Site Loader

Содержание

Эффект Пельтье — это… Что такое Эффект Пельтье?

Эффект Пельтье — термоэлектрическое явление, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока в месте контакта (спая) двух разнородных проводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, направления и силы протекающего электрического тока:

Q = ПАBIt = (ПBA)It, где
Q — количество выделенного или поглощённого тепла;
I — сила тока;
t — время протекания тока;
П — коэффициент Пельтье, который связан с коэффициентом термо-ЭДС α вторым соотношением Томсона [1]П = αT, где Т — абсолютная температура в K.

Эффект открыт Ж. Пельтье в 1834 году, суть явления исследовал несколькими годами позже — в 1838 году Ленц, который провёл эксперимент, в котором он поместил каплю воды в углубление на стыке двух стержней из висмута и сурьмы. При пропускании электрического тока в одном направлении капля превращалась в лёд, при смене направления тока — лёд таял, что позволило установить, что в зависимости от направления протекающего в эксперименте тока, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Эффект Пельтье «обратен» эффекту Зеебека.

Эффект Пельтье более заметен у полупроводников, это свойство используется в элементах Пельтье.

Причина возникновения явления Пельтье заключается в следующем. На контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создаёт внутреннее контактное поле. Если через контакт протекает электрический ток, то это поле будет либо способствовать прохождению тока, либо препятствовать. Если ток идёт против контактного поля, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приведёт к его нагреву. Если же ток идёт по направлению контактного поля, то он может поддерживаться этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов.

Необходимая для этого энергия отбирается у вещества, что приводит к охлаждению его в месте контакта.

Литература

  1. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике: для инженеров и студентов ВУЗов. — Изд. 4-е, перераб. — Наука — Главная редакция Физико-математической литературы, 1968. — С. 417.

См. также

Ссылки

Эффект Пельтье — Энциклопедия по машиностроению XXL

Выше при обсуждении природы термоэлектричества рассматривался только эффект Зеебека, который представляет основу для из.мерения температуры термопарами. Остановимся кратко на других проявлениях термоэлектричества — эффектах Пельтье и Томсона.  
[c.270]

Эффект Пельтье возникает при протекании тока через спай двух различных металлов и проявляется в выделении или поглощении тепла, которое пропорционально току. В принципе это явление может быть использовано для нагрева или охлаждения, что зависит от направления тока через спай.[c.270]


Теория твердого тела не позволяет вычислить заранее величину, а часто даже знак термо-э.д.с. и эффектов Пельтье и Томсона, однако она объясняет большинство свойств термопар. Например, зависимость термо-э.д.с. от давления вытекает из зависимости между уровнем Ферми и постоянной решетки. По той же причине изменения в структуре решетки в результате появления вакансий, а также дальнего или ближнего порядка приведут к изменениям термо-э.д.с. Точно так же введение примесей и механических напряжений окажет влияние на термопару, поскольку термо-э.д.с. очень чувствительна к изменениям в рассеянии электронов.  
[c.273]

В лабораторной практике ледяная ванна обычно наиболее удобна для стабилизации температуры опорного спая, однако в промышленности это не так. Существуют различные способы стабилизации температуры опорного спая, которая не обязательно должна быть равна 0°С. Можно использовать холодильники, работающие за счет эффекта Пельтье, которые удобны, если применяется большое число термопар. Главный недостаток их заключается в том, что при температуре 0°С трудно обеспечить достаточное погружение спаев термопар в охлаж-  [c.305]

Весьма слабый термомеханический эффект должен, строго говоря иметь место и в обычных жидкостях аномальным у гелия II является боль шая величина этого эффекта. Термомеханический эффект в обычных жидко стях представляет собой необратимое явление типа термоэлектрического эф фекта Пельтье (фактически такой эффект наблюдается в разреженных газах см. X, задача I к 14). Такого рода эффект должен существовать и в гелии II, но в этом случае он перекрывается значительно превосходящим его описанным ниже другим эффектом, специфическим для гелия 11 и не имеющим ничего общего с необратимыми явлениями типа эффекта Пельтье,  

[c.710]

Эффект Пельтье. При прохождении электрического тока в термически однородной системе в месте соединения двух различных проводников выделяется или поглощается теплота (теплота Пельтье), пропорциональная силе тока.

[c.22]

Эффект Пельтье. Из (8.81) и (8.82) легко находим, что при прохождении в изотермических условиях через спай двух различных проводников электрического тока в спае выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) теплота, пропорциональная силе тока (эффект Пельтье). Наряду с этим еще всегда выделяется положительное джоулево тепло. Но оно пропорционально квадрату силы тока поэтому при достаточно малом токе можно пренебречь джоулевым теплом по сравнению с теп-  [c.161]

Эффект Пельтье так же, как эффект Зеебека, можно наблюдать лишь при наличии двух разнородных проводников.  [c.560]


Эффект Пельтье — в изотермических условиях и при фиксированном значении разности электрического потенциала на концах термодинамической пары в месте спая проводников выделяется либо поглощается теплота Пельтье,  
[c.201]

Необходимость существования эффекта Пельтье вытекает из следующих соображений. При равенстве температур спаев в замкнутой цепи (рис. 113) термоток отсутствует. При нагревании перехода 1 возникает термоток в направлении, показанном на рис. 113. Этот термоток в цени совершает работу, например, на выделение джоулевой теплоты. Если осуществляется стационарный режим, то подводимая к этому переходу теплота при неизменной температуре превращается в другие формы энергии в цепи тока. Это означает, что проходящий через переход ток уносит из перехода энергию, сообщаемую ему в форме теплоты, т. е. охлаждает переход. Так доказывается необходимость существования эффекта Пельтье и правило, определяющее зависимость эффекта нагревания или охлаждения перехода в зависимости от направления  

[c.349]

Эффект Пельтье используется в охлаждающих устройствах и некоторых электронных приборах.  [c.349]

Полупроводник Металл Рис. 3.21. Схема контакта электронного полупроводника с металлом, поясняющая эффект Пельтье  [c.74]

Количество тепла, выделяющегося или поглощающегося при эффекте Пельтье, пропорционально плотности тока и времени его прохождения  [c. 74]

Эффект, обратный явлению Зеебека, называют эффектом Пельтье. Он состоит в том, что при прохождении тока через контакт двух разнородных полупроводников или полупроводника и металла происходит поглощение или выделение теплоты в зависимости от направления тока.  [c.277]

Термогенераторы основываются на трех термоэлектрических эффектах эффекте Зеебека, когда в разомкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников, концы которых находятся при различной температуре, возникает э. д. с. эффекте Пельтье, когда при прохождении тока в термически однородной системе через стык двух различных проводников на стыке выделяется или поглощается теплота эффекте Томсона, когда в термически неоднородной системе помимо теплоты Джоуля выделяется теплота Томсона, пропорциональная градиенту температуры и силе тока. Математически эти эффекты соответственно записываются  

[c.418]

Принципиальный интерес представляют электрические. Они работают на основе эффекта Пельтье, который рассматривался выше при пропускании электрического тока через замкнутую цепь из двух разнородных проводников один из спаев нагревается, а другой охлаждается.

Значит, поместив нужный из них в комнате или шкафу, мы  [c.150]

Эффект Пельтье состоит в том, что при пропускании тока через контакт двух разнородных материалов в дополнение к джоулеву теплу в контакте выделяется или поглощается тепло, количество которого Qn пропорционально заряду It, прошедшему через контакт  [c.263]

Легко видеть, что эффект Пельтье является обратным эффекту Зеебека. В первом случае пропускание тока по цепи приводит к возникновению в контактах разности температур, во втором—создание разности температур в контактах вызывает появление в цепи термо-э. д. с. и, следовательно, электрического тока. Термодинамическое рассмотрение этих явлений показывает, что между коэффициентом Пельтье и удельной термо-э. д. с. существует следующая простая связь  
[c.265]

Для обеспечения стабильности температуры Гд теплоизолируемой поверхности, когда в окружающую среду с температурой Tj необходимо сбрасывать избыточную тепловую энергию при условии Т > Гц, может оказаться целесообразным использование термоэлектрических эффектов в термоизоляции [18]. Без затрат дополнительной энергии такой процесс термодинамически невозможен. Передать тепловую энергию в направлении повышения температуры удается за счет энергии электрического тока, протекающего в цепи из разнородных проводников, которые обладают достаточно сильно выраженным эффектом Пельтье. Этот эффект заключается в выделении (или поглощении) тепловой мощности в месте контакта разнородных материалов в зависимости от направления тока I и количественно характеризуется выражением [28]  [c.79]


