Qual a influência da temperatura ambiente no desempenho de um cooler?

Teoria da condução de calor

Antes de tudo, é preciso saber que calor e temperatura não são sinônimos. Calor é uma forma de energia transferida de um corpo para outro, enquanto temperatura é uma grandeza termodinâmica associada ao equilíbrio térmico. A temperatura é interessante para nós por influenciar o funcionamento de circuitos eletrônicos, além de ser facilmente mensurável. A relação entre temperatura e calor é simples: se um corpo apenas recebe calor (e não perde), sua temperatura aumenta; já se ele apenas perde calor (e não recebe), sua temperatura diminui.

Qualquer circuito eletrônico, ao funcionar, transforma energia elétrica em calor (isso chama-se efeito Joule). Assim, um processador ou chip gráfico, ao funcionar, "consome" quantidade relativamente grande de energia elétrica, e portanto "recebe" uma grande quantidade de calor por unidade de tempo. Se este calor não saísse do componente, sua temperatura se elevaria indefinidamente.

Por isso existem os sistemas de resfriamento que chamamos de "cooler" (literalmente, "resfriador" em inglês). O cooler retira calor do chip e o transfere para o ar em torno do computador (já que calor não pode ser destruído e dificilmente pode ser convertido em outra forma de energia).

Um cooler normalmente é composto de um dissipador (peça de metal com aletas que criam uma grande área de contato com o ar) e uma ventoinha (que força a circulação do ar pelas aletas). A Figura 1 mostra um diagrama simplificado de um cooler. Nesta figura, vemos uma seta azul que representa o calor passando do processador (em vermelho) para o dissipador (em laranja) e do dissipador para o ar circulante.

Figura 1: Diagrama de funcionamento de um cooler.

Note que, para auxiliar na transmissão do calor entre o processador e o dissipador, utiliza-se pasta térmica entre as duas superfícies. Já explicamos em detalhes para que serve a pasta térmica e como aplicá-la em nosso tutorial "Como aplicar corretamente pasta térmica".

Alguns coolers utilizam recursos mais sofisticados, como partes em diferentes metais, heatpipes (tubos onde há um fluido que muda de fase, facilitando o transporte de calor) e placas de efeito Peltier (que "bombeiam" o calor mais rapidamente, gastando energia elétrica no processo).

Como um cooler é um sistema complexo, envolvendo peças de diferentes materiais, soldas, diferentes formatos, além do fluxo de ar, não há uma forma simples de calcular quanto calor um cooler pode retirar de um componente eletrônico. Podemos simplificar e utilizar uma grandeza que nos dá uma ideia de seu desempenho: a Condutância Térmica, representada pela letra G, ou seu inverso, a Resistência Térmica, representada pela letra R.

Quanto maior for a condutância térmica de um sistema de refrigeração, melhor é o sistema, pois mais facilmente ele conduz o calor do componente para o ambiente. O inverso se aplica à resistência térmica: quando maior, pior.

A condutância térmica (G) relaciona-se com a potência dissipada (P) de forma simples pela equação abaixo.

Já a relação entre resistência térmica (R) e potência dissipada (P) é dada pela expressão:

Nestas duas expressões, P é dada em watts (W) e representa a quantidade de calor que circula por unidade de tempo e a diferença de temperatura em kelvin ou graus Celsius. Assim, G é expressa em W/K e R em K/W.

ΔT é a diferença de temperatura entre o processador (TP) e o ambiente (TA):

Estas equações nos levam a algumas observações importantes:

• Para uma mesma potência dissipada P e mantendo as características do cooler (mesmo G), a diferença de temperatura é sempre a mesma. Assim, um aumento de 1 kelvin na temperatura ambiente resulta no aumento de 1 kelvin na temperatura do processador.
• Mantendo as características do cooler, quanto maior a potência dissipada, maior será a diferença de temperatura.
• Para a mesma potência dissipada, quanto maior for a condutância térmica, menor será a diferença de temperatura.