UNIVERSIDAD NACIONAL JOSE FAUSTINO SANCHEZ CARRION
TERMOELECTRICIDAD INTRODUCCIÓN A LA TERMOELECTRICIDAD La termoelectricidad se considera como la rama de la termodinámica superpuesta a la electricidad donde se estudian fenómenos en los que intervienen el calor y la electricidad, el fenómeno mas conocido es el de electricidad generada por la aplicación de calor en la unión de dos materiales diferentes. Si se unen por ambos extremos dos alambres de distinto material (este circuito se denomina termopar), y una de las uniones se mantiene a una temperatura superior a la otra, surge una diferencia de tensión que hace fluir una corriente eléctrica entre las uniones caliente y fría. Este fenómeno fue observado por primera vez en 1822 por el físico alemán Thomas Seebeck, y se conoce como efecto Seebeck. Para una pareja de materiales determinada, la diferencia de tensión es directamente proporcional a la diferencia de temperaturas. Esta relación puede emplearse para la medida precisa de temperaturas mediante un termopar en el que una de las uniones se mantiene a una temperatura de referencia conocida (por ejemplo, un baño de hielo) y la otra se coloca en el lugar cuya temperatura quiere medirse. A temperaturas moderadas (hasta unos 260 °C) suelen emplearse combinaciones de hierro y cobre, hierro y constatan (una aleación de cobre y níquel), y cobre y constatan. A temperaturas mayores (hasta unos 1.650 °C) se utiliza platino y una aleación de platino y rodio. Como los alambres de los termopares pueden tener dimensiones muy pequeñas, también permiten medir con precisión las temperaturas locales en un punto. La corriente generada puede aumentarse empleando semiconductores en lugar de metales, y puede alcanzarse una potencia de unos pocos vatios con eficiencias de hasta el 6%. Cuando se hace pasar una corriente por un circuito compuesto de materiales distintos cuyas uniones están a la misma temperatura, se produce el efecto inverso. En este caso, se absorbe calor en una unión y se desprende en la otra. Este fenómeno se conoce como efecto Peltier, en honor al físico francés Jean Peltier quién lo descubrió en 1834. Es posible usar sistemas de
Fisicoquímica II
Página 1
UNIVERSIDAD NACIONAL JOSE FAUSTINO SANCHEZ CARRION
semiconductores basados en el efecto Peltier como refrigeradores para aplicaciones especiales. La primera teoría que engloba los efectos Seebeck y Peltier, sin embargo, fue dada por Lord Kelvin, de nombre William Thomson, a mediados del siglo XIX. En 1822 Seebeck observó que, si un circuito cerrado se hiciera de dos metales distintos, una corriente eléctrica fluye en el circuito cuando las dos uniones se mantienen a temperaturas diferentes. Sus investigaciones cubrieron una gama amplia de elementos y compuestos. Esto produjo que se publicara de una serie de resultados, en la que los materiales investigados se colocaron en el orden de magnitud del efecto. Sin embargo, no comprendió la importancia de su descubrimiento. Peltier no comprendió la importancia de su descubrimiento; y, es más, no reconoció el enlace entre su descubrimiento y el de Seebeck, se cita que Lenz acabó toda la conjetura que rodea estos descubrimientos, enfriando una cantidad pequeña de agua puesta cerca de la unión entre barra de bismuto y una barra de antimonio a través de las que fue pasada una corriente directa. Estas dos barras eran de de los materiales en los que Seebeck había observado el efecto más pronunciado. Un tercer experimento fue realizado por Thomson (Kelvin) en 1851. Relacionó el calor absorbido en un solo conductor, la caída de temperatura a lo largo de él y la corriente que fluye a través de él. Durante muchos años, la aplicación práctica de estos efectos termoeléctricos se restringió casi exclusivamente al acoplamiento térmico para la medida de temperatura, porque los metales exhiben un efecto Seebeck comparativamente pequeño. Sin embargo, el efecto Seebeck efectuado en semiconductores puede ser considerablemente mayor. El descubrimiento del transistor y otros dispositivos semiconductores, ha estimulado a la investigación que pertenece en general a las propiedades de semiconductores; de esto, se han desarrollado materiales en que los efectos termoeléctricos son de magnitud suficiente para que la fabricación de dispositivos útiles se haya vuelto una realidad.
Fisicoquímica II
Página 2
UNIVERSIDAD NACIONAL JOSE FAUSTINO SANCHEZ CARRION
JEAN PELTIER
Jean Charles Athanase Peltier nacio en 1785 en Ham,Francia. Ejerció
la
profesión
de
relojero
pero
abandono su oficio cuando tenia treinta años para dedicarse plenamente a la investigación científica en el campo de la electricidad. En 1834 descubrió que cuando circula una corriente
eléctrica
por
un
conductor
formado por dos metales distintos unidos por una soldadura esta se calienta o se enfría, según el sentido de la corriente. Dicho efecto tiene una gran importancia en el desarrollo de mecanismos de refrigeración no contaminantes como se podrá ver mas adelante. Murió en Paris en 1845.
