Efectos Termoelectricos 1.docx

FACULTAD DE INGENIERIA MEC-ELM-MTR

EFECTOS TERMOELECTRICOS INFORME UNIVS.: TICONA MAMANI ADRIAN DIEGO CONDORI MAMANI ARIEL BERRIOS TICONA ABEL ESTRADA RAMOS PAOLA URUCHI COSME KAREN CRISTINA DOCENTE: ING. MATERIA: TERMODINAMICA (MEC 315)

ll/2017

1. INTRODUCCION La presente investigación se refiere al tema de los efectos termoeléctricos que se puede definir como el producto de flujo en corriente eléctrica causado por una diferencia de temperatura; que este tiene que ver mucho con el efecto Seebeck. Para analizar este proyecto es necesario de mencionar un poco del trabajo y la vida del Fisico Seebeck que descubrió este fenómeno. El físico germano Thomas Johann Seebeck nació el 9 de abril de 1770 en reval actual Tallin, Estonia, que en aquella época formaba parte de Prusia oriental, este gran físico colaboro en la teoría del color y del efecto de la luz coloreada. En 1806 investigo la fotoluminiscencia que es la emisión de luz por ciertos materiales cuando son excitados por alguna radiación electromagnética. Su hallazgo principal fue el efecto termoeléctrico gracias a u experimento casual. En 1821 construyo un hilo conductor mitad de cobre y mitad de bismuto, Sostuvo con la mano una de las uniones y noto que una aguja magnética próxima se desviaba, o que indicaba que estaba pasando una corriente eléctrica Sebeeck comprobó que la diferencia de temperatura entre ambos conductores genera un flujo de electrones desde el mas caliente al mas frio y en el punto de contacto entre ambos se presenta una diferencia de potencial Seebeck no pudo interpretar esa conversión del calor en electricidad y durante un siglo no tuvo aplicación alguna. Peltier descubrió mas tarde el efecto termoelectrico por el año 1834 donde vio que cuando circula una corriente eléctrica por un conductor formado por dos metales distintos, unidos por una soldadura, esta se calienta o enfria según el sentido de la corriente. Dicho efecto ha revestido gran importancia en el desarrollo reciente de mecanismos de refrigerancion no contaminantes Apartir de lo mencionado veremos un análisis u poco mas profundo sobre lo que hace eh isieron estos Fisiscos 2. OBJETIVO GENERAL - Demostrar los efectos termoeléctricos de Seebeck-Peltier creando corriente eléctrica por una diferencia de temperatura por alambres 3. OBJETIVOS ESPECIFICOS - Apartir de una célula Peltier crear electricidad - Con la electricidad obtenida de un diferencial de temperatura hacer funcionar objetos - Verificar la trasmisión de corriente eléctrica por los cables con el multimetro - Crear una célula Peltier similar a la que se tiene para el experimento - Ver los efectos termoeléctricos. 4. FUNDAMENTO TEORICO ¿ QUE ES UN FENOMENO TERMOELECTRICO?

Se denomina fenómenos termoeléctricos o termoelectricidad a tres fenómenos entre si por las relaciones de Thomson, descubiertas por lord kelvin el efecto Seebeck, el efecto Peltier y el efecto Thomson. Cuando dos metales distintos a temperaturas diferentes se ponen en contacto formando una unión bimetálica, entre ambos lados de la unión se genera una fuerza electromotriz. Este fenómeno se denomina efecto Seebeck y es la base del funcionamiento de los termopares, un tipo de termómetro usado en el control de flujo de gas en dispositivos domesticos como cocinas, calefactores de agua corriente. Cuando se hace circular una corriente por una unión bimetálica para mantener constante la temperatura de la unión hay que entregar o extraer calor, según sea el sentdo de circulación. Este fenómeno, llamado efecto Peltier tiene aplicación practica en dispositivos de refrigeración pequeños, teniendo la ventaja, a diferencia de los refrigeradores basados en la compresión y descompresión de gases, de no tener partes móviles que se desgasten. Es menos conocido el fenómeno denominado efecto thomson, descubierto por willian thomson, Lord Kelvin. Cuando fluye una corriente a través de un conductor homogéneo de seccion transversal constante donde se ha establecido un gradiente de temperatura, para mantener invariable la distribución de temperatura hay que entregar o extraer calor del conductor

