Patrick Zhang，电气工程师 阅读原文 有趣的想法，点赞! 电器是有灵魂，这灵魂是设计者赋予的，而电器运行的规则是物理大师们给予的。我给题主科普一下电器运行时间和工作制吧。 我们剧烈运动时体表温度会增加，我们会气喘吁吁大汗淋漓，这其实就是人体自动增加体内血液氧含量并降低人体体表温度。 电器和人一样，它们在工作时需要从电源汲取电能供应，它们的外表面需要散热。如果工作电流超过允许的额定电流，电器的表面温度超过最高允许值，则电器内部的温度会上升，导电结构的电阻会上升，导电结构和机械结构的机械强度会下降，绝缘能力亦会下降。若这种现象持续，则电器很可能会发生故障，甚至损坏。 图 1：电器如果负荷过重也会过热 当电器稳定地持续地工作时，它的表面温度也是稳定的。我们设电器表面温度是θ，设环境温度是 ，两者的温度差叫做电器的温升，用希腊字母τ表示，也即： 。当电器刚刚开始通电时，温升τ=0；当电器进入稳定运行状态时，它的表面温升就是τw。 我们把一片饼干放到微波炉里加热，几秒钟饼干的温度就会上升到很高，而把一只烤鸭也放到微波炉里加热，烤鸭的表面上升到与饼干相同的温度时所需要的时间会长很多。理论和实践都证明，任何一款电器都存在热时间常数 T，当电器的工作时间超过 4 倍热时间 T 时，电器的表面温升就进入了稳定温升，见下图： 图 2：电器的稳定温升 图 2 中是电器自开始通电的那一刻直至进入稳定运行温升的曲线变化情况。我们看到电器的表面温升从通电起始时刻 t=0 开始上升，当经过 4T 的时间后，电器的温升到达了稳定温升τw。之后，电器的表面温升就稳定在τw。 不同电器的热时间常数不尽相同。热时间常数 T 的表达式是： ，这里的 m 是质量，c 是比热容，Kt 是综合散热系数，A 是散热面积。 我们看到，质量越大的电器热时间常数 T 也越大；散热面积越大的电器，热时间常数 T 就越小。这与我们的常识是吻合的。 如果一个电器的工作时间长度超过 4 倍热时间常数 T，则电器外壳的温升自然就稳定在稳定温升τw，我们把此电器的工作制叫做长期工作制。 请注意：在长期工作制下，电器的最大运行电流 Iu 就等于它的额定电流。 长期工作制下的电器停电时，其表面温升的下降曲线与升温曲线对称。从停电那一刻算起，经过 4T 的时间温升下降至零。 图 3：电器在长期工作制下的温升曲线 图 3 中，曲线 1 是电器从初始温升为零开始的温升曲线，也就是我们前面讨论过的曲线。曲线 2 是电器从某个温升初始值开始的温升曲线，而曲线 3 则是降温的温升曲线。我们看到曲线 3 与曲线 1 是对称的。 关于电器的散热，我们会遇见一位伟大科学家，他就是牛顿。 图 4：牛顿的散热公式在设计电器散热能力中得到广泛运用 图 4 中的 P 就是散热功率；Kt 是综合散热系数，它是热对流、热传导和热辐射的综合系数；A 是电器的表面散热面积；τ就是温升。 按图 4 中的牛顿公式 ，我们很容易想到，电器的散热面积 A 越大，它的外表面温度和温升τ当然就越低，电器的工作也就越稳定。 一台长期工作制下运行的电器在设计之初，设计者已经按电器的设计功率和额定电流确定了它的外表面散热面积，因此电器在长期工作制下不存在“累到它们”。那么什么情况下才会出现“累到它们”？这就是短时工作制和反复周期工作制。 如果电器的工作时间短于 4 倍热时间常数 T，而停电时间长于 4T，则把此电器的工作制叫做短时工作制。由于电器在短时工作制下的表面温升较低，故可以把电器的功率加大，但必须规定电器的运行时间。 如果电器的工作时间短于 4T，停电时间亦短于 4T，且工作 / 停机反复周期性地运作，此时电器的散热得不到缓解，电器的表面温升最高，对电器的威胁最大，且很容易出现“累到它们”。 看到这里，相信会有人问为何是 4 倍热时间常数 T？它和温升曲线有何关系？ 