如今的PC中常见的CPU散热器，无论是主流级还是高端产品，几乎都采用了这样的结构：与CPU/GPU表面接触的结构采用铜材质，也就是我们常说的铜制底座，而热管鳍片或者是水冷排鳍片则采用铝材质。所谓的“铜铝结合”说的就是这样的结构，而采用铜材质鳍片或者铜材质水冷排的散热器，也就是我们俗称的“纯铜散热器”在PC领域几乎可以说是昙花一现，只在早些年头曾经露面。
那为什么“铜铝结合”能成为PC散热的主流设计呢？如果你到网上去搜索的话，得到最多的说法应该就是“铜铝结合在综合多方面因素之后拥有最佳的平衡”，大家可以简单理解为考虑到体积、重量、工艺、成本、散热效能等多方面后的综合之选，甚至还有说法认为，铝的散热效能其实比铜更好，铜只是传热更快，因此铜铝结合是将两者的优点结合在一起，散热效能比纯铜结构会更高。这些说法看上去都很有道理，但真相就是这样吗？
散热鳍片的材质对散热量并没有影响
其实热力学中的牛顿冷却公式Q=hAΔT已经给出了答案，牛顿冷却公式多用于对流换热的计算，而CPU散热的从本质上来说就是让CPU的热量通过散热器传递到空气中，散热器本身并不会产生热量，也不能消灭热量，也就是说散热器所需要承担的“散热量”就是CPU的“发热量”，或者称之为总热流量。我们超能课堂文章《超能课堂(302)：热是什么？（下）》中已经给大家讲解过，用于驱动CPU工作的能量，最终基本上都会转变为热量，因此只要CPU功耗不变，总热流量就不会改变，而总热流量就是牛顿冷却公式中的Q；公式中的A则是散热器与空气的接触面积，只要散热器结构和尺寸不变，换热面积就不会改变，与散热器的材质是没有任何关系的；h则是流体的换热系数，只要对流方式和气体种类不变，这基本上也是一个定值。
因此对于对流换热来说，如果热量不变、空气参数不变、散热器结构设计不变，那么其ΔT也应该是不变的。而ΔT则是空气与散热鳍片上的温差，空气温度不变，就意味着鳍片温度就不变，与鳍片材质同样没有任何关系。换而言之，散热器采用何种材质，对于总热流量也就是散热量是没有影响，散热器上的温度也不会改变。
然而在实际使用中，相同尺寸、相同结构但材质不同的散热器确实对CPU的工作温度尤其是满载温度有明显的影响，这似乎与牛顿冷却公式展现出来的结果相矛盾。其实这里面是很多同学都陷入的一个误解，那就把温度控制与散热混为一谈了。那为什么说温度控制与散热并不是一回事呢？这就要从“CPU为什么需要散热器”说起了。
PC上的CPU为什么需要散热器？其实这个同样可以用牛顿冷却公式Q=hAΔT来解释。倘若CPU直接让核心与空气进行对流换热，那么以核心面积以及对于ΔT的限制（CPU工作温度上限），我们是可以快速计算CPU散热需求的，相当于传热速率或者说总热流量的上限。倘若此时的CPU发热量不超过这个上限，那自然是不需要加装额外的散热器，直接与空气对流散热即可；但如果CPU实际功耗会高于上限，那么为了提升总热流量，基本上就是只有两条道路，要么是提升自身的温度换取更高的ΔT，要么就是增大自身的换热面积A，两种方法都可以让总热流量Q上升至符合CPU实际功耗的水平。
如今CPU的顶盖其实就是一个小规模的散热器
我们不妨举例说明，与核心面积为200mm2的CPU，当其功耗为200W时，使用温度为25℃，对流换热系数为200W/m2·K的空气进行直接散热，那么其工作温度会是多少呢？我们把相应的数值套入牛顿冷却公式，可以得出其工作温度。然而以这个条件进行计算的话，我们会发现其工作温度将达到5000℃的水平，没有CPU可以承受这样的工作温度。