Fisicoquímica II
Página 3
UNIVERSIDAD NACIONAL JOSE FAUSTINO SANCHEZ CARRION
EFECTO PELTIER
El efecto peltier consiste en lo siguiente: Cuando se hace pasar una corriente por un circuito compuesto de materiales diferentes cuyas uniones están a la misma temperatura, se produce el efecto inverso al Seebeck. En este caso, se absorbe calor en una unión y se desprende en la otra. La parte que se enfría suele estar cerca de los 25º C, mientras que la parte que absorbe calor puede alcanzar rápidamente los 80º C. Lo que lO hace aún más interesantes es el hecho de que, al invertir la polaridad de alimentación, se invierta también su funcionamiento; es decir: la superficie que antes generaba frío empieza a generar calor, y la que generaba calor empieza a generar frío. Gracias a los inmensos avances en el campo de semiconductores, hoy en día, se construyen sólidamente y en tamaño de una moneda. Los semiconductores están fabricados con Teluro y Bismuto para ser tipo P o N (buenos conductores de electricidad y malos del calor) y así facilitar el trasvase de calor del lado frío al caliente por el efecto de una corriente continua Como todo en esta vida, las unidades peltier también tienen algunos inconvenientes ha tener en cuenta. Como pueden ser el alto consumo eléctrico, o que dependiendo de la temperatura y la humedad puede producirse condensación y en determinadas condiciones incluso puede formarse hielo.
Fisicoquímica II
Página 4
UNIVERSIDAD NACIONAL JOSE FAUSTINO SANCHEZ CARRION
PORQUE SUCEDE EL EFECTO PELTIER
Cuando dos metales distintos se ponen en contacto (soldadura) aparece una diferencia de potencial (V) debida a que los electrones libres de uno de los metales tienen más energía que los del otro. Cuando se hace pasar una corriente eléctrica por la soldadura si la dirección de la corriente es contraria a la de los electrones tiene que ganar energía y lo extraen de los metales enfriando la soldadura. Mientras que si es a favor los electrones pierden energía cediéndola a la soldadura que se calienta. La cantidad de calor producida por estos fenómenos (Efecto Peltier) vienen dadas por Q = 0.24·V·i·t donde V es la ddp de contacto. El efecto Peltier es reversible y es lo que da lugar al efecto termoeléctrico (Seebek). Es decir cuando dos metales se sueldan formando un anillo (dos soldaduras) se puede producir una corriente eléctrica en el anillo si las dos soldaduras están a distinta temperatura.
Fisicoquímica II
Página 5
UNIVERSIDAD NACIONAL JOSE FAUSTINO SANCHEZ CARRION
COMO SE APROVECHA ESTE FENÓMENO La utilización común en los últimos año fueron las termo coplees. Recordamos que al calentarse producen una tensión que va en aumento al aumentar la temperatura. La pequeña tensión generada es amplificada y permite desviar una aguja en un micro amperímetro que indica temperatura versus la tensión recibida. El segundo fenómeno utilizable es el que ocurre cuando aplicamos una tensión en los extremos de los alambres soldados. De igual manera este fenómeno se aprovecha con mas auge a través de las llamadas células Peltier: Alimentando una de estas células PELTIER, se establece una diferencia de temperatura entre las dos caras de la célula PELTIER, esta diferencia depende de la temperatura ambiente donde este situada la célula PELTIER, y del cuerpo que queramos enfriar o calentar. Su uso mas bien es para enfriar, ya que para calentar existen las resistencias eléctricas, que son mucho mas eficientes en este co- metido que las células peltier, estas son mucho mas eficaces refrigerando, ya que su reducido tamaño, las hace ideales para sustituir costosos y voluminosos equipos de refrigeración asistida por gas o agua.
Fisicoquímica II
Página 6
UNIVERSIDAD NACIONAL JOSE FAUSTINO SANCHEZ CARRION
FUNDAMENTOS DEL EFECTO PELTIER Existe un campo eléctrico en la juntura entre dos materiales distintos. Cuando una fuente externa induce un flujo electrónico en el sentido del campo eléctrico, los electrones deben transformar energía cinética en energía potencial. Un movimiento más lento de los electrones, puede visualizarse como en una disminución de la temperatura. Si por el contrario, los electrones se mueven en sentido contrario, su velocidad aumenta por efecto del campo eléctrico extra. Este aumento de la velocidad electrónica puede verse nuevamente como un aumento de la temperatura. La potencia calorífica intercambiada en la unión entre A y B es:
donde piAB es el llamado coeficiente Peltier, que se define como el calor intercambiado en la unión por unidad de tiempo y de corriente que circula a través de la misma:
J: flujo de corriente eléctrica S: superficie T: temperatura absoluta (K) alphaA , alphaB : coeficiente Seebeck de los materiales A y B
Fisicoquímica II
Página 7
UNIVERSIDAD NACIONAL JOSE FAUSTINO SANCHEZ CARRION
EL EFECTO SEEBECK APLICADO A EL ESTUDIO DE PELTIER
EFECTO SEEBECK
Circuito que muestra el efecto Seebeck. El efecto Seebeck es una propiedad termoeléctrica descubierta en 1821 por el físico alemán Thomas Johann Seebeck inversa al efecto Peltier. Este efecto provoca la conversión de una diferencia de temperatura en electricidad. Se crea una diferencia de potencial en presencia de una diferencia detemperatura entre dos metales o semiconductores diferentes. Una diferencia de temperaturas T1 y T2 en las juntas entre los metales A y B induce una diferencia de potencial V. Cabe reseñar que fue el primer efecto termoeléctrico descubierto: el efecto Seebeck lo descubriría Jean Peltier en 1834, y William Thomson -Lord Kelvin- haría lo propio con el efecto Thomson en 1851.
Fisicoquímica II
Página 8