温升曲线的方程是： ，我们令 t=4T，代入到式子中，得到： ，也即当 t=4T 时，温升τ几乎就等于稳定温升τw。这就是 4T 的来历。 我们来看一个例子：我闲来无事喜欢做面包给自己添加乐趣。由于做面包免不了要添加各种材料的粉末，例如核桃粉、紫薯汁或者其它粉、汁，我就会用家用小型破壁机或者小型粉碎机来执行粉碎任务。开始使用时没注意到它的运行时间不得超过 2 分半钟而间歇休息时间为 4 分钟，我的粉碎连续工作时间超过 4 分钟，手感表面温度很高，才使用了两次粉碎机就冒烟了，内部电机也烧了。懊恼之余去看说明书，才发现此粉碎机已经“累到它们”了，并且把它累死了。可见，家用粉碎机或者家用破壁机就是典型的短时工作制电器。 再次购买了家用粉碎机后，我就严格按工作时间限制来使用它，尽管使用此粉碎机超过百次，但至今没有出现任何问题。 图 5：我家的小型粉碎机 由此可见，要理解并按操作要求来使用电器，才是真正意义上的爱护电器，避免“累到它们”。 下图是短时工作制和长期工作制下的温升曲线对比： 图 6：长期工作制和短时工作制的曲线对比 我们从图 6 中看到，短时工作制下的电器功率加大后，它的温升τw2 会超过长期工作制下的温升τw，所以必须限制电器的工作时间，避免温升超过极限值。图 6 中 A 点对应的时间就是短时工作制下电器的工作时间。 在我们家里，日常使用的长期工作制电器有电冰箱、空调、电饭锅、微波炉、电视机、洗衣机、笔记本电脑和路由器等等，短时工作制的电器就是粉碎机，还有女孩子们用的吹头发机等等。我们在使用这些电器时，一定要注意到它们的工作时间限制，以及工作制要求。 图 7：家用电器 通过以上讨论，我们已经知道电器的灵魂是设计师赋予的，且电器灵魂可以通过使用说明书来解析。因此，我们使用家用电器时，一定要仔细阅读说明书，按说明书的要求使用电器，这才是对电器的最大关心和爱护，避免“累到它们”。笑！ 最后，我们来看看题主的问题：“我认为电器有灵魂，我知道这种想法不正常，我是和大家相反我不心疼电费，但我担心空调开一晚上空调会累到。我会不安，我会来各种软件去查开一晚上好不好，还不是说对人体好不好，是机子会不会承受不了。我还会想地球臭氧层温度升高，我这样做会不会不好，我真的很烦自己这种没道理的圣母心”。 我来概要性回答吧： 1）电器是有灵魂的，但这灵魂是设计师赋予和构建的。由于电器是服务于我们大家，大家的需求是设计师设计思想的根源，因此电器的灵魂其实就是我们大家赋予的。 2）只要电器工作在符合要求的工作制下，且未超负荷，则电器的运行是稳定可靠的，不必考虑电器是否能够承受。但若电器工作超负荷，或者工作在其它工作制下，则必须考虑电器是否能够承受，这与电器是否有灵魂毫无关系。 对于设计院的电气工程师们，他们几乎每个工作日都要做一件事，就是把机电设备的额定功率按实际需求转换成不同工作制下的计算功率、计算电流、计算无功功率和计算容量。转换重需要用到需要系数 Kx，它就是把长期工作制下的额定参数转换成其它不同工作制的参数。可见，题主的问题背后，还是有实际工程意义的。 3）用慈母心对待电器，怕累到它们，我们只需要想想当年砸牛顿脑袋的苹果是否有慈母心就可以了。至于电器是否会累，我们只要不让电器过载，让电器工作在额定条件下，则电器就不会被“累到”。 记得我小时候看《十万个为什么》，里面讲钟乳石会逐渐长大，我也充满着幻想，以为钟乳石有灵魂有生命，但仔细阅读了那篇文章后，才恍然大悟：原来钟乳石长大是因为不断地累计碳酸钙的原因，而不是它具有灵魂。如果说钟乳石有生命，那么这生命是大自然赋予的。同理，如果说电器有生命，它也是人类制造者们赋予的。 作为电器的使用者，我们只要确保电器工作在正常条件环境中，确保电器不会超负荷，则电器的生命周期就得到有效的延续。可见，事在人为，对电器来说，也是如此。 回答完毕。 阅读原文
