Sessió 7 · 1r Trimestre 60 Minuts Física & Maquinari Real

❄️ Refrigeració, Ventiladors i Dissipació Tèrmica: Evitant que el Processador es Fongui

Per què el ventilador d'un ordinador o portàtil bufa com una turbina d'avió quan jugues o renderitzes? Com mesurem la velocitat de les aspes en Hertzs ($\text{Hz}$) a partir de les $\text{RPM}$? Comprovem com funcionen el flux d'aire, la pasta tèrmica i els dissipadors de coure i líquida amb un banc de proves interactiu en temps real i un repte professional de diagnòstic de taller.

👤 Identificació d'Aula:
📡 Telemetria d'Aula: A l'espera de selecció

🌡️ 01 · La Ciència de la Calor al Xip: Calor vs Temperatura

10 minuts

A l'interior d'un microprocessador modern hi ha milers de milions de transistors de silici de només $3\text{ nm}$ commmutant milions de vegades cada segon. Pel pas del corrent elèctric (efecte Joule), una gran part de l'energia elèctrica es converteix directament en energia tèrmica (calor).

💡 Distinció Clau per al Tècnic d'Ofici:

  • Calor ($Q$): És la quantitat d'energia tèrmica que el processador genera (es mesura en Joules o en Watts continus de potència tèrmica, conegut com a TDP). Un PC d'oficina genera uns $45\text{ W}$, mentre que un PC de gaming o IA pot superar els $200\text{ W}$ de calor.
  • Temperatura ($T$): És el grau d'escalfament que assoleix el silici (es mesura en graus Celsius, $^\circ\text{C}$).
  • Thermal Throttling ($95^\circ\text{C}$): Si la calor generada no s'extreu prou ràpid, la temperatura puja per sobre de $90\text{--}95^\circ\text{C}$. Per no cremar-se físicament, el xip baixa a la meitat la seva velocitat de cop. El joc dona estrebades greus i els programes es bloquegen!

Com traiem la calor fora de la caixa? Els 3 sistemes:

Bàsic
1. Dissipador de Sèrie

Bloc d'alumini massís amb un ventilador senzill a sobre. Econòmic i compacte.

  • Apte per a: Ofimàtica bàsica (fins a $65\text{ W}$).
  • Conductivitat: Moderada (alumini).
  • Risc: Throttling ràpid si s'exigeix gaming.
Recomanat Taller
2. Torre de Coure & Heatpipes

Tubs de coure al buit amb líquid que s'evapora a la base i es condensa a les aletes d'alumini.

  • Apte per a: Equips de rendiment (fins a $180\text{ W}$).
  • Conductivitat: Molt alta (el coure condueix el doble que l'alumini).
  • Econòmic i fiable: Mai no té fuites de líquid.
Alt Rendiment
3. Refrigeració Líquida (AIO)

Bomba d'aigua sobre el xip que fa circular líquid refrigerant cap a un radiador exterior amb 2 o 3 ventiladors.

  • Apte per a: Servidors d'IA i Gaming extrem ($>220\text{ W}$).
  • Avantatge: Expulsa la calor directament fora de la caixa.
  • Cost: Elevat i requereix manteniment de bomba.
⚠️ La Pasta Tèrmica és Sagrada: L'aire és un aïllant tèrmic pèssim ($0,026\text{ W/m}\cdot\text{K}$). Encara que el metall del xip i el dissipador semblin totalment llisos, al microscopi tenen rugositats. La pasta tèrmica omple aquests forats microscòpics. Sense pasta, la CPU s'apaga per sobreescalfament en només 15 segons!

⚙️ 02 · Banc de Proves Tèrmic Virtual (Simulador de Caixa i Ventiladors)

15 minuts

Posa a prova la teva habilitat com a tècnic/a de maquinari. Ajusta la velocitat del ventilador ($\text{RPM}$), canvia el dissipador i activa càrregues extremes de feina per veure la resposta tèrmica i acústica de l'equip.

🖥️ INTERIOR DE LA CAIXA (DIAGRÀMIC)
CPU XIP AIRE FRED AIRE CALENT
Temperatura del Nucli (CPU)
48 ºC
ÒPTIMA · RENDIMENT 100%
🌪️ Velocitat del Ventilador: 1.500 RPM
600 RPM (Silenciós) 1.800 RPM 3.000 RPM (Turbina)
⚡ Càrrega de Feina del Processador: 100 W
🧊 Mètode de Dissipació:
🧴 Estat de la Pasta Tèrmica:
25 Hz
Freqüència (Hz)
34 dB
Soroll Acústic
+26 ºC
Salt Tèrmic (ΔT)

📐 03 · Fórmules d'Ofici: De les RPM als Hertzs i el Cabal d'Aire

15 minuts

Un tècnic d'informàtica no només mira els números a la pantalla: ha d'entendre exactament què signifiquen les unitats físiques per triar components compatibles.

1. De RPM a Voltes per Segon (Hertzs)

$\text{RPM}$ vol dir Revolucions Per Minut. Com que $1\text{ minut} = 60\text{ segons}$, dividim entre 60 per saber quantes voltes fa el ventilador en un sol segon:

f\text{ (Hz)} = \frac{\text{RPM}}{60}

Exemple: Si un ventilador gira a $2.400\text{ RPM}$, fa $\frac{2400}{60} = \mathbf{40\text{ voltes cada segon (Hz)}}$.