El efecto termoeléctrico es la conversión directa de la diferencia de temperatura a voltaje eléctrico y viceversa. Un dispositivo termoeléctrico crea un voltaje cuando hay una diferencia de temperatura a cada lado. Por el contrario cuando se le aplica un voltaje, crea una diferencia de temperatura (conocido como efecto Peltier). A escala atómica (en especial, portadores de carga), un gradiente de temperatura aplicado provoca portadores cargados en el material, si hay electrones o huecos, para difundir desde el lado caliente al lado frío, similar a un gas clásico que se expande cuando se calienta; por consiguiente, la corriente es inducida termalmente. Este efecto se puede usar para generar electricidad, medir temperatura, enfriar objetos, o calentarlos o cocinarlos. Porque la dirección de calentamiento o enfriamiento es determinada por el signo del voltaje aplicado, dispositivos termoeléctricos producen controladores de temperatura muy convenientes. Tradicionalmente, el término efecto termoeléctrico o termoelectricidad abarca tres efectos identificados separadamente, el efecto Seebeck, el efecto Peltier, y el efecto Thomson. En muchos libros de texto, el efecto termoeléctrico puede llamarse efecto Peltier-Seebeck. Esta separación proviene de descubrimientos independientes del físico francés Jean Peltier y del físico estonioalemán Thomas Johann Seebeck. El efecto Joule, el calor generado cuando se aplica un voltaje a través

de un material resistivo, es fenómeno relacionado, aunque no se denomine generalmente un efecto termoeléctrico (y se considera usualmente como un mecanismo de pérdida debido a la no idealidad de los dispositivos termoeléctricos). Los efectos Peltier-Seebeck y Thomson pueden en principio ser termodinámicamente reversibles, mientras que el calentamiento Joule no lo es. EFECTO SEEBECK El efecto Seebeck es la conversión de diferencias de temperatura directamente a electricidad.

Seebeck descubrió que la aguja de una brújula se desviaba cuando se formaba un circuito cerrado de dos metales unidos en dos lugares con una diferencia de temperatura entre las uniones. Esto se debe a que los metales responden diferentemente a la diferencia de temperatura, creando una corriente de circuito, que produce un campo magnético. Seebeck, aun así, en ese momento no reconoció allí una corriente eléctrica implicada, así que llamó al fenómeno el efecto termo magnético, pensando que los dos metales quedaban magnéticamente polarizados por el gradiente de temperatura. El físico Danés Hans Christian Ørsted jugó un papel vital en la explicación y concepción del término “termoelectricidad”. El efecto es que un voltaje, la FEM termoeléctrica, se crea en presencia de una diferencia de temperatura entre dos metales o semiconductores diferentes. Esto ocasiona una corriente continua en los conductores si ellos forman un circuito completo. El voltaje creado es del orden de varios microvoltios por kelvin de diferencia. Una de esas combinaciones, cobre-constantán, tiene un coeficiente Seebeck de 41 microvoltios por kelvin a temperatura ambiente.

(que puede estar en varias configuraciones diferentes y regirse por la misma ecuación), el voltaje obtenido puede ser derivado de: 𝑇2