При силе тока = l/Rj + oFo)/(2e) имеем Гг Это означает, что выделяющаяся благодаря эффекту Пельтье тепловая мощность уже не может быть отведена в окружающую среду или к пластине 1 и поэтому температура пластины 2 неограниченно возрастает. Если I = то множитель при в выражении для J (Т) обращается в нуль, т.е. функционал не имеет экстремума. Для I > If этот множитель становится отрицательным, так что стационарное значение функционала оказывается максимумом и соответствующее ему значение Т2 теряет физический смысл.[c.81]

Твердотельные — установки, в которых для охлаждения используется твердое рабочее тело. Кроме полупроводниковых установок, основанных на использовании эффекта Пельтье, к этой группе относятся установки, в которых используется элект-  

[c.213]

Остановимся еще на одном физическом эффекте, неразрывно связанном с эффектом Зеебека. Речь идет об эффекте, открытом в 1834 г. французским физиком Ж. Пельтье. Существо эффекта Пельтье состоит в следующем. Если через цепь, составленную из двух разнородных проводников, пропускать ток от внешнего источника электроэнергии, то один из спаев цепи поглощает, а другой выделяет тепло. При изменении направления тока в спае, который поглощал тепло, будет происходить выделение тепла, а другой спай, в котором ранее тепло выделялось, будет поглощать тепло. При этом количество тепла Q, поглощаемого или выделяющегося в спае, оказывается пропорциональным силе тока I  [c.404]

Индекс п указывает на то, что это тепло связано с эффектом Пельтье.[c.404]

Эти соотношения позволяют найти величину всех трех термоэлектрических эффектов, если известен хотя бы один и если 5 или р, известны в небольшом интервале температур вблизи Т. Применяемые на практике методы определения 5, р и П изложены в работах Бернара [3] и Блатта [12]. При выводе приведенных выше соотношений Томсон полагал, что такие обратимые процессы, как эффекты Пельтье и Томсона, можно рассматривать вне зависимости от происходящих одновременно необратимых явлений теплопроводности и выделения джоулева тепла. Наличие необратимых процессов делает сомнительным применение второго начала термодинамики в обратимой форме, однако Томсон получил правильный результат. Общая теория, рассматривавшая одновременно обратимые и необратимые процессы, была развита в 1931 г. Онсагером [47, 48]. Ее основы изложены Бернаром [3].  [c.271]

Термозлемент — теплоэлектрический прибор, основанный на использовании термоэлектрического эффекта или электротермического эффекта Пельтье и предназначенный для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую или обратно различают термоэлементы металлические, полупроводниковые и комбинированные [9].[c.155]

Эффект Пельтье состоит в том, что при прохождении тока через спай различных проводников кроме джоу-лева тепла выделяется или поглощается в зависимости от направления тока некоторое количество тепла Qrii пропорциональное протекающему через контакт заряду (т. е. силе тока / и времени t),  [c.560]

Паровые холодильные машины, в свою очередь, подразделяют на парокомпрессионные, пароэжекторные и абсорбционные. Кроме того, применяются термоэлектрические холодильные установки, работа которых основана на эффекте Пельтье (1834 г.), заключающемся в том, что при прохождении электрического тока по замкнутой цепи проводников-термоэлементов один из спаев проводников охлаждается, а другой нагревается. К этой же группе холодильных установок относятся устройства, основанные на термомагнитном эффекте Эттингсхаузена. В холодильных установках этого типа хладагент отсутствует.  [c.176]

Определим количество теплоты источника теплоты температуры в единицу времени. Основная составная часть — теплота q, преобразуемая в электрическую энергию. Она определяется на основании эффекта Пельтье, согласно которому обратимое выделение теплоты на спае двух проводников при прохождении тока пропорционально силе тока поэтому q = л/, где л — коэффициент Пельтье, являющийся функцией температуры я = Я1 1ц — Пц 1п i — сила тока в цепи термогенератора.  [c.577]

Эффект, обратный явлению Зее-бека, называют эффектом Пельтье (электротермическим эффектом Пельтье). Он состоит в том, что при прохождении тока через контакт дв лс разнородньк полупроводников  [c.74]

Криостаты, которые служат обычно оболочками приборов, часто соединяют с криогенными установками. Используют также эффекты Пельтье, Эгтингсга-узена и др., которые будут рассмотрены в дальнейшем. По мере того как будут совершенствоваться техника получения и поддержания низких температур и сами электронные приборы, криоэлектроника все шире будет входить в жизнь.  [c. 208]

Наиболее эффективными материалами для создания как термоэлектрических холодильников, так и термогенераторов являются материалы с максимальной величиной а о/%. Для термоэлектрического охлаждения необходим материал с высокими значениями коэффициента Пельтье и удельной электропроводности. Последнее требование обусловлено тем, что в добавление к теплу Пельтье всегда выделяется и джоулево тепло и, чтобы эффект джоулева нагрева не перекрыл эффект охлаждения, необходимы материалы с хорошей электропроюдностью. С другой стороны, при одном- и том же количестве тепла, выделяющемся вследствие эффекта Пельтье на одном контакте и поглощающемся на другом, разность температур между контактами будет тем больше, чем меньше теплопередача от горячего конца проводника к холодному, т. е. чем меньше коэффициент теплопроводности.  [c.265]

Эффект Эттингсгаузена может быть использован в тех же устройствах, что и эффект Пельтье, — в устройствах кондиционирования воздуха, охлаждения, термостатирования и т. п., где требуется перекачка тепла. При этом материал, используемый для этих целей, так же как и в элементах Пельтье, должен обладать по возможности меньшей теплопроводностью, чтобы перетекание тепла от горячей грани образца к холодной было затруднено. Однако требования к комбинации других параметров полупроводника несколько иные, чем при использовании эффекта Пельтье. Поэтому в некоторых случаях применение эффекта Эттингсгаузена является предпочтительным по сравнению с эффектом Пельтье.  [c.271]


Термореактивные материалы В 29 (способы и устройства для экструдирования С 47/(00-96) термореактивные смолы как формовочный материал К 101 10> Термостаты, использование для регулирования охлаждения двигателей F 01 Р 7/12 7/16 Термоформование изделий из пластических материалов В 29 С 51/(00-46) Термочувствительные [краски или лаки С 09 D 5/26 элементы (биметаллические G 12 В 1/02 тепловых реле Н 01 Н 61/(02-04))] Термоэлектрические [пирометры G 01 J 5/12 приборы (использование в термометрах G 01 К 7/00 работающие на основе эффекта Пельтье или Зеебека Н 01 L 35/(28-32))] Тигельные печи тепловой обработки 21/04 печей 14/(10-12)) лабораторные В 01 L 3/04 плавильные для литейного производства В 22 D 17/28] Тиски В 25 В (1/00-1/24 ручные 3/00) Тиснение бумаги В 31 F 1/07 картонажных изделий В 31 В 1/88 металлическое В 41 М 1/22 поверхности пластических материалов В 29 С 59/00 способы В 44 С 1/24) Титан [С 22 С (сплавы на его основе 14/00 стали, легированные титаном 38/(14-60)) С 25 (травление или полирование электролитическими способами F 3/08, 3/26 электроды на основе титана для электрофореза В 11/10)] Токарная обработка [древесины В 27 О Токарные станки [В 23 конструктивные элементы и вспО могательные устройства В 17/00-33/60 линии токарных станков В 3/36 для нарезания резьбы G 1/00 общего назначения В 3/00-3/34 отрезные В 5/14 резцы для них (В 27/(00-24) изготовление Р 15/30) для скашивания кромок, снятие фаски или грата с концов прутков и труб В 5/16 фрезерные съемные устройства к ним С 7/02)]  [c. 189]

Термобатарея состоит из последовательно соединенных посредством медных коммутационных пластин 1 а 2 полупроводников дырочной р и электронной п проводимости . При прохождении по термобатарее постоянного электрического тока, подводимого к коммутационным пластинам /, на коммутационных пластинах 1 п 2 возникает разность температур (эффект Пельтье). Пластины 2 охлаждаются, а пластины 1 нагреваются. Чем больше ступеней в термобатарее, тем большая может быть достигнута общая разность температур ДГ. Количество теплоты, подведенной к холодным спаям 2, характеризует холодопроизводи-тельность Qo термобатареи.  [c.237]


Термодинамика (1991) — [ c.272 , c.275 ]

Техническая термодинамика Изд.3 (1979) — [ c.404 , c.447 ]

Теплоэнергетика и теплотехника Общие вопросы Книга1 (2000) — [ c. 236 ]

Механика сплошной среды Часть2 Общие законы кинематики и динамики (2002) — [ c.290 ]

Металловедение и термическая обработка стали Том 1, 2 Издание 2 (1961) — [ c.213 ]

Основы теории металлов (1987) — [ c.93 ]

Термодинамика необратимых процессов В задачах и решениях (1998) — [ c.68 ]

Физика твердого тела Т.2 (0) — [ c.259 ]

Современная термодинамика (2002) — [ c.338 , c.345 ]

Физика твердого тела Т.1 (0) — [ c.259 ]



Эффект Пельтье

Задание: Покажите, что если считать электронный газ в проводнике невырожденным, то коэффициент Пельтье равен контактному скачку потенциала.

