando em números coerentes e condizentes com a realidade. Nada como uma boa base teórica para servir como alicerce para a aplicação dos conhecimentos no mundo real.   Conforme dissemos no início do artigo, esperamos que agora você entenda um pouco mais de todo o mecanismo que envolve o resfriamento do processador, dessa forma fazendo uma análise mais rígida e minuciosa antes de adquirir um cooler que lhe dê os resultados esperados.       Uma planilha do MS Excel com todos os cálculos realizados nesse artigo está disponível para o público. Basta enviar um e-mail para danw@terra.com.br, demonstrando o interesse em ver em mais detalhes como os cálculos foram feitos, que terei o maior prazer em enviar o arquivo.