𝑉 = ∫ (𝑆𝐵 (𝑇) − 𝑆𝐴 (𝑇)) 𝑑𝑇 𝑇1

SA y SB son los coeficientes Seebeck (también llamados potencia termoeléctrica o termo potencia) de los metales A y B en función de la temperatura, y T1 y T2 son las temperaturas de las dos uniones. Los coeficientes Seebeck no son lineales en función de la temperatura, y dependen de la temperatura absoluta, material y estructura molecular de los conductores. Si los coeficientes Seebeck son efectivamente constantes para el rango de temperatura medido, la fórmula anterior puede aproximarse como: 𝑉 = (𝑆𝐵 − 𝑆𝐴 ) ∗ (𝑇2 − 𝑇1 ) El efecto Seebeck se usa comúnmente en dispositivos llamados termopar(porque está hecho de un acople o unión de materiales, generalmente metales) para medir una diferencia de temperatura directamente o para medir una temperatura absoluta colocando un extremo a una temperatura conocida. Una sonda metálica mantenida a una temperatura constante en contacto con un segundo metal de composición desconocida puede clasificarse por este efecto TE. Instrumentos de control de calidad industriales usan este efecto Seebeck para identificar aleaciones metálicas. Esto se conoce como clasificación Termoeléctrica de aleación. Varios termopares cuando se conectan en serie son llamados termopila, la cuál se construye a veces para aumentar el voltaje de salida ya que el voltaje inducido sobre cada acople es bajo. Este es también el principio de trabajo detrás de los diodos térmicos y generadores termoeléctricos (tales como los generadores termoeléctricos de radioisótopos o GTR) los cuales se usan para crear potencia a partir de la diferencia de calor. El efecto Seebeck se debe a dos efectos difusión de portador de carga y arrastre de fonones (descritos abajo). Si ambas conexiones se mantienen a la misma temperatura, pero una conexión se abre y cierra periódicamente, se mide un voltaje AC, el cuál es también dependiente de la temperatura. Esta aplicación de la sonda Kelvin a veces se usa para demostrar que la física subyacente solo necesita una unión. Y este efecto se ve aún si los alambres solo se acercan, pero no se tocan, así no se necesita difusión. TERMOPOTENCIA DE UN MATERIAL La termo potencia de un material representada por S (o a veces por α), depende de la temperatura y estructura cristalina del material. Típicamente los metales tienen termo potencias bajas porque la mayoría tiene bandas medio llenas. Ambos electrones (cargas negativas) y huecos (cargas positivas) contribuyen al voltaje termoeléctrico inducido así se cancelan cada uno con la contribución al voltaje de otro y hacerlo pequeño. En cambio, los semiconductores pueden estar dopados con una cantidad en exceso de electrones o huecos y así se puede tener grandes valores positivos o negativos de la termo potencia según la carga de los portadores en exceso. El signo de la termo potencia puede definir que portadores cargados domina el transporte eléctrico en ambos metales y semiconductores. Si la diferencia de temperatura ∆𝑇 entre los dos extremos de un material es pequeña, entonces la termo potencia de un material se define (aproximadamente) como: Δ𝑉 Δ𝑇 y un voltaje termoeléctrico ∆𝑉 se ve en los terminales. Así se puede escribir una relación del campo eléctrico E y el gradiente de temperatura ∇𝑇, por la aproximación de la ecuación: 𝑆=

𝐸 ∇𝑇 Los superconductores tienen termo potencia cero pues los portadores cargados no producen entropía. Esto permite una medición directa de la termo potencia absoluta del material de interés, ya que es la termo potencia de todo el termopar también. Además, una medida del coeficiente Thomson, µ, de un material puede también producir la termo potencia a través de la relación: 𝑆=

𝜇 𝑆 = ∫ 𝑑𝑇 𝑇 La termo potencia es un parámetro importante del material que determina la eficiencia de la termoelectricidad de un material. Un mayor voltaje termoeléctrico inducido para un gradiente de temperatura dado conllevará a una mayor eficiencia. Lo ideal es desear valores de termo potencia muy grandes ya que solo se necesita una cantidad pequeña de calor para crear un voltaje grande. Este voltaje se puede usar para producir potencia. EFECTO PELTIER El efecto Peltier es una propiedad termoeléctrica descubierta en 1834 por Jean Peltier, trece años después del descubrimiento del mismo fenómeno, de forma independiente, por Thomas Johann Seebeck. El efecto Peltier hace referencia a la creación de una diferencia de temperatura debida a un voltaje eléctrico. Sucede cuando una corriente se hace pasar por dos metales o semiconductores conectados por dos “junturas de Peltier”. La corriente propicia una transferencia de calor de una juntura a la otra: una se enfría en tanto que otra se calienta.

Una manera para entender cómo es que este efecto enfría una juntura es notar que cuando los electrones fluyen de una región de alta densidad a una de baja densidad, se expanden (de la manera en que lo hace un gas ideal) y se enfría la región. Cuando una corriente se hace pasar por el circuito, el calor se genera en la juntura superior (T2) y es absorbido en la juntura inferior (T1). A y B indican los materiales. Este efecto realiza la acción inversa al efecto Seebeck. Consiste en la creación de una diferencia térmica a partir de una diferencia de potencial eléctrico. Ocurre cuando una corriente pasa a través de dos metales diferentes o semiconductores (tipo-n y tipo-p) que están conectados entre sí en dos soldaduras (uniones Peltier). La corriente produce una transferencia de calor desde una unión, que se enfría, hasta la otra, que se calienta. El efecto es utilizado para la refrigeración termoeléctrica.

Este efecto lleva el nombre de Jean-Charles Peltier (físico francés) quien lo descubrió en 1834, el efecto calórico de una corriente en la unión de dos metales diferentes. Cuando una corriente I se hace fluir a través del circuito, se produce calor en la unión superior (at T 2)), y absorbido por la unión inferior (at T1)). El calor Peltier absorbido por la unión inferior por unidad de tiempo, 𝑄̇ es igual