Решение:

Количество электронов (N), которое проходит через единичную площадку, перпендикулярную к направлению тока, за $1 с$ равно:

\[N=\frac{j}{q_e}\left(1.1\right),\]

где $j$ — плотность тока, $q_e\ $— заряд электрона.

Энергия электрона равна сумме его кинетической ($E_k$) и потенциальной энергий ($E_p=-q_e\varphi $). Если через $\left\langle E_k\right\rangle $ обозначить среднюю энергию для N электронов, то поток энергии ($P$) равен:

\[P=-\frac{j}{q_e}\left(\left\langle E_k\right\rangle -q_e\varphi \right)\left(1.2\right),\]

где $\left\langle E_k\right\rangle \ne \frac{3}{2}$ kT— не равно средней кинетической энергии равновесного электронного газа, что объяснимо тем, что в случае вырожденного газа не все электроны могут ускоряться электрическим полем.

Рассмотрим проводники 1 и 2 при одинаковой температуре. К каждой единице поверхности контакта в проводнике 1 подводится в единицу времени энергия $P_1$, а отводится в проводнике 2 энергия равная $P_2$. Значения потенциалов с обеих сторон контактной плоскости равны ${\varphi }_1$ и ${\varphi }_2$. Причем ${\varphi }_1$ $\ne $ ${\varphi }_2$. Кроме того в общем случае, имеем, что:

\[\left\langle E_{k1}\right\rangle \ne \left\langle E_{k2}\right\rangle \left(1.3\right).\]

Для поддержания температуры контакта без изменений с каждой единицы поверхности в единицу времени нужно отводить (или подводить) энергию, равную $P_1-P_2.\ $Из выражения (1.3) следует, что:

\[P_1-P_2\ne 0\ \left(1.4\right).\]

Это означает, что выделяется (или поглощается) тепло Пельтье ($Q_p$). В том случае, если $S$ — площадь контактирующих поверхностей, то тепло Пельтье равно:

\[Q_p=\left(P_1-P_2\right)St=\frac{1}{q_e}\left[\left(\left\langle E_{k2}\right\rangle -\left\langle E_{k1}\right\rangle \right)-q_e\left({\varphi }_1-\ {\varphi }_2\right)\right]It\left(1.5\right),\]

где $I=jS$ — сила тока. Мы знаем, что теплоту Пельтье выражают как:

\[Q_p=Пq\left(1.6\right).\]

Или для нашего случая из выражения (1. 7) можно записать:

\[Q_p=Пq_e=ПIt\left(1.7\right).\]

Сравним выражение (1.7) и формулу (1.5), получим для коэффициента Пельтье выражение:

\[П_{12}=\frac{1}{q_e}\left[\left(\left\langle E_{k2}\right\rangle -\left\langle E_{k1}\right\rangle \right)-q_e\left({\varphi }_1-\ {\varphi }_2\right)\right]\left(1.8\right).\]

Так как нас интересует тепло в контакте, и мы не рассматриваем тепло Джоуля — Ленца в объеме, то в формуле (1.5) следует под $P_1\ и\ P_2$ понимать их значения у самой плоскости контактов. Значит выражение ${\varphi }_1-\ {\varphi }_2=U_{i12}$ — контактный скачок потенциала.

Если электронный газ в проводниках является невырожденным, то ускоряются полем все электроны. Распределение импульсов описывается законом Максвелла, и оно зависит только от температуры, тогда $\left\langle E_{k2}\right\rangle =\left\langle E_{k1}\right\rangle $, следовательно:

\[П_{12}=ц_1-\ ц_2=U_{i12}.\ \]

В таком случае, коэффициент Пельтье равен контактному скачку потенциала, при этом тепло Пельтье равно работе, которую совершает ток из-за перепада напряжений.

Что и требовалось показать.

Эффект Пельтье — Физика — Физические законы — Каталог файлов

Эффект Пельтье был открыт французом Жаном-Шарлем Пельтье (1785-1845 г.) в 1834 году. При проведении одного из экспериментов он пропускал электрический ток через полоску висмута, с подключенными к ней медными проводниками. В ходе эксперимента он обнаружил, что одно соединение висмут-медь нагревается, другое — остывает.

Сам Пельтье не понимал в полной степени сущность открытого им явления. Истинный смысл явления был позже объяснён в 1838г Ленцем (1804-1865 г.).

В своём опыте Ленц эксперементировал с каплей воды, помещённой на стыке двух проводников (висмута и сурьмы). При пропускании тока в одном направлении капля воды замерзала, а при изменении направления тока — таяла. Тем самым было установленно, что при прохождении тока через контакт двух проводников в одном направлении тепло выделяется, в другом — поголщается. Данное явление было названо эффектом Пельтье (противоположным эффекту Зеебека).

Эффект Пельтье́ — процесс выделения или поглощения тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени прохождения тока, то есть количество выделяемого тепла пропорционально количеству прошедшего через контакт заряда:

dQ12 = P12Idt = − dQ21
Причина возникновения явления Пельтье заключается в следующем. На контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создаёт внутреннее контактное поле. Если через контакт идёт ток, то это поле будет либо способствовать прохождению тока, либо препятствовать. Если ток идёт против контактного поля, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приведёт к его нагреву. Если же ток идёт по направлению контактного поля, то он может поддерживаться этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества, что приводит к охлаждению его в месте контакта.

Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. Thermoelectric Cooler). Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека.



Принцип действия

В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух токопроводящих материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.

При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используются контакт двух полупроводников.

Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута, Bi2Te3 и германида кремния), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу противоположные (p->n). Протекающий электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 К.

Достоинства и недостатки

Достоинством элемента Пельтье является небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования.

Недостатком элемента Пельтье является очень низкий коэффициент полезного действия, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Кроме того элементы Пельтье с размерами более 60 мм x 60 мм практически не встречаются. Несмотря на это, элементы Пельтье нашли широкое применение, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.

Применение

Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур, или энергетическая эффективность охладителя не важна. Например, элементы Пельтье применяются в ПЦР-амплификаторах, маленьких автомобильных холодильниках, так как применение компрессора в этом случае невозможно из-за ограниченных размеров, и, кроме того, необходимая мощность охлаждения невелика.

Кроме того, элементы Пельтье применяются для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах. За счёт этого достигается заметное уменьшение теплового шума при длительных экспозициях (например в астрофотографии). Многоступенчатые элементы Пельтье применяются для охлаждения приёмников излучения в инфракрасных сенсорах.

Также элементы Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров, с тем, чтобы стабилизировать длину волны излучения.

В приборах, при низкой мощности охлаждения, элементы Пельтье часто используются как вторая или третья ступень охлаждения. Это позволяет достичь температур на 30 — 40 К ниже, чем с помощью обычных компрессионных охладителей (до −80 для одностадийних холодильников и до −120 для двухстадийных).


Сущность эффекта

Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что при переносе электронов током из одного металла в другой, они ускоряются или замедляются внутренней контакной разностью потенциалов между металлами. В случае ускорения кинетическая энергия электронов увеличивается, а затем выделяется в виде тепла. В обратном случае кинетическая энергия уменьшается, и энергия пополняется за счёт энергии тепловых колебаний атомов второго проводника, таким образом он начинает охлаждаться. При более полном рассмотрении учитывается изменение не только потенциальной, но и полной энергии.

Уже в 20 веке было выясенно, что эффект Пельтье значительно сильнее проявляется при соединении полупроводников разных типов. В зависимости от направления протекания электрического тока через p-n- и n-p- переходы вследствии взаимодействия заряов, представленных электронами (n) и дырками (p), и их рекомбинации, энергия либо поглощается, либо выделяется. В связи с этим полголощается или вылеляется тепло. Объединение большого количества пар полупроводников p- и n-типа позволяет создавать охлаждающие элементы — модули Пельтье сравнительно большой мощности.