然而当我们为其加装散热器，使其与空气的接触面积达到等效50000mm2的时候，经计算CPU的工作温度在理想状态下只有45℃，这个温度显然合理得多，这就是为什么现在PC平台上的CPU都需要加装散热器的原因。
不过到这里为止，我们仍然未能解释，问什么不同材质的散热器会给CPU带去不同工作温度。实际上在上一个环节中，我们只是理想化地把CPU与散热器进行了一体化的计算。算出来的45℃其实只是散热器与空气接触面的温度，并不是真正意义上的CPU核心温度。实际上CPU的整个散热过程，是核心热量经过散热器再传导至空气的过程，这里面其实有两个散热系统，一个是散热器与CPU组成，另一个则是散热器与空气组成，后者可以直接使用牛顿冷却公式进行快速计算，而前者则需要使用到热传导、热扩散等方面的公式子进行计算，这里涉及到了热力学与传热学的基础，也涉及到了散热器的材质问题。
传热学是一门建立在实验基础上的科学，在经过大量的实验后发现，如果物体是一个规则的形状，例如圆柱形，那么物体的传热速率大小与两端温度差ΔT=T1-T2成正比，与物体截面积A呈正比，与物体长度L成反比，而且不同材质的物体都会遵循上述规则，因此我们可以为不同材质的物体引入一个系数λ，从而得出Qx=λAΔT/L的公式，而这个系数λ就是在散热领域中经常提到的导热系数。
因此如果我们将CPU散热器视为一个规则的物体，其与CPU的接触面温度为T1，与空气接触面的温度为T2，那么我们不难看出，当Qx总热流量、A截面积、L长度、T2温度都维持不变的时候，如果λ导热系数越高，那么ΔT就会越低，T1温度也会越低，反之则越高。铜的导热系数为401W/(m·Λ)，而铝的导热系数为238W/(m·Λ)，前者是后者的1.7倍，相应地温差在数值上也就相差了1.7℃，铜材质散热器上，CPU与散热器接触面的温度更低。同理我们也可以通过这个数值进一步推算出CPU的核心温度，同样可以发现当我们使用铜材质散热器时，CPU的核心温度会更低，只是在数值上相比使用铝材质是同样没有太大的差异。
当然这也使一个理论化的计算，而且就算如此，想要直接计算出CPU的工作温度并对比铜铝材质的散热器在整个散热系统中的影响，也不是一件方便的事情。因此我们不妨将传热速率的公式进行改写，Qx=ΔT/(L/λA)=(T1-T2)/R。此时我们将其与电路中的欧姆定律作对比，欧姆定律I=(U1-U2)/Re，是不是发现两者竟如此相似呢？
其实热扩散的过程与电荷扩散的过程是相似的，它们都是在势差的作用下发生的，而在扩散的过程在则会受到阻力，如果说电荷扩散的阻力就是电阻，那么热扩散的阻力自然就是热阻了。按照我们此前改写的传热速率的方式，我们可以快速得出，在传导、对流、辐射中的热阻，分别是以下三个公式。
R传导 = L / (λ·A)
R对流 = 1 /（h·A）
R辐射 = 1 / (hr·A)
而有了热阻的概念后，我们对于传热速率的分析和计算就简便多了，可以将传热过程转变为简单的串并联电路结构，而这个结构一般称之热路或者是热网络，例如CPU的散热过程就简单地可以理解成一个类似与串联电路的热路。
当然正如我们此前讲到，我们这里分析的更多地是一种理想化的模型，现实中的CPU的热量不仅仅会通过散热器传导至空气中，同时还会通过CPU基板、底座、主板PCB等多种路径进入到空气中，此外整个散热系统中还存在硅脂等其它散热介质，所以CPU散热的热路实际上是要更复杂一些的，应该是一个串联与并联共存的电路。而我们这里是为了便于理解而做了理想化的模型，有兴趣的同学可以自行作进一步的学习与了解。