2. Salt Tèrmic ($\Delta T$)

És la diferència entre la temperatura a la qual s'escalfa la CPU i la temperatura de l'habitació o taller:

\Delta T = T_{\text{CPU}} - T_{\text{ambient}}

Exemple: Si a l'aula A004 estem a $20^\circ\text{C}$ i la CPU està a $65^\circ\text{C}$, el salt tèrmic és $65 - 20 = \mathbf{45^\circ\text{C}}$.

🧮 Calculadora Ràpida de Suport per a l'Alumne




🛠️ 04 · Repte de Taller: «L'Ordinador que s'Apaga Sol»

15 minuts · Ordre de Treball Oficial
📋 CAS REAL DE TALLER: L'Ariadna, clienta de Puigcerdà, porta un ordinador de gaming amb processador d'alt consum ($160\text{ W}$). Ens explica: «Quan porto 10 minuts jugant, els ventiladors sonen com si anessin a explotar i l'ordinador es reinicia o s'apaga tot sol!». Resoleu les 4 fases de diagnòstic al quadern i valideu-les a la consola per desbloquejar el Certificat Oficial d'Homologació.
🔍 FASE 1: Diagnòstic del Salt Tèrmic ($\Delta T$)
Pendent

L'ordinador està a l'aula A004 a una temperatura ambient de $T_{\text{ambient}} = 22^\circ\text{C}$. Quan entra en càrrega, la CPU assoleix $98^\circ\text{C}$ abans de disparar la protecció d'apagada tèrmica. Quin és el salt tèrmic $\Delta T$ que està patint?

🌪️ FASE 2: Comprovació de Velocitat del Ventilador (Hz)
Bloquejada

Obrim la caixa i veiem que el ventilador està ple de borrissol i pols compactada. El sensor marca que només gira a $900\text{ RPM}$ en comptes de les $2.100\text{ RPM}$ de fàbrica. Quantes voltes per segon (Hertzs) està fent aquest ventilador obturat? ($f = \frac{\text{RPM}}{60}$).

💶 FASE 3: Pressupost de Peces i Límit del Client
Bloquejada

La clienta té un topall màxim de $85\text{ €}$ per a la reparació. Necessitem: un nou dissipador de torre de coure ($38\text{ €}$), un tub de pasta tèrmica d'alta conductivitat ($7\text{ €}$) i un ventilador de caixa de $120\text{ mm}$ ($12\text{ €}$). Quant costa el material total i quants diners queden per a la mà d'obra de neteja del taller?

✅ FASE 4: Test Final d'Estrès i Temperatura Segura
Bloquejada

Muntem les peces noves i apliquem la pasta tèrmica. Ara, amb el nou dissipador de coure, el salt tèrmic màxim mesurat a plena càrrega ha baixat a $\Delta T = 41^\circ\text{C}$. A quina temperatura final ($T_{\text{CPU}} = T_{\text{ambient}} + \Delta T$) funcionarà el processador a l'aula a $22^\circ\text{C}$?

Certificat Oficial d'Homologació Tècnica
Grau Bàsic · Ciències Aplicades II · Taller d'Informàtica A004 · INS Pere Borrell

S'acredita que l'equip tècnic integrat per:

ALUMNE/A DE 2n FP BÀSICA

Ha superat amb èxit el diagnòstic de fallada tèrmica, el càlcul de velocitats de ventiladors en Hertzs, el balanç de pressupost de peces i el test d'estrès final garantint una temperatura de funcionament segura ($63^\circ\text{C}$).

🔒 Solucions Detallades i Guia Docent per a l'Avaluació (Rubén Pineda)

Solucions Matemàtiques del Repte de Taller:

  • Fase 1 (Salt Tèrmic): $\Delta T = 98^\circ\text{C} - 22^\circ\text{C} = \mathbf{76^\circ\text{C}}$. (Mostra clarament la situació crítica de sobreescalfament per sobre del llindar de $95^\circ\text{C}$).
  • Fase 2 (Velocitat en Hertzs): $f = \frac{900\text{ RPM}}{60\text{ s}} = \mathbf{15\text{ Hz}}$ (15 voltes per segon). Comparativa: netejat de pols giraria a $\frac{2100}{60} = 35\text{ Hz}$, més del doble de cabal d'aire!
  • Fase 3 (Pressupost):
    • Peces = $38\text{ €} + 7\text{ €} + 12\text{ €} = \mathbf{57\text{ €}}$.
    • Diners mà d'obra = $85\text{ €} - 57\text{ €} = \mathbf{28\text{ €}}$ restants.
  • Fase 4 (Temperatura Final): $T_{\text{CPU}} = 22^\circ\text{C} + 41^\circ\text{C} = \mathbf{63^\circ\text{C}}$. És una temperatura excel·lent de treball continu sota càrrega pesada, lluny dels $95^\circ\text{C}$ de perill.

Criteris d'Avaluació i Resultats d'Aprenentatge (RAs):

  • RA1 / RA6: Comprensió del fenomen físic de la calor i transmissió tèrmica aplicat directament a ordinadors.
  • RA2: Resolució de problemes de taller mitjançant càlcul aritmètic i conversió d'unitats ($\text{RPM} \to \text{Hz}$, balanç de costos).
  • Telemetria Docent: Premeu Alt + D o feu clic a la icona inferior dreta per inspeccionar les interaccions, intents i temps d'aquest ordinador en temps real.