Техническая реализация Пельтье эффекта в полупроводниках

Основным технологическим узлом всех термоэлектрических охлаждающих устройств является термоэлектрическая батарея, набранная из последовательно соединенных термоэлементов. Так как металлические проводники обладают слабыми термоэлектрическими свойствами, термоэлементы делаются из полупроводников, причем одна из ветвей термоэлемента должна состоять из чисто дырочного (р-тип), а другая из чисто электронного (n-тип) полупроводника.

Если выбрать такое направление тока, при котором на контактах, расположенных внутри холодильника тепло Пельтье будет поглощаться, а на наружных контактах выделяться в окружающее пространство, то температура внутри холодильника будет понижаться, а пространство вне холодильника нагреваться (что происходит при любой конструкции холодильника).

Современные термоэлектрические охлаждающие устройства обеспечивают снижение температуры от +20С до 200С; их холодопроизводительность, как правило, не более 100 Вт.

Использование эффекта Пельтье — Справочник химика 21

    Термоэлектрическое охлаждение основано на использовании эффекта Пельтье при прохождении постоянного тока через два спая разных металлов (рис. 1У-48) или полупроводников, при противоположной последовательности металлов в спаях в одном из них происходит поглощение тепла Со, а в другом выделение Q. В зависимости от условий конвекции и теплопроводности в спаях возникают температуры [c.369]
    Термоэлектрическое охлаждение основано на использовании эффекта Пельтье при прохождении постоянного тока через два спая разных металлов (рис. 1У-48) или полупроводников, при противоположной последовательности металлов в спаях в одном из них происходит поглощение тепла Ро, а в другом выделение С. В зависимости от условий конвекции и теплопроводности в спаях возникают температуры Го и Г. Металлы, образующие систему, должны иметь разные потенциалы (отсюда и обозначения -1-, —). Соединяются эти металлы медными проводами, что облегчает соединение системы с камерой (охлаждения), а также получение и отдачу тепла (Ро и Р). Такая система удобна для охлаждения. Холодильный к. п. д. установки такого типа несколько ниже, чем компрессионных установок. [c.369]

    Термоэлектрическое охлаждение основано на использовании эффекта Пельтье, сущность которого заключается в выделении или поглощении тепла на контакте двух различных проводников в зависимости от направления электрического тока. При этом роль рабочего тела выполняют электроны в батареях из термоэлементов, для которых применяют полупроводники из сплавов некоторых тяжелых металлов германия, теллура, селена и др. [c.19]

    Использование эффекта Пельтье [c.20]

    Работы акад. А. Ф. Иоффе и его сотрудников показали возможность использования эффекта Пельтье для получения низких температур с помощью полупроводниковых термоэлементов. Институтом полупроводников АН СССР и коллективом специалистов Ленинградского технологического института холодильной промышленности был изготовлен образец холодильного шкафа с полупроводниковыми термоэлементами. Дальнейшие работы показали перспективность этого способа охлаждения [19,20,21,22,23]. [c.20]

    Работы акад. Л. Ф. Иоффе и его сотрудников показали возможность использования эффекта Пельтье для получения низких температур с помощью полупроводниковых термоэлементов. На таких элементах можно достичь охлаждения до минус 60 — минус 80 °С. Метод требует дальнейшего совершенствования. [c.61]

    Охлаждение с помощью эффекта Пельтье. Работы акад. А. Ф Иоффе и его сотрудников показали возможность использования эффекта Пельтье для получения низких температур с помощью полупроводниковых термоэлементов. На таких элементах можно достичь охлаждения до —60 -н —80° С. Метод требует дальнейшего совершенствования. Подробнее см. [А-79, А-95, А-18, А-99, А-63, А-104, А-92 и А-78]. [c.61]

    Общим способом, который, кажется, оказался пригодным для большинства образцов, является сушка, начинающаяся при температуре 190 К и давлении 1—2 нПа с последующим постепенным увеличением температуры до температуры окружающей среды в течение 24—48-часового периода. Конденсатор поддерживается при температуре 77 К- Некоторые аппараты для лиофильной сушки основаны на использовании элемента Пельтье в качестве охлаждающего столика. В этом случае сушка начинается при температуре около 210 К и давлении 1 Па, и для маленьких образцов сушка заканчивается за 24 ч. В аппаратах для лиофильной сушки, работающих на эффекте Пельтье, в качестве наполнителя ловушки для сублимированной воды более удобно использовать фосфорный ангидрид. [c.300]

    Меньшую гласность получили попытки совершенствовать обычные способы преобразования энергии в целях повышения к. п. д., отказавшись от окольных путей. Прямое преобразование энергии не является принципиально новой идеей. Прямое превращение тепловой энергии в электрическую с использованием эффекта Зеебека и частично обратимые процессы охлаждения и нагревания, основанные на эффекте Пельтье, известны уже почти 150 лет. На техническую разработку различных способов прямого преобразования энергии в 1963 г. было выделено свыше 100 млн. долл., причем ведущее место среди этих методов занимает непосредственное преобразование химической энергии в электрическую с помощью топливных Элементов. [c.7]

    Существует ряд других перспективных, но еще недостаточно часто используемых способов 1) основанный на эффекте понижения температуры при взаимном растворении веществ (гелия-3 в сверхтекучем гелии-4) 2) основанный на эффекте Пельтье при пропускании электрического тока через спай соединенных попарно разных полупроводников (р- и п-типов), один из которых охлаждается, а другой нагревается 3) основанный на эффекте Ранка с помощью вихревой трубы, в которой идет расслоение на холодный и горячий потоки 4) с использованием магнитно-калорического эффекта для получения ультранизких температур (при воздействии сильного магнитного поля на парамагнитное вещество с последующим адиабатическим размагничиванием). [c.277]

    Если в процессе разложения вещества выделяется или поглощается большее количество тепла, производится частичная компенсация этой мощности в самом рабочем элементе с помощью эффекта Пельтье. Возможна, разумеется, и полная компенсация тепла, т. е. использование прибора по нулевому методу ( калориметр—интегратор ) без автоматики. [c.133]

    Термоэлектрический эффект. При пропускании электрического тока по цепи, состоящей из двух разных проводников, спаянных друг с другом, один из спаев охлаждается, а другой нагревается (эффект Пельтье). В случае применения вместо обычных металлов полупроводников термоэлектродвижущая сила которых во много раз превышает соответствующие значения для металлов, открывается перспектива использования термоэлектрического охлаждения для получения низких температур. Для этой цели должны быть созданы батареи эффективных термоэлементов, изготовленных, из полупроводников. [c.694]


    На современном уровне техники охлаждение какой-либо среды или тела может быть осуществлено на основе использования ряда принципов и явлений. Для получения охлаждающего действия используются фазовые превращения веществ (плавление, кипение, растворение солей), расширение газообразных веществ, дросселирование (эффект Джоуля-Томсона), вихревой эффект, термоэлектрический эффект (эффект Пельтье), размагничивание твердого тела и другие явления, [c.9]

    Если в цепи направление тока таково, что электроны, обладающие меньшей энергией, отобрав теплоту от окружающих атомов, переносят его в другую часть цепи, то будет происходить охлаждение одного спая и нагрев другого (эффект Пельтье). Таким образом, такая пара проводников может служить холодильным агрегатом, в котором роль рабочего тела выполняет электронный газ, переносящий энергию от холодного спая к горячему. Эффект при обычных термопарных проводниках невелик. Академик А. Ф. Иоффе с сотрудниками показали, что при использовании полупроводниковых охладителей можно получить в десятки раз более высокую эффективность охлаждения. [c.71]

    Любой природный процесс, сопровождающийся поглощением тепла, может быть использован для охлаждения. Практически охлаждающий эффект получают с помощью применения следующих физических процессов рабочих тел фазовых превращений, сопровождающихся поглощением тепла (плавление, парообразование, растворение соли) десорбции газов, расширения сжатого газа (с получением внешней работы) дросселирования (эффект Джоуля-Томсона) вихревого эффекта-, размагничивания твердого тела (магнитно-калорический эффект) термоэлектрического эффекта (эффект Пельтье). [c.5]