通过上述的热路我们可以看到，CPU的热量源自与核心，经由顶盖传导至散热器，然后散热器与空气进行对流换热。如果说不考虑核心内部热阻以及核心与顶盖、顶盖与散热器之间的接触热阻，那么整个热路中的热阻就是由顶盖、散热器以及空气三者的热阻组成，从而得出下方这个式子。
Qx = (T1-T2) / (R顶盖 + R散热器 + R空气）
在这个式子中，顶盖与散热器的热阻可以使用传导传热的热阻计算公式，而空气则使用对流换热的热阻计算公式，T1为CPU温度，T2空气的温度，因此倘若我们只更换散热器的材质，例如从铝制散热器更换为铜制散热器，而不改变其尺寸结构，也就是体积不变，那么散热器所用材质的导热系数越高，那么其表现出来的热阻就会越低。由于顶盖与空气的热阻也是不变的，因此CPU核心温度可以按照下述公式计算得出：
T1 = T2 + Qx · (R顶盖 + R散热器 + R空气）
因此散热器的热阻越高，CPU的工作温度会处于更高的状态，这样其与空气之间才有足够的温差去弥补更高热阻带来的影响。因此我们对散热器进行测试的时候，本质上是测定其热阻的高低，而为了准确地展现出热阻，我们就需要控制测试环境当中的变量，尤其重要的是Qx总热流量不能改变。这就是我们认为，在使用实际平台进行散热测试时，只有锁定CPU功耗并保证室温相同的情况下，CPU的满载工作温度才能作为不同散热器性能，严格来说来是温度控制性能对比依据的原因，也是我们在改用固定功率的发热平台测试散热器，并依据温差来评价散热器的原因。
根据上述的讨论，我们不难得出如下结论，那就是在CPU温度可变且总热流量不变的情况下，只要散热器结构、尺寸以及空气温度、对流方式也不发生改变，那么散热器的“散热效能”其实并不会随着材质的变化而变化，但是控制CPU温度的能力则确实是与材质有莫大关系的，也就是说铜材质的散热器在CPU温度的表现上都不会比同样条件下的铝材质更差，所谓的“铝材质更有利于散热”只是一种不严谨、不正确的说法。
现在已经几乎看不到纯铜散热器的踪影
那么为什么现在的散热器几乎都不会采用纯铜材质了呢？首先从之前的计算我们可以看到，其实铜散热器与铝散热器在实际使用中带来的CPU温度差距并不是很大，基本上只有追求极致散热效果的才需要使用纯铜结构，大部分情况下同样结构的铝制散热器同样可以满足需求。其次就是两种材质的散热器，在实际使用中，从开始工作到进入温度稳定的时间是相差无几的。在传热学中，当整个系统的温度稳定下来不在改变时，一般来说是称之为稳态传热，相当于是我们常说的“散热效率最大化”，因此对于散热系统来说，越快进入到稳态传热，对于散热是越有利的。
然而导热系数表示的只是材质传递热量的能力，而温度则与材质的热容有关系，然而热容则与材质的比热容以及质量有关系。然而在散热系统中，散热器更多地是同体积比较而不是同重量比较，因此在这里我们可以引入一个系数，称之为导温系数，又叫做热扩散系数。如果说导热系数展示的不同材质传递热量的能力，那导温系数展示的就是不同材质传递温度的能力。
导温系数的公式为α=λ/ρc，其中λ就是导热系数，ρ是密度，c是比热容，ρc的乘积代表着单位体积的物体温度升高1℃所需的热量。这些参数其实都是已知的数值，因此我们可以计算出铜和铝的导温系数，前者为115mm2/s，后者则为100mm2/s，也就是说同样结构的情况情况下，铜材质散热器达到温度稳定的速度只是比铝材质的快15%左右，而前者导热系数是后者的1.7倍，也就是说铜材质的散热器在进入最佳散热效率的时间上，其实并没有比铝材质的领先多少，以目前常见的CPU散热器而言，满打满算也就是1分钟左右的差距，在实际使用中算是可以忽略的。