donde: es el coeficiente Peltier AB de todo el termopar, y Ay Bson los coeficientes de cada material. El silicio tipo-P normalmente tiene un coeficiente Peltier positivo (pero no mayor ~550K), y silicio tipo-n es normalmente negativo como sugiere su nombre. Los coeficientes Peltier representan cuanta corriente de calor se lleva por unidad de carga a través de un material dado. Como la corriente de carga debe ser continua por una unión, el flujo de calor asociado producirá discontinuidad si Ay B son diferentes. Esto provoca una divergencia no cero en la unión y así el calor debe acumularse o agotarse allí, según el signo de la corriente. Otra forma de entender como este efecto puede enfriar una unión es notar que cuando electrones fluyen de una región de alta densidad a una región de baja densidad, ellos se expanden (como con un gas ideal) y enfrían. Los conductores están tratando de retornar al equilibrio de electrones que había antes de aplicarse la corriente absorbiendo energía a un conector y liberándole al otro. Los pares individuales pueden conectarse en serie para mejorar el efecto. Una consecuencia interesante de este efecto es que la dirección de transferencia de calor es controlada por la polaridad de la corriente; invertir la polaridad cambiará la dirección de transferencia y así el signo del calor absorbido/producido. Un enfriador/calentador Peltier o bomba de calor termoeléctrica es una bomba de calor activa de estado sólido que transfiere calor de un lado del dispositivo al otro. El enfriamiento Peltier es llamado enfriamiento termoeléctrico. EFICIENCIA DE DISPOSITIVOS TERMOELECRTICOS La eficiencia de un dispositivo termoeléctrico para generar electricidad se da por η, definida como 𝜼=

𝑬𝑵𝑬𝑹𝑮𝑰𝑨 𝑷𝑹𝑶𝑷𝑶𝑹𝑪𝑰𝑶𝑵𝑨𝑫𝑨 𝑨 𝑳𝑨 𝑪𝑨𝑹𝑮𝑨 𝑬𝑵𝑬𝑹𝑮𝑰𝑨 𝑫𝑬 𝑳𝑨 𝑪𝑨𝑩𝑬𝒁𝑨 𝑨𝑩𝑺𝑶𝑹𝑩𝑰𝑫𝑨 𝑳𝑨 𝑼𝑵𝑰𝑶𝑵 𝑪𝑨𝑳𝑬𝑵𝑻𝑬 𝜼𝑴𝑨𝑿 =

̅−𝟏 𝑻𝑯 − 𝑻𝑪 √𝟏 + 𝒁𝑻 𝑻𝑯 √𝟏 + 𝒁𝑻 ̅ + 𝑻𝑪

𝑻𝑯

donde TH es la temperatura de la unión caliente y TC es la temperatura de la superficie que se enfría. ZT es la figura de mérito adimensional modificada que ahora considera la capacidad termoeléctrica de ambos materiales termoeléctricos usados en dispositivos para generar potencia, y definida como ̅= 𝒁𝑻

̅ (SP − SN )2 T (√ρn k n + √ρP k P )

2

Donde 𝜌 es la resistividad eléctrica,𝑇̅ es la temperatura promedio entre las superficies caliente y fría, y los subíndices n y p, indican propiedades relacionadas con los materiales termoeléctricos semiconductores tipo n y p, respectivamente. Es importante notar que la eficiencia de un dispositivo termoeléctrico se limita por la eficiencia de Carnot (por ello los términos TH and TC en ∅max), pues los dispositivos termoeléctricos son máquinas de calor inherentemente. El COP - Coefficient Of Performance (en inglés Coeficiente De Rendimiento) de sistemas actuales es pequeño, variando de 0.3 a 0.6. APLICACIONES DE EFECTOS TERMOELECTRICOS APLICACIONES A BAJAS TEMPERATURAS El material termoeléctrico más comúnmente utilizado a bajas temperaturas (150K-200K), está formado sobre la base de Bi1-xSbx (una aleación de bismuto y antimonio) pero desafortunadamente sólo posee buenas características termoeléctricas para el tipo N (conducción por electrones), lo que reduce el rendimiento de conversión del sistema, puesto que ningún material tipo P es eficaz a estas temperaturas (recuérdese que un sistema de conversión termoeléctrica se compone de ramas tipo P y N). Curiosamente, a pesar de que sus propiedades son relativamente medias (ZT~0,6), la aplicación de un campo magnéticopermite duplicar el factor de mérito, superando la unidad. Esta propiedad hace que estos materiales se empleen asociados a un imánpermanente. APLICAION A TEMPERATURA AMBIENTE Actualmente, el material más estudiado es el Bi2Te3 (aleación de bismutoy telurio). Se emplea en dispositivos que funcionan a temperaturas próximas a la ambiente, lo que incluye a la mayoría de los dispositivos de refrigeración termoeléctrica. Las mejores prestaciones se han obtenido con la aleación Sb2Te3 (una aleación compuesta por antimonio y telurio) que posee la misma estructura cristalina. Pueden conseguirse tanto muestras de tipo P como N, simplemente por medio de pequeñas variaciones de la composición en las proximidades de la estequiometria. En ambos casos los valores del factor de mérito ZT se aproximan a la unidad 1 a temperaturas cercanas a la ambiente. 9 Estos buenos valores ZT se obtienen en parte gracias a la muy reducidad conductividad térmica λ, que aproximadamente es de 1 W.m-1.K-1 en los mejores materiales. APLICACIONES A TEMPERATURA INTERMEDIA Para su empleo a temperaturas medias (entre los 550K y 750K aproximadamente), el material más empleado es el telurio de plomo PbTey sus aleaciones (PbSn) Te (Sn = estaño). Ambos compuestos, PbTe y SnTe pueden formar una solución sólida completa lo que permite optimizar la banda prohibida del semiconductor al valor deseado. Los mejores materiales obtenidos poseen factores de mérito próximos a la unidad a una temperatura cercana a los 700K. Sin embargo, estos valores se obtienen únicamente en materiales de tipo N. Por tanto, actualmente el PbTe no puede constituir por sí solo las dos ramas de un termoelemento. La rama P se construye generalmente con un material de tipo TAGS (por sus componentes Telurio-Antimonio-Germanio-Plata), que alcanzan valores de mérito superiores a la unidad a 700K pero exclusivamente para el tipo P. Por lo tanto, resulta crucial descubrir un material que pueda emplearse como tipo P y N en esta gama de temperaturas, ya que industrialmente, resulta más fácil emplear el mismo material para las dos ramas, eliminando además la necesidad de emplear Telurio, que es extremadamente tóxico.