    В принципе такое устройство можно реализовать, если выставить открытый холодильник в открытое окно (эффект, правда, будет минимальный). Тепловые насосы вследствие их чрезвычайно большого к. п. д. представлянэт принципиальный интерес для целей отопления. Из уравнения (5.8) следует, что, например, при Ti = = 289° К и T a = 273° К 18-кратное количество потребляемой электрической энергии (в (Идеальном случае) переходит в теплоту. Реализация тепловых машин вследствие высокой себестоимости и эксплуатационных расходов до сих пор не осуществлена, однако применение маленьких агрегатов уже в настоящее время может оказаться экономически целесообразным . В связи с этим представляет особый интерес использование эффекта Пельтье в полупроводниках. [c.31]

    Для практического использования эффекта Пельтье необходимо создать термоэлектродвижущую силу Е > 200 У/град. Для среднего домашнего шкафа производительностью 50 ккал час потребуется, например, =480 Vlepad. Обычные металлы в этом случае мало пригодны. [c.9]

    Низкотемпературные установки подразделяются также по принципу действия (в зависимости от используемых методов получения низких температур). Среди этих Методов различают дросселиравание, расширение газа с отдачей работы, охлаждение вспомогательными хладагентами, абсорбционное охлаждение. Понижение температуры может быть достигнуто также путем вакуумирования ожиженного газа, адиабатного размагничивания, использования эффекта Пельтье. [c.6]

    В течение последнего дес5ггилетия среднегодовой прирост мирового производства термоэлектрических охлаждающих модулей составляет 15-25 %. Столь высокие и устойчивые темпы роста свойственны разве что таким высокотехнологичным продуктам, как компьютерная техника и программное обеспечение. Несмотря на то, что со времени открытия эффекта термоэлектрического охлаждения (эффекта Пельтье) прошло около 170 лет, его практическое использование стало возможным лишь в последние десятилетия. [c.117]

    ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ — металлоподобные и полупроводниковые материалы с оптимизированным комплексом электр. и тепловых свойств. Комплекс этих св-в обеспечивает высокую эффективность прямого преобразования тепловой энергии в электрическую при использовании явления Зеебека или значительный охлаждающий эффект при использовании явления Пельтье. Естественные и искусствеппые Т. м., входившие в т. п. термоэлектрический ряд Зеебека, были исследованы и использовались для первых опытов почти одновременно с открытием термоэлектрических эффектов в первой половине 19 в. Некоторые из них (висмут, константен, силав цинк — сурьма, сернистый свинец) применялись и в первых полупромышленных термоэлектрических агрегатах в 30— 40-х гг. 20 в. Новый этап развития термоэлектрической энергетики, на- чавшийся в конце 40-х гг., привел к созданию качественно новых искусственных Т. м. на оспове металдо-подобпых соединений и полупроводниковых материалов. Физ. основой создания нового класса Т. м. явилась идея о резком увеличении отношения подвижности носителей тока к теплопроводности кристаллической решетки при образовании систем и областей твердых растворов. Все Т. м. [c.553]

    Термоэлектрические тепловые насосы. Непосредственное использование электри-яеско1 1 энергии для переноса тепла с низкого уровня на более высокий возможно при помощи так называемого эффекта Пельтье [17]. [c.435]

    Единственным практическим применением термоэлектричества при низких температурах в настоящее время являются термопары для измерения низких температур. Существует мнение, что эффект Пельтье может быть использован и для получения холода, однако до настоящего времени еще не создана холодильная установка, работающая по этому принципу ). Приводимые нами данные относятся к некоторым металлам и сплавам, которые могут быть использованы для термопар при низких температурах. Термо-э.д.с. этих металлов и сплавов были подробно исследованы в интервале температур 4—300° К- Банч, Пауэлл и Корруччини [46] проделали измерение термо-э.д.с. 1) сплава золота с 2,11 ат.% Со 2) серебра с 0,37 ат.% Аи и 3) константановой проволоки для термопар. В этих измерениях, проделанных при 4— 300° К, в качестве второго элемента термопары была использована холоднотянутая проволока из электролитической меди. [c.388]


Эффект Пельтье — электричество может вырабатывать лед

В 1834 году французский часовщик и естествоиспытатель Жан-Шарль Пельтье во время своих опытов поместил каплю воды между электродами из висмута и сурьмы, а затем пропустил по цепи электрический ток. К своему изумлению, он увидел, что капля неожиданно замерзла.

О тепловом действии электрического тока на проводники было известно, а вот обратный эффект был сродни магии. Можно понять чувства Пельтье: это явление на стыке двух разных областей физики – термодинамики и электричества вызывает ощущение чуда и сегодня.

Как это работает со слов физиков: Причина возникновения явления Пельтье заключается в следующем. На контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создаёт внутреннее контактное поле. Если через контакт протекает электрический ток, то это поле будет либо способствовать прохождению тока, либо препятствовать. Если ток идёт против контактного поля, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приведёт к его нагреву. Если же ток идёт по направлению контактного поля, то он может поддерживаться этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества, что приводит к охлаждению его в месте контакта.

Со временем про данный эффект забыли, поскольку не смогли найти ему практическое применение и вспомнили о нем только через полтора столетия спустя во время развития электроники. На данный момент элементы Пельтье с успехом внедряются во многие сферы деятельности:

Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур, или энергетическая эффективность охладителя не важна. Например, элементы Пельтье применяются в ПЦР-амплификаторах, маленьких автомобильных холодильниках, так как применение компрессора в этом случае невозможно из-за ограниченных размеров, и, кроме того, необходимая мощность охлаждения невелика.

Кроме того, элементы Пельтье применяются для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах. За счёт этого достигается заметное уменьшение теплового шума при длительных экспозициях (например в астрофотографии).

Многоступенчатые элементы Пельтье применяются для охлаждения приёмников излучения в инфракрасных сенсорах.

Также элементы Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров с тем, чтобы стабилизировать длину волны излучения.

В приборах, при низкой мощности охлаждения, элементы Пельтье часто используются как вторая или третья ступень охлаждения. Это позволяет достичь температур на 30—40 К ниже, чем с помощью обычных компрессионных охладителей (до −80 для одностадийних холодильников и до −120 для двухстадийных).

«Электрогенератор Пельтье» — модуль для генерации электричества, термоэлектрический генераторный модуль аббревиатура GM, ТGM. Данный термогенератор состоит из двух основных частей: это непосредственно преобразователь разницы температур в электричество на модуле Пельтье.

Z-MAX|Эффект Пельтье (принцип электронного охлаждения)

Термоэлектрический модуль (модуль Пельтье) называют также [1] термоэлектрический преобразователь, [2] термоэлектрический элемент, [3] полупроводниковый элемент, [4] элемент Пельтье, [5] термомодуль и[6] TEC.

Что такое эффект Пельтье

 Элемент Пельтье ? это полупроводниковый прибор, который может с помощью постоянного тока выполнять охлаждение, нагрев и температурный контроль. При пропускании постоянного тока, такой элемент может выполнять следующие функции.

Между сторонами элемента создается разница температур.

На холодной стороне тепло поглощается, а на горячей ? испускается; то есть, тепло перекачивается с холодной стороны на горячую, и элемент работает как тепловой насос.

Для изменения направления перекачки достаточно поменять полярность тока, а путем изменения силы подаваемого тока можно регулировать количество перекачиваемого тепла.

Таким образом можно просто осуществлять охлаждение, нагрев и температурный контроль.

Эволюция элемента Пельтье

 Эффект Пельтье был открыт 170 лет назад (в 1834 г.), а его теоретическое обоснование было дано в начале 1900-х гг.; однако из-за использования металлов в качестве материалов эффективность теплообмена была низкой, и это открытие не нашло практического применения. Термоэлектрическое охлаждение стало использоваться в 1960-х гг. с разработкой полупроводниковых материалов, что позволило создать термоэлектрические элементы с высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью.

Преимущества термоэлектрического охлаждения

 По сравнению с обычным циклом охлаждения с использованием компрессора и хладагента (фреон и т. д.), термоэлектрическое охлаждение обладает следующими преимуществами.

1.

Поскольку не используется фреон и другие хладагенты, не оказывается отрицательного воздействия на окружающую среду.

2.

Малые размеры и вес.

3.

Свободный выбор формы.

4.

В зависимости от полярности тока, можно выполнять не только охлаждение, но и нагрев.

5.

Наличие функций охлаждения и нагрева позволяет выполнять температурный контроль в области комнатной температуры.

6.

Высокая чувствительность к температуре (возможность быстрого охлаждения или нагрева).

7.

Поскольку нет подвижных частей, отсутствуют вибрации и шум.

8.

Отсутствие изнашивающихся механических частей обеспечивает максимальную долговечность и надежность в качестве охладителя.