其实这次我们更多地只是讨论热力学与传热学中的稳态导热，实际上PC的散热会是一个更为复杂的过程，实际计算中需要考虑更多的参数，例如我们此次讨论中的散热器，是按照理想化的模型设计的，而实际设计的散热器结构上会更为复杂，当中热阻的组成也是有更多项目的，就连空气的对流换热系数，实际上也不是一个固定值，而是在不同的位置上要做相应计算处理的，这里面涉及的知识面相当广，并不是我们一篇超能课堂可以完全说明的事情，我们也只能作理想话的讲解。
散热器的实际结构远比理论推算中的更为复杂
回归到CPU散热器到底用铜材质还是用铝材质更好的问题上，其实很多时候同学会下意识地认为，CPU满载时温度更高，发热量就会更大。其实不然，事实上只要CPU的功耗不变，那么当其温度稳定之后，其“发热量”或者说总热流量实际上是基本一致的。如果以电路的方式进行解释的话，那就是CPU及其散热系统的整个组成，其实就相当于是“变压恒流电路”，电流就相当于是总热流量，CPU与室温的温度差则相当于电压或者说电势差，热阻自然就是电路中的电阻了。当热阻增大时，由于热量不变，那温差自然就需要增加，也就是说如果这个时候室温不降低的话，那就只能是芯片的温度上升了。
而想要降低芯片的温度，那在不改变芯片发热量、不改变室温的前提下，就只能够是降低散热系统的热阻了。如果在这个前提下再加入限制，例如不改变散热器的尺寸和结构，那就只能换用导热系数更高的材质，例如从铝材质换成铜材质。这样整套系统的发热量与散热量不变，但芯片的温度确实可以降下来。因此“铝比铜散热更好”的说法在严格意义上来说是不正确的，散热器用铜还是用铝，甚至是用其它材质，更多地只是影响热源的温度，对于“散热量”来说是没有改变的。当然如果你只是看CPU的温度是不是足够低，那么在散热器尺寸和结构相同的情况下，铜材质相比铝材质，确实可以让芯片的温度保持在更低的状态。
那为什么如今PC上的多数散热器都会采用“铜铝结合”的方式，而不是温度控制更为理想的纯铜结构呢？根据热扩散系数的公式，我们也可以得知铝材质相比铜材质在热扩散速率方面相差并不大，也就是说两者进入到温度平衡状态的时间相差不大。因此纯铜材质的散热器确实在CPU温度上有更好看的表现，但是成本综合考量包括成本、重量、加工难度等多个因素之后，其相比铝材质散热器就有点投入与收益不成正比的意思了。
而纯铝散热器则确实在温度表现上不占优势，因此在综合多方面的因素之后，在散热器中占体积大头，主要用于扩展散热面积的鳍片使用铝材质，与热源直接接触的结构，如底座、热管等使用铜材质，这样的结构就形成了一个最佳平衡点，也就逐步演化为当今主流乃至高端散热器的基本结构了。
WooderCAT教授 2022-09-16 01:50 | 加入黑名单
因为苹果没办法给你解释这么复杂的东西.你甚至都不能理解文章里面的公式是什么意思.又能做哪些推导.但是只要它们用了铜的.你就会觉得好牛逼.就会甘心掏钱.何乐不为呢？苹果是科技公司.又不是科教公司.
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WooderCAT教授 2022-09-23 03:06 | 加入黑名单
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EUNIU学前班 2022-09-19 22:32 | 加入黑名单
盲从不可取。这篇文章本就是深入科普铜和铝的区别，谁问苹果采用什么散热器了..虽然不知道为什么这么多人举报你，但我觉得你这“不需要实验”的观点和后面的说法，都透露着一种.........
