Termoelectricitat
Es denominen fenomens termoelèctrics o termoelectricidad a tres fenomens relacionats entre sí per les relaciones de Thomson, descobertes per lord Kelvin:[1] el efecte Seebeck, el efecte Peltier i el efecte Thomson.
Quan dos metals distints a temperatures diferents es posen en contacte formant una unió bimetálica, entre abdós costats de l'unió es genera una força electromotriz. Este fenomen es denomina efecte Seebeck i és la base del funcionament dels termoparellés, un tipo de termómetro usat en el control del fluix de gas en dispositius domèstics com cuines, calefactorés i calfadors d'aigua corrent.
Quan es fa circular una corrent a través d'una unió bimetálica, per a mantindre constant la temperatura de l'unió cal entregar o extraure calor, segons siga el sentit de circulació. Este fenomen, cridat efecte Peltier, té aplicació pràctica en dispositius de refrigeració menuts, tenint la ventaja, a diferència dels refrigeradorés basats en la compressió i descompressió de gasos, de no tindre parts mòvils que es desgasten.
És menys conegut el fenomen denominat efecte Thomson, descobert per William Thomson, lord Kelvin. Quan fluïx una corrent a través d'un conductor homogéneu de secció travessera constant a on s'ha establit un gradient de temperatura, per a mantindre invariable la distribució de temperatura cal entregar o extraure calor del conductor.[2]
Aspectes històrics
[editar | editar còdic]
El primer efecte termoelèctric va ser descobert pel físic alemà Thomas Johann Seebeck en 1821. Seebeck es va donar conte de que una agulla metàlica és desviada quan se li situa entre dos conductors de materials distints units per un dels seus extrems i somesos a una diferència de temperatura (vejau Efecte Seebeck). Este efecte és d'orige elèctric, ya que en unir dos materials distints i sometre'ls a una diferència de temperatura apareix una diferència de potencial. La principal aplicació pràctica de l'efecte Seebeck és la mida de temperatura per mig de termoparellés.[3][4]
Uns anys més tart, en 1834, el físic francés Jean-Charles Peltier va descobrir el segon efecte termoelèctric: en l'unió de dos materials diferents somesos a una corrent elèctrica apareix una diferència de temperatures (vejau Efecte Peltier).
El físic anglés William Thomson (lord Kelvin) demostra en 1851 que els efectes Seebeck i Peltier estan relacionats: un material somés a un gradient de temperatura i recorregut per una corrent elèctrica intercanvia calor en el mig exterior. Recíprocamente, un material somés a un gradient de temperatura i recorregut per un fluix de calor genera una corrent elèctrica. La diferència fonamental entre els efectes Seebeck i Peltier considerats per separat i l'efecte Thomson és l'existència d'este últim en un únic material, sense necessitat de que existixca una unió entre materials distints (vejau Efecte Thomson).
Aplicacions de la termoelectricidad
[editar | editar còdic]Les aplicacions actuals i potencials dels materials termoelèctrics es basen en dos aspectes de l'efecte Thomson:
Per un costat, l'establiment d'un fluix de calor, opost a la difusió tèrmica, quan un material somés a un gradient de temperatura és travessat per una corrent elèctrica, permet pensar en aplicacions de refrigeració termoelèctrica. Esta solució alternativa a la refrigeració clàssica que utilisa cicles de compressió-expansió no necessita de parts mòvils, lo que incrementa la seua fiabilitat i elimina els sorolls i vibracions. Estes propietats són fonamentals en aplicacions en les que la temperatura deu ser regulada de forma molt precisa i fiable, com per eixemple en els contenidors amprats en el transport d'òrguens per a transplants o en aquelles en les que les vibracions són un inconvenient greu, com per eixemple: els sistemes de guia que ampren làser, o els circuits integrats. Ademés, la possibilitat de crear un fluix tèrmic a partir d'una corrent elèctrica de manera directa fa innecessari l'ocupació de gasos com el freón, que resulten perjudicials per a la capa d'ozon.
Per una atra part, la possibilitat de convertir un fluix de calor en corrent elèctrica permet aplicacions de generació elèctrica per mig d'efecte termoelèctric, sobretot a partir de fonts de calor residual com els tubos d'escape dels automòvils, els fumerals dels incineradores, els circuits de refrigeració de les centrals nuclears. L'us d'esta tecnologia supondria en estos casos una millora en el rendiment energètic del sistema complet de manera «neta». La calor residual és aprofitat per a obtindre un major aprofitament de l'energia. Per eixemple: l'ocupació de la termoelectricidad en els automòvils permetria suplir parcialment el treball del alternador, reduint aixina aproximadament en un 10% el consum de combustible.[5]
Ademés, la gran fiabilitat i durabilitat d'estos sistemes (gràcies a l'absència de parts mòvils) ha motivat la seua ocupació en l'alimentació elèctrica de sondes espacials, com ocorre en la sonda espacial Voyager, llançada a l'espai en 1977. En ella el fluix de calor establida entre el material fisible PuO2 (el PuO2 és radiactiu i es desintegra, constituint llavors una font de calor) i l'exterior travessa un sistema de conversió termoelèctrica a pur de SiGe (un termoparell de silici i germani), permetent d'esta manera l'alimentació elèctrica de la sonda (les sondes espacials no poden alimentar-se per mig de panels solars més allà de Mart, ya que el fluix solar és massa dèbil). Vore l'artícul Generador termoelèctric de radioisòtops.
Com es vorà a continuació, els sistemes de conversió que utilisen l'efecte termoelèctric tenen un rendiment molt menut, ya siga generant electricitat o funcionant com refrigeradores. De moment les seues aplicacions estan llimitades a sectors comercials en els que la fiabilitat i la durabilitat són més importants que el preu, com puguen ser productes generats per electrosoldadura com les reixetes electrosoldadas utilisades en sols de plataformes petrolíferes o en indústria. No obstant la termoelectricidad va ser utilisada extensament en les parts alluntades de la Unió Soviètica durant la década de 1920 per a accionar ràdios. L'equip utilisava barres de bimetal, un extrem de les quals s'insertava en el fumeral per a conseguir calor, i l'atre extrem es posava en l'exterior, en el fret.
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ J. F. Nye, Physical properties of crystals, Oxford University Press, 1957, p. 216-218.
- ↑ J. F. Nye (1957). Physical properties of crystals, Oxford University Press, pp. 215-216.
- ↑ G. S. Nolas, J. Sharp and G. H. J., Thermoelectrics, basic principles and new materials developments, Springer 2001.
- ↑ G. D. Mahan, B. C. Sals and J. Sharp, Thermoelectric materials: new approaches to an old problem, Physics Today, Vol. 50 (1997), pp. 42.
- ↑ K. Matsubara, Development of a high efficient thermoelectric Stack for a waste exhaust heat recovery of vehicles, Proc 21st International Conference on Thermoelectrics- Long Beach (CA) USA, 2002, pp. 418.
- Este artícul conté una traducció derivada de «Termoelectricidad» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.