9.

Удобство в обращении благодаря наличию только одного электрического кабеля.

10.

Простота обслуживания ввиду отсутствия опасности утечки газообразного хладагента, агрессивных жидкостей и т. д.

Эффект Пельтье — обзор

1.

Объясните возникновение эффектов Зеебека, Пельтье и Томсона в неоднородных проводниках, используя инструменты феноменологической линейной термодинамики. Каков физический смысл параметров, определяющих величину этих эффектов?

2.

Объясните движение ионов через мембрану под действием приложенного к ней электрического потенциала, используя инструменты линейной термодинамики.

3.

Выведите уравнение для феноменологического описания активного транспорта вещества через мембрану (раздел 2.3.2) для случая сопряженного переноса вещества через мембрану и химических процессов, далеких от равновесия (т. Е. При | A rij |> RT).

4.

Какие свойства присущи обратным коэффициентам Онзагера? Что можно сказать о значениях обратных коэффициентов Онзагера, учитывающих взаимосвязь диффузии и ступенчатых химических превращений?

5.

Что можно сказать о значениях обратных коэффициентов Онзагера, учитывающих взаимосвязь теплопроводности и ступенчатых химических превращений? В чем разница между коэффициентами «классического» и «модифицированного» коэффициентов Онзагера?

6.

Напишите феноменологические уравнения Хориути-Борескова-Онзагера для трех параллельных взаимодействующих ступенчатых реакций

A ⇄ B

A ⇄ C

006 A D,

через мономолекулярные превращения промежуточных продуктов.Объясните значение всех значений в выражении и запишите отношения между ними. Какими будут уравнения, если концентрация компонента D стационарна?
7.

Найдите коэффициенты взаимности Λ ij для случая стационарной скорости параллельных ступенчатых реакций, описываемых схемами:

Стационарное состояние устанавливается относительно промежуточных продуктов, обозначенных как Y i .

Найдите выражение для уравнений Хориути-Борескова-Онзагера, описывающее взаимное влияние данных ступенчатых реакций в присутствии диффузии химических компонентов.Коэффициент диффузии одинаков для всех компонентов.

8.

Ступенчатая реакция R + A 1 ⇄ P 1 сопровождается параллельной ступенчатой ​​реакцией R + A 2 ⇄ P 2 . Найти коэффициенты взаимности Λ ij для случая взаимного влияния этих ступенчатых реакций, протекающих в стационарном режиме, по отношению к их промежуточным продуктам. Реакции следуют механизму

R X,

A 1 + X ⇄ P 1 ,

R ⇄ Y 1 ⇄ Y 2 ⇄ Y 3 ⇄ Y 4 ⇄ Y 5 ,

Y 4 + A 2 ⇄ P 2 ,

, где X и Y i — промежуточные.Каковы ожидаемые условия потребления побочного продукта P 2 вместо его образования?
9.

Найти коэффициенты Λ ij для стационарного режима прямоточных ступенчатых реакций, достигаемых механизмом с интермедиатами X i и Y j :

R 1 ⇄ X 1 ⇄ → X 2 ⇄ X 3 ⇄ → X 4 ,

X 2 + R 2 ⇄ Y 1 ⇄ Y 2 ⇄ Y 3 ⇄ Y 4 ⇄ Y 5 ,

Y 2 ⇄ P 1 ,

Y 2 ⇄ P 2 .

10.

Биотехнологический синтез фермента AHD 80 осуществляется хорошо клонированным штаммом микроорганизмов в ходе процессов, сопряженных с реакцией ассимиляции глюкозы, химическое сродство реакции 42 кДж. / моль. Оцените требуемую скорость ассимиляции глюкозы в закрытом ферментере при 37 ° C, если скорость снижения энтропии из-за реакции синтеза фермента составляет 8 кДж / ч · K в ферментере.

11.

В гомогенной реакционной системе параллельные ступенчатые реакции

A 1 + A 2 ⇄ B 1

A 1 + A 2 ⇄ B 2

перейти в стационарный режим через механизм

A 1 ⇄ Y 1 ⇄ Y 2 ⇄ Y 3 ⇄ Y 4 ,

Y 3 + A 2 ⇄ Y 5 ⇄ B 1 ,

Y 4 + A 2 ⇄ B 2 ,

где Y и являются промежуточными продуктами.

Найдите выражение для модифицированных уравнений Онзагера, описывающее взаимное влияние данных ступенчатых реакций при наличии диффузии химических компонентов, порождаемой неоднородностью системы. Коэффициент диффузии одинаков для всех компонентов.

12.

Почему теорема Пригожина о скорости производства энтропии важна для области химии и каковы условия ее применимости?

13.

Превращение исходных компонентов R i в продукт P следует по схеме

Выразите взаимосвязь между химическими потенциалами и концентрациями промежуточных продуктов реакции A i в стационарном режиме процесса. Напишите выражение для скорости производства энтропии. Сформулируйте теорему Пригожина о скорости производства энтропии в стационарном состоянии для данной системы. Насколько применима эта теорема для данной системы при температуре 1200 К, если сродство ступенчатой ​​реакции R 1 + R 2 ← P равно 2 кДж / моль? 50 кДж / моль?

14.

Преобразование исходного компонента R в продукт P происходит по схеме R + A 1 ⇄ 2 A 1

Здесь A i — промежуточные продукты. Покажите взаимосвязь между химическими потенциалами и концентрациями промежуточных продуктов реакции в стационарном режиме процесса. Напишите выражение для скорости производства энтропии. Сформулируйте теорему Пригожина о скорости производства энтропии в стационарном состоянии для данной системы.Насколько эта теорема применима для данной системы при температуре 500 К, если сродство ступенчатой ​​реакции R → P равно 2 кДж / моль? 50 кДж / моль?

15.

Преобразование исходного компонента R в продукт P происходит по схеме

R ⇄ A 1 ⇄ A 2 ⇄ A 3 ⇄ P,

A 1 + 2 S ⇄ 2A 4 ⇄ A 2 + 2 S A 5 .

Здесь A и — промежуточные соединения, а S — молекула растворителя.Покажите взаимосвязь между химическими потенциалами и концентрациями промежуточных продуктов реакции S и в стационарном режиме процесса. Напишите выражение для скорости производства энтропии. Сформулируйте теорему Пригожина о скорости производства энтропии в стационарном состоянии для данной системы. Насколько применима эта теорема для данной системы при температуре 300 К, если сродство ступенчатой ​​реакции R ← P равно 2 кДж / моль? 30 кДж / моль?

Эффект Пельтье и термоэлектрическое охлаждение


Эффект Пельтье это явление, которое потенциально разница применяется через термопара вызывает температуру разница между стыками разных материалы в термопаре.

Этот эффект противоположен Эффект Зеебека (назван в честь ученого, открывшего его в 1821 году). В Эффект Зеебека заключается в том, что если разные металлы соединены в двух отдельные места, а перекрестки хранятся в разных температуры, то разность потенциалов между «спаями» ( перекрестки).

Позже, в 1834 году, Жан Пельтье обнаружил, что противоположность Зеебека эффект также верен: что разность потенциалов (и, следовательно, ток) может вызвать перепад температур, независимо от окружающей среды. температура есть.

Так как горячий спай можно разместить вне утепленная область, а холодный спай может быть размещен внутри области, Пельтье эффект можно использовать для охлаждения области (или объекта).

Элементы Пельтье (термоэлектрические охладителей)

Метод термоэлектрического охлаждение (с использованием эффекта Пельтье) полезен, потому что он может охладить объект без каких-либо движущихся частей или другого сложного оборудования, которое изолирует прохладнее из окружающей среды.Устройства, которые построенные, чтобы воспользоваться этим явлением, известны как Пельтье. элементы, или термоэлектрические кулеры (ТИК). Основные идеи из простых Элементы Пельтье можно соединять последовательно, чтобы получить гораздо больше сложный Пельтье модули (также известные как практические ТИК), которые обладают большей охлаждающей способностью. Тем не менее величайший разница температур между радиатором и прохладной областью для Устройство Пельтье имеет температуру порядка 50 ° C.
Общие области применения элементов Пелье включают: охлаждение компонентов компьютера, особенно процессора.