APLICACIÓN A ALTAS TEMPERATURAS Las aleaciones a base de silicio y germanio poseen buenas características termoeléctricas a altas temperaturas (por encima de 1000K) y son utilizadas principalmente para la generación de electricidad en el campo espacial. De este tipo son las aleaciones utilizadas para la alimentación eléctrica de la sondas espaciales, como es el caso de la Voyager. 5. DESCRPCION Y DESARROLLO DEL EXPERIMENTO 1. Se consiguió dos alambres de diferente material (nicrom y cobre), con los dos alambres que son conductores de electricidad se realiza una termo cupla(fuerzas de igual valor en direcciones opuestas), o más vulgarmente envolver ambos alambres por los extremos y los otros extremos conectarlos a un multímetro, prender una vela y calentar la cupla, hasta que en el multímetro marque un valor mayor a cero, comprobando de esa manera que los alambres producen voltios por una diferencia de calor (seebeck). 2. Realizar varias conexiones en serie formando así varias cuplas (en una conexión en serie los voltajes se suman), obtenido de esa manera un voltaje superior capaz de hacer funcionar un aparato electrónico de menos de 1(v). 3. Para comprobar el efecto peltier y seebeck necesitamos una célula peltier (aparato termo eléctrico), esta célula ira conectada a un motor . 4. la célula será puesta en una base donde por un lado se aplica calor (en este caso utilizaremos una plancha) y por la otra cara disminuiremos el calor (hielos para enfriar esa cara), creando de esa manera una diferencia de temperaturas, para el efecto peltier se realizara el inverso de s procedimiento. 6. RESULTADOS OBTENIDOS Según los datos recabados con el experimento se pudo recabar ls siguientes resultados para el experimento partiendo de cuanto voltaje se consigue con los cables en unión de serie Cobre + microm = 2,0(mV) Hierro dulce + cobre = 2,6(mV) Hierro dulce + Microm = 1,5(mV) Esta es la composición de alambres que se formo; se juntaron y crearon el siguiente voltaje creado, medido con el multimetro Se pudo juntar hasta 24 termocuplas para transmisión de corriente este llego a dar un voltaje de 24 (mV) pero se dejo de hacer este ya que se quemaba la sintaxis aislante; a pesar de esoeste multiplica 1,6 (mV) por 24 dando un voltaje aproximado de lo que calcula el multimetro es 38,4 (mV), estas son las corrientes obtenidas con los cables.

7. CONCLUSIONES  Efectivamente, la diferencia de temperatura genera voltios que en el caso de la célula se pueden multiplicar ya que es un aparato creado con ese fin.  Mientras más cuplas termoeléctricas se consigan realizar mayor será el voltaje que estas inducen, de esa manera se puede llegar a obtener una célula peltier casera.  Se le da mucha importancia al material conductor, ya que son algunos casos de combinaciones donde se producen mayores voltios.