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ssd444博士 2022-09-19 21:28 | 加入黑名单
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ephraim2008等待验证会员 2022-09-19 19:56 | 加入黑名单
编辑是真的敬业。。。在电路和电气的知识之外，继流体力学泵与风机后又自学工程热力学和传热学了。加起来都快自学几个本科学位了。。。
不过散热的话，想要数值计算所谓的纯铜和铝翅片倒是还有几门课程可以学2333
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小四叶草儿小学生 2022-09-17 13:54 | 加入黑名单
第四部分公式还是没怎么看懂，
已有2次举报推荐一篇参考文：什么是热阻http://www.cnaok.com/articles/smsrz.html
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yjhercules终极杀人王 2022-09-17 13:01 | 加入黑名单
一个显450w 才是0。6匹
你说呢？
已有4次举报一个显450w 才是0。6匹
你说呢？
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我匿名了 2022-09-16 15:04
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luoxda终极杀人王 2022-09-16 15:04 | 加入黑名单
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我匿名了 2022-09-16 14:10
过去在prescott时代因为发热量大，delta就做过了模拟，当时还有一家忘了是酷冷还是谁，在《微型计算机》上投了很专业的稿子。结论是，不考虑造价，比热容更大的做块，比热容更小的做鳍，但限于pro/e追加模块的功能限制，鳍本身多种材料合成没有模拟。而且差距其实并不大，鳍的密度比例，风量温差的包络面积，是同样级别的变量。
已有2次举报同一个时期，日本的alpha公司，已经用实际产品验证了比热容更大的做块，比热容更小的做鳍。当时他们有试作品仿一模一样全铝的和全铜的，后来就在自己量产品上推出了自己工艺的铜铝结合方案：铜是焊接fin和螺纹pin两种。 20年前，我才到日本工作，看着更多是一个较贵的工艺品。 后来就有各种工艺的塞铜、镶铜，直到最近10年都是直接用热管代替铜导体部分。
现在除非用全部最新工艺做模型对比，已经没有跑模拟的必要了，因为有远超当年的功率要求，真正愿意出钱的，也会在另一个散热模式上新劈赛道。
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楚轩大学生 2022-09-16 11:21 | 加入黑名单
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拾人牙慧终极杀人王 2022-09-16 11:03 | 加入黑名单
还有一点，铝制材料的强度要比铜好很多。永远不拆开的品牌机或许可以用铜，DIY用铜就很容易不小心戳坏鳍片，实在是太软了。我现在用的分体水的铜排，感觉还不如以前一体水的铝排用着顺手。
已有4次举报另外就是铝的密度小，相同重量下，可以把横截面积做的更大，鳍片做更多更密。
关键还是铜和铝的导热导电能力差距实在不够大，铝材在别的物理性能方面稍微追回来一点，就是优势了。
最好的一个例子就是国家电网的高架远程输电线路用的主力材料是铝而不是铜，就是考虑到电阻相同的铝线，虽然要做的比铜更粗，但是反而还比铜轻，强度更高，而且便宜。
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bangha博士 2022-09-16 11:02 | 加入黑名单
可恶，又给他水了一期
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我匿名了 2022-09-16 10:37
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airbaiwu教授 2022-09-16 10:31 | 加入黑名单
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itck终极杀人王 2022-09-16 10:24 | 加入黑名单
下一个话题可以考虑深入研究一下散热器上的热管
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zerg_hzc教授 2022-09-16 08:32 | 加入黑名单
不知道有没有纯银散热器
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yjhercules终极杀人王 2022-09-16 08:03 | 加入黑名单
本评论因举报过多被折叠 [+]6#
yochee教授 2022-09-16 01:54 | 加入黑名单
分体水铜铝混用，半年报废，别问我怎么知道的
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QQ23870862终极杀人王 2022-09-15 23:51 | 加入黑名单
谁都知道肯定是铜好了
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ssd444博士 2022-09-15 22:03 | 加入黑名单
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楚轩大学生 2022-09-15 20:36 | 加入黑名单
这个不需要实验 在相同机箱内 苹果mac studio便宜版本是铝制散热器 功耗更高ultra版本是铜制散热器
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