Наиболее распространенное сочетание материалов в термопарах Элементами Пельтье (ТЕС) являются два полупроводника висмут и Теллурид. Как правило, TEC состоит из кубиков или гранул. сделал полупроводников, каждый из которых контактирует с радиаторами на горячей и холодной стороне элемента Пельтье. Эти кубики находятся «легированный» — то есть добавляются дополнительные примеси, так что там лишние или меньшее количество свободных электронов в каждом кубе. В полупроводник кубы с лишними свободными электронами (и поэтому несут в основном отрицательный заряд) известны как полупроводники N-типа, а те, у которых мало свободных электронов (и несут в основном положительный заряд) являются полупроводниками P-типа.В пары полупроводниковых кубиков P и N устанавливаются и соединяются в массив так, чтобы пары имели электрическое последовательное соединение, но тепловое параллельное соединение. Когда ток подается на это система (TEC), как ток течет через полупроводники вызывает разность температур и приводит к тому, что сторона радиатора Элемент Пельтье для нагрева, а холодная сторона — для охлаждения (или охлаждения). все, что находится в тепловом контакте с этой стороной).



An вид ТЕС изнутри (элемент Пельтье).
p6.gif>


Элемент Пельтье, с керамические пластины для частичной изоляции
внутрь из внешней среды.

Сторона радиатора TEC становится очень горячо, поэтому необходимо иметь вентилятор и / или какой-то радиатор, чтобы рассеять это нагревать.В противном случае весь ТЭО начнет нагреваться, и шт слились бы вместе.
«Нормальные» элементы Пельтье примерно несколько сантиметров толщиной и сторона в несколько миллиметров или сантиметров. Чтобы получить больше охлаждение способностей, отдельные элементы соединяются в стеки, или они могут быть подключенным в некоторой комбинации последовательного и параллельного электрического соединения.


Модуль Пельтье с Вентилятор и радиатор
отводят тепло от радиатора.
p6.gif>



.
S H Цена 26 марта 2007 Веб-проект Physics 212

Что такое эффект Зеебека и эффект Пельтье? »Science ABC

Эффект Зеебека и эффект Пельтье — два основных принципа, которые определяют работу термоэлектрических генераторов.

Эффект Зеебека и эффект Пельтье могут быть классифицированы под термином термоэлектрический эффект . Любой термоэлектрический эффект предполагает преобразование разницы температур в разность напряжений. Эффекты Зеебека и Пельтье — это разные проявления одного и того же физического процесса. В некоторых случаях они связаны и известны как эффект Зеебека-Пельтье . Причина, по которой эти два эффекта разделены, связана с их независимыми открытиями двумя разными людьми.Давайте сначала подробно рассмотрим, что такое эффект Зеебека.

Что такое эффект Зеебека?

Эффект Зеебека был открыт балтийским немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Эффект Зеебека — это явление, при котором разница температур между двумя разнородными электрическими проводниками или полупроводниками создает разницу напряжений между этими двумя веществами.

Когда тепло применяется к одному из двух проводников или полупроводников, электроны возбуждаются из-за тепла.Поскольку нагревается только одна из двух сторон, электроны начинают двигаться к более холодной стороне двух проводников. Если оба проводника соединены в виде цепи, по цепи протекает постоянный ток.

Напряжения, создаваемые эффектом Зеебека, очень малы. Диапазон создаваемого напряжения обычно составляет порядка нескольких микровольт (одна миллионная вольта) на один градус Кельвина разницы температур на переходе. Если разница температур достаточно велика, некоторые устройства могут продолжать вырабатывать несколько милливольт (что составляет одну тысячную вольта).

Несколько таких устройств могут быть подключены параллельно для увеличения максимального передаваемого тока. Было показано, что такие устройства обеспечивают маломасштабный уровень электрической мощности, если поддерживается большая разница температур на стыках.

Демонстрация эффекта обратной связи

Эффект Зеебека может помочь нам рассчитать электродвижущее поле, создаваемое устройством. Это можно сделать с помощью коэффициента Зеебека. Коэффициент Зеебека материала — это мера величины повышенного термоэлектрического напряжения в ответ на разницу температур в данном материале.Используя электродвижущую силу, мы также можем рассчитать плотность тока термоэлектрического материала. Соответствующие уравнения для этого следующие:

Eemf = -S∆T

J = σ (-∆V + Eemf)

Здесь J означает плотность тока, а σ означает локальную проводимость дирижера.

Что такое эффект Пельтье?

Эффект Пельтье был назван в честь французского физика Жана Шарля Атанаса Пельтье, который открыл это явление в 1834 году.Эффект Пельтье — это наличие нагрева или охлаждения на электрифицированном стыке двух разных проводников. Когда ток проходит через соединение между двумя проводниками, в месте соединения может добавляться или отводиться тепло.

Демонстрация эффекта Пельтье

Тепло Пельтье, генерируемое на стыке в единицу времени, — это где ∏A и ∏B — коэффициенты Пельтье.

Q = (∏A — ∏ B) I

Здесь A и B обозначают два конца проводников, а I — электрический ток.Коэффициенты Пельтье показывают, сколько тепла переносится на единицу заряда. Поскольку заряд должен быть непрерывным через соединение, связанный с ним тепловой поток будет прерывистым, если ∏A и ∏B различны.

Эффект Пельтье можно рассматривать как обратный аналог эффекта Зеебека: если простая термоэлектрическая цепь замкнута, то эффект Зеебека будет управлять током, который, в свою очередь (за счет эффекта Пельтье), всегда будет передавать тепло от горячий спай к холодному спайу.

Статьи по теме

Статьи по теме

Типичный тепловой насос Пельтье включает в себя несколько последовательно соединенных переходов, через которые проходит ток. Некоторые переходы теряют тепло из-за эффекта Пельтье, а другие нагреваются. Это явление используется в термоэлектрических тепловых насосах, а также в термоэлектрических охлаждающих устройствах в холодильниках.

Объяснение плюсов, минусов и приложений эффекта Пельтье

Эффект Пельтье — важное явление при изучении термоэлектрического охлаждения и нагрева.Для лучшего понимания щелкните здесь, чтобы получить краткое объяснение эффекта Пельтье.

Знаете ли вы?

Эффект Пельтье не имел никакого практического значения в течение почти 100 лет, пока устройства из разнородных металлов не были заменены полупроводниками, способными создавать гораздо больший температурный градиент

Хотите написать нам? Что ж, мы ищем хороших писателей, которые хотят распространять информацию. Свяжитесь с нами, и мы поговорим …

Давайте работать вместе!

В 1821 году немецкий ученый Томас Зеебек провел несколько экспериментов с электричеством.Он обнаружил, что электрический ток будет течь по цепи, состоящей из двух разнородных проводников, при условии, что стыки, в которых соединяются эти проводники, поддерживаются при разных температурах. Однако Сибак не смог объяснить настоящую научную причину этого явления и ошибочно пришел к выводу, что протекающее тепло производит тот же эффект, что и протекающее электричество.

Позже, в 1834 году, Жан Пельтье, французский часовщик и физик по совместительству, анализируя эффект Зеебака, заметил, что тепло может поглощаться на одном стыке разнородных металлов и разряжаться на другом стыке той же цепи.Спустя двадцать лет после этого Уильям Томсон (лорд Кельвин) смог с научной точки зрения объяснить оба эффекта, эффект Зеебека и Пельтье, и доказать связь между ними.

Однако, как это ни было интересно, в то время это явление считалось не более чем лабораторным экспериментом. Затем, в 1930 году, когда российские ученые начали заново исследовать более ранние работы по термоэлектрическому эффекту, мировой интерес к этому явлению снова пробудился, что привело к разработке практических термоэлектрических устройств.

Эффект Пельтье называется обратным эффекту Зеебэка. Поэтому, чтобы понять, как работает эффект Пельтье, давайте сначала рассмотрим эффект Seeback.

Эффект Сибэка

Эффект Зеебака — это явление, при котором температурный градиент, возникающий между двумя переходами, образованными двумя разнородными электрическими проводниками или полупроводниками, вызывает возникновение разности потенциалов между ними. Эта разность потенциалов позволяет электрическому току течь по цепи.Таким образом, эффект Зеебэка утверждает, что температурный градиент заставит электрический ток течь через цепь.

Математически, если (T1 — T2) представляет собой разность температур между двумя соединениями разнородных металлов, то, согласно эффекту Зеебека, это будет производить электродвижущую силу (напряжение), определяемую следующим образом:

E = α (Т1 — Т2)

Примечание : α — это дифференциальный коэффициент Зеебека или (коэффициент термоэлектрической мощности) между двумя проводниками / полупроводниками.Положительно, когда направление электрического тока совпадает с направлением теплового тока.

Эффект Пельтье

Хотите написать нам? Что ж, мы ищем хороших писателей, которые хотят распространять информацию. Свяжитесь с нами, и мы поговорим …

Давайте работать вместе!

Эффект Пельтье гласит, что, когда электрический ток течет через цепь, содержащую разнородные проводники, тепловая энергия поглощается одним переходом и разряжается на другом, делая первый более холодным, а второй — более горячим.Таким образом, в результате протекающего тока возникает тепловой градиент, что делает эффект Пельтье обратным эффекту Зеебака.

Эффект Пельтье

Если QC — это скорость охлаждения в ваттах, а QH — скорость нагрева в ваттах, I — это ток, протекающий через замкнутый контур.

QC или QC = β x I

Примечание : β — это дифференциальный коэффициент Пельтье между двумя материалами A и B в вольтах.

Эффект Пельтье можно проверить экспериментально, используя следующую установку:

Как показано, два куска медного провода подключены к двум клеммам батареи.Затем эти две части соединяются между собой с помощью висмутовой проволоки, что завершает настройку.

Было замечено, что когда цепь замкнута, как описано выше, возникает температурный градиент, предсказанный эффектом Пельтье. В переходе, где ток проходит от меди к висмуту, температура повышается, а в переходе, где ток проходит от висмута к меди, температура падает.

Как работает эффект Пельтье?

Эффект Пельтье возникает из-за того, что средняя энергия электронов, участвующих в передаче электрического тока, различна для разных проводников.Это зависит от нескольких факторов, включая энергетический спектр электронов, их концентрацию в проводнике и их рассеяние под действием приложенного напряжения.

На стыке двух разнородных проводников электроны переходят от одного проводника к другому. В зависимости от направления потока электрического заряда эти электроны либо передают свою избыточную энергию окружающим атомам, либо поглощают энергию от них. Таким образом, в первом случае тепло рассеивается, а во втором — поглощается.

Недостатки

Основным недостатком эффекта Пельтье является его неэффективность. Сам протекающий ток имеет тенденцию генерировать значительное количество тепла, которое добавляется к общему тепловыделению. В больших приложениях это приводит к чрезмерному нагреву, о котором необходимо позаботиться. Как правило, для решения этой проблемы необходимо использовать дополнительные вентиляторы.

Этот эффект также потребляет много электроэнергии, что может сделать его использование в крупномасштабных приложениях очень дорогим.

Слишком сильное охлаждение компонентов устройств Пельтье может привести к конденсации влаги, что может вызвать короткое замыкание.

Преимущества

Основное преимущество эффекта Пельтье состоит в том, что он позволяет нам создавать охлаждающие / нагревательные устройства, не имеющие движущихся частей, и, следовательно, с гораздо меньшей вероятностью выхода из строя по сравнению с обычными охладителями и нагревателями. Также они практически не требуют обслуживания.

Устройства

Пельтье работают бесшумно и теоретически могут достигать низких температур до -80 ° C (-176 ° F).

Эффект Пельтье можно эффективно использовать на микроскопическом уровне, где обычные методы охлаждения не работают.

Применение эффекта Пельтье

Эффект Пельтье используется для создания устройств Пельтье. Это твердотельные устройства, которые используют этот эффект для охлаждения или нагрева. Обычно используемые устройства включают нагреватель Пельтье, тепловой насос, охладитель и твердотельный холодильник.

Когда через устройство Пельтье протекает постоянный ток, тепло проходит от одной стороны устройства к другой, позволяя ему действовать как нагреватель или охладитель.Все устройства Пельтье работают таким образом, передавая тепло от одной стороны устройства к другой против температурного градиента с помощью электрического тока.

Ниже приведены несколько вариантов использования устройств Пельтье:

Отбор воды : Эффект Пельтье используется в осушителях для удаления воды из воздуха.

Синтез ДНК : Термоциклер использует этот эффект для процесса синтеза ДНК.

Космические аппараты : Эффект Пельтье используется в космических аппаратах для уравновешивания воздействия солнечного света на обе стороны аппарата.Он помогает рассеивать тепло, вызванное прямым солнечным светом с одной стороны космического корабля, на другую сторону, которая не получает солнечного света, и поэтому намного прохладнее.

Термоэлектрики и эффект Пельтье

Эффект Пельтье относится к термоэлектрикам (электричество, генерируемое за счет производства и существования тепла) и описывается как когда электрический ток течет по цепи, в которой есть два разных типа полупроводников (вещество, которое может проводить электричество при определенных условиях) и в результате возникает эффект нагрева или охлаждения.Обнаружено, что это заметно в месте соединения двух проводников. Один спай испытывает охлаждающий эффект, а другой — нагревательный. Изменение температуры известно как эффект Пельтье.

Использование и применение эффекта Пельтье

Эффект Пельтье из-за использования полупроводников может вызывать эффект нагрева или охлаждения. Этот конечный результат использования полупроводников может быть применен к инновационной технологии охлаждения.Ярким примером инновационной технологии охлаждения являются термоэлектрический охладитель и термоэлектрический холодильник. Долой старое и вовлекайся в новое! Термоэлектрические охладители и термоэлектрические холодильники заменяют потребность и использование громкого и громоздкого охлаждения на основе компрессора. Термоэлектрики в сфере охлаждения и охлаждения обеспечивают снижение шума и требуют прекращения выделения ядовитых паров (таких как хлорфторуглероды, такие как фреон). Охладители Пельтье обладают множеством преимуществ, таких как длительный срок службы, отсутствие движущихся частей, по которым циркулирует жидкость, неуязвимость к утечкам и компактная форма.

Фононика и эффект Пельтье

Phononic стремится сделать мир более прохладным. Phononic делает это за счет производства и изготовления своей технологии охлаждения без компрессора и с использованием полупроводников. Phononic использует эффект Пельтье за ​​счет использования полупроводников для получения конечного результата, который охлаждает содержимое их продуктов (например, холодильников). Phononic использует полупроводники для производства холодильников и морозильников. Помимо использования термоэлектрических компонентов для охлаждения оптоэлектронных устройств.

Что такое эффект Пельтье?

Термоэлектричество — это электричество, производимое непосредственно из тепла. Производство электричества из тепла называется эффектом Зеебека в честь немецкого физика Томаса Дж. Зеебека, открывшего это явление в 1820-х годах.

Термоэлектричество возникает в электрической цепи, в которой два разнородных проводника или полупроводника соединены своими концами. Когда один из переходов имеет другую температуру, чем другой, в цепи будет течь постоянный электрический ток.Для данной термоэлектрической цепи, работающей в заданном диапазоне температур, величина тока зависит главным образом от разницы температур между двумя переходами; как правило, чем больше разница температур, тем больше ток.

Эффект Зеебека можно обратить; то есть, когда постоянный ток проходит через цепь, в которой два разнородных проводника или полупроводника соединены своими концами, на одном из переходов будет происходить нагрев, а на другом — охлаждение.Этот термоэлектрический эффект называется эффектом Пельтье в честь французского физика Жана К. А. Пельтье , который открыл его в 1830-х годах. Разработаны малогабаритные обогреватели и холодильники, работа которых основана на этом эффекте.

Эффект Пельтье (слева) Эффект Зеебека (справа)

Теория

Для объяснения эффекта Зеебека требуется понимание поведения электронов внутри металла. Не все электроны внутри металла связаны с определенными атомами; некоторые могут свободно передвигаться.Эти свободные электроны ведут себя как газ. Плотность «свободных» электронов (количество в единице объема) различается от металла к металлу. Следовательно, когда два разных металла соприкасаются, их электронные газы диффундируют друг в друга. Из-за разной плотности электронных газов и из-за того, что электроны несут электрический заряд, металлы на стыке становятся противоположно заряженными. Эта разница в заряде создает разность потенциалов на переходе. Степень диффузии «электронных газов» зависит от температуры.Если два перехода находятся при разных температурах, между переходами будет существовать разность потенциалов и будет течь ток.

Особенно точная, экологически чистая, энергосберегающая система нагрева и охлаждения с технологией Пельтье используется в инкубаторе Cooled Memmert IPP , камере постоянного климата HPP и камере хранения IPS . Нагрев и охлаждение в одной системе: если напряжение подается на элемент Пельтье, одна сторона охлаждается, а противоположная сторона одновременно нагревается.Просто изменив полярность напряжения питания, можно поменять местами горячую и холодную стороны элемента Пельтье.

Технология Пельтье работает особенно экономично и экономно при температурах, близких к температуре окружающей среды, поскольку энергия требуется только в том случае, если требуется нагрев или охлаждение, в отличