El fenómeno termoeléctrico y su importancia en nuestra vida cotidiana
El fenómeno termoeléctrico y su importancia en nuestra vida cotidiana
El fenómeno termoeléctrico y su importancia en nuestra vida cotidiana
El efecto termoeléctrico es un término comúnmente aceptado que define las interrelaciones entre los efectos eléctricos y térmicos en los materiales. Este efecto permite, entre otros, para regular las condiciones ambientales o generar energía. Los ingenieros tienen en cuenta este fenómeno tanto a la hora de operar los armarios de control como a la hora de diseñar los vehículos exploradores de Marte, por lo que merece la pena saber un poco más al respecto.
- El papel de mantener una temperatura constante
- Fenómenos termoeléctricos conocidos
- El futuro del uso de los fenómenos termoeléctricos
Mantenimiento de una temperatura constante en todas las condiciones
El confort térmico es una cuestión sumamente importante para el ser humano. Bajar o subir la temperatura ambiente unos pocos grados puede hacernos sentir mal a la larga. Este margen es pequeño, por lo que la normativa regula, por ejemplo, la temperatura que debe regir en el lugar de trabajo.
La temperatura ambiente no sólo afecta al trabajo de las personas. Un ejemplo serían los armarios de control de plantas industriales donde se genera calor que, combinado con una temperatura ambiente elevada, provoca la acumulación de altas temperaturas y puede provocar un sobrecalentamiento de elementos críticos del sistema o incluso un fallo grave. Para evitar tal situación, los armarios se equipan con sistemas de enfriamiento, que mantienen la temperatura adecuada en el interior del edificio.
Mantener con precisión una temperatura específica también es esencial para muchas aplicaciones médicas. El transporte y almacenamiento de muchos preparados requieren condiciones ambientales estrictamente reguladas que son necesarias para mantener su idoneidad. Los tratamientos médicos, como la crioterapia, sólo pueden tener un impacto positivo en la salud humana gracias a una temperatura ajustada y adecuadamente baja.
Todos los procesos que requieren una regulación precisa y el mantenimiento de una temperatura específica son posibles gracias a sistemas de calefacción y refrigeración avanzados, pero sobre todo sin fallos.
¿Por qué se dan estos ejemplos? Cada uno de ellos se basa en el principio de un determinado efecto termoeléctrico. ¿Qué es, quién lo descubrió y encuentra aún más aplicaciones en la vida cotidiana? Las respuestas a estas preguntas se proporcionan más adelante en el artículo.
Fenómeno termoeléctrico: ¿qué es?
El efecto termoeléctrico es un término comúnmente aceptado que define las interrelaciones entre los efectos eléctricos y térmicos en los materiales. El efecto del efecto termoeléctrico puede ser la creación de un voltaje eléctrico como resultado de una diferencia de temperatura o el uso de un voltaje eléctrico que ocurre entre dos puntos para causar una diferencia de temperatura.
Los fenómenos termoeléctricos se dividen en:
Irreversibles:
Efecto Joule – El fenómeno consiste en la liberación de calor cuando una corriente eléctrica fluye a través de un conductor con una resistencia eléctrica específica. Esta transformación sólo se produce en una dirección y el calor generado es una pérdida por transmisión. Lea más sobre el efecto Joule
El efecto Joule se puede describir mediante la siguiente fórmula:
dónde:
∆Q – calor generado por el flujo de corriente [J];
I – la intensidad de la corriente que fluye [A];
R – resistencia eléctrica del conductor [Ω];
∆t – tiempo de flujo actual [s].
Reversible:
Fenómeno de Seebeck – fenómeno descrito en 1821 por el físico alemán, miembro de la Academia de Ciencias de Berlín, Thomas Johann Seebeck. El inventor descubrió que cuando dos metales diferentes a diferentes temperaturas se conectan a un circuito eléctrico, crean un voltaje eléctrico. Mientras se mantenga la diferencia de temperatura entre los metales, fluirá una corriente en el circuito, cuyo valor aumenta a medida que aumenta la diferencia de temperatura. El valor del voltaje generado se describe mediante la siguiente relación:
dónde:
V – tensión eléctrica [V];
αB,αA – coeficientes de Seebeck específicos de un material determinado [µV/K];
T2,T1 – temperaturas del metal en el punto de contacto. [K].
En la fórmula anterior podemos ver que, además de la diferencia de temperatura, el tipo de material utilizado tiene un impacto significativo en la cantidad de voltaje generado. Por ejemplo, el hierro a una temperatura de 300K tiene un valor de 11,6 µV/K, mientras que el cobre tiene un valor de 1,19 µV/K y el oro tiene un valor de 0,73 µV/K. Los semiconductores, por el contrario, pueden tener valores de varios cientos de µV/K. Además, para mejorar el efecto Seebeck, en lugar de un termopar, se utiliza el llamado "termopila".
El mecanismo de creación de la fuerza termoeléctrica en el fenómeno de Seebeck se basa en dos procesos paralelos. En primer lugar, hay una difusión de los portadores de carga eléctrica, donde los llamados Los electrones "calientes" se mueven al extremo de menor temperatura del circuito, mientras que los electrones de "baja energía" intentan llegar al extremo caliente. Luego, debido a imperfecciones en la estructura del material, los portadores de energía se dispersan (los calientes a un ritmo más rápido y los fríos a un ritmo más lento). Como resultado, observamos la formación de un campo eléctrico. El segundo proceso es la deriva de fonones causada por la diferencia de temperatura a lo largo del conductor. Las colisiones continuas de fonones hacen que la energía cinética se transfiera a las cargas, al mismo tiempo que las ponen en movimiento e intensifican el proceso de flujo de corriente en curso.
El efecto Seebeck se utiliza en la práctica en diseños muy avanzados de vehículos exploradores de Marte, que utilizan generadores termoeléctricos. Convierten el calor del medio ambiente en electricidad, lo que permite que el dispositivo funcione en un planeta distante sin una fuente de energía adicional. Actualmente se están realizando avances en el uso de generadores termoeléctricos, por ejemplo, para procesar el calor residual de las máquinas. La introducción de esta tecnología a escala industrial aumentaría significativamente la eficiencia de muchos dispositivos.
Otra aplicación importante del fenómeno discutido son los dispositivos utilizados para medir las siguientes cantidades físicas:
- calor liberado y absorbido durante procesos físico-químicos (medido mediante un calorímetro);
- conductividad térmica de materiales;
- intensidad de radiación de las ondas infrarrojas (para dicha medición se utiliza un dispositivo llamado pirgeómetro que utiliza el fenómeno descrito por Seebeck).
Efecto Peltier - fenómeno termoeléctrico opuesto al efecto Seebeck.
Jean Charles Athanase Peltier es un famoso físico francés a quien debemos las células Peltier, que son importantes en tecnología. Hizo su descubrimiento en 1834, cuando determinó que la corriente eléctrica que fluía en la unión de dos metales diferentes podía emitir o absorber calor. La cantidad de energía térmica es proporcional a la intensidad de esta corriente y (al igual que el efecto Seebeck) depende del material del conector.
El principio de funcionamiento de un sistema eléctrico de este tipo es que en el caso de un circuito equipado con dos materiales conductores diferentes en los conectores, el flujo de electricidad provoca la absorción de energía térmica de un conector y la liberación de energía en el otro. Cabe señalar aquí que la dirección del flujo de corriente es de fundamental importancia. Revertirlo provocará el efecto contrario, donde se enfriará la unión que previamente se calentó, y de igual manera: se calentará aquella de la que se absorbió la energía.
La descripción matemática es la siguiente
dónde:
dQ/dt – cambio de energía térmica a lo largo del tiempo;
πp – coeficiente de Peltier;
I – la intensidad de la corriente que fluye.
El coeficiente de Peltier conviene describirlo con más detalle porque es la suma de los coeficientes de ambas uniones, es decir:
Estas cantidades también influyen en el efecto de absorción o liberación de calor por parte del sistema.
Debido al pequeño efecto de una sola celda, en la práctica se crean módulos completos, lo que está justificado en aplicaciones industriales. Están hechos de placas de cerámica, entre las cuales se colocan celdas individuales. La cerámica es un buen aislante eléctrico y conductor de energía térmica. Para aumentar la eficiencia de un módulo de este tipo se utilizan semiconductores dopados adecuadamente. Permiten una generación o absorción de calor mucho mejor.
Módulos Peltier en el catálogo de TME
Cabe destacar aquí que las dimensiones geométricas de los elementos que forman las uniones no afectan la tensión termoeléctrica generada.
Los módulos Peltier tienen muchas aplicaciones diferentes. No obstante, para acercaros las zonas en las que podemos encontrarlas, se han seleccionado las siguientes aplicaciones:
- sistemas de refrigeración para generadores de alta potencia;
- dispositivos de referencia precisos para realizar mediciones de temperatura;
- refrigeración de sistemas electrónicos;
- mantener una temperatura específica en los recipientes utilizados en trasplantología.
Fenómeno Thomson
El mundo escuchó por primera vez sobre el fenómeno Thomson en 1856, cuando el científico británico William Thomson, físico, matemático y naturalista, formuló su teorema. Según esta teoría, cuando la corriente fluye en un conductor uniforme con un gradiente de temperatura, se libera calor (cuando las cargas eléctricas se mueven en dirección opuesta al gradiente de temperatura) o se absorbe calor (cuando la dirección del gradiente y el flujo de corriente coinciden).
La relación anterior se describe mediante la siguiente fórmula matemática:
dónde:
Q – la cantidad de calor liberado o absorbido [J];
τ – coeficiente de Thomson según el material utilizado;
∆T – diferencia de temperatura [K].
Thomson determinó la relación entre el coeficiente Peltier y el coeficiente Seebeck, que se describe mediante la siguiente relación matemática:
dónde:
πp – coeficiente de Peltier;
α – coeficiente de Seebeck.
Como curiosidad cabe añadir que William Thomson fue una persona de gran mérito para la ciencia, descubriendo, entre otras cosas, la temperatura del cero absoluto, formulando su propia teoría de la segunda ley de la termodinámica y creando una brújula que permitía medir mucho determinación más precisa de la posición actual del barco.
Fenómenos descubiertos en el pasado al servicio del futuro
El descubrimiento de los fenómenos descritos tuvo lugar en el siglo XIX, lo que resultó ser muy generoso, teniendo en cuenta el progreso de la ciencia y el desarrollo asociado a ella. Gracias a las teorías de los fenómenos termoeléctricos, ahora podemos regular con precisión la temperatura o generar energía utilizando las diferencias de temperatura. Un mayor progreso y un mayor acceso a tecnologías cada vez más modernas y mejores materiales semiconductores aumentarán el uso del calor residual y aumentarán la eficiencia energética. Sin embargo, sistemas de refrigeración más eficientes aumentarán las capacidades de las máquinas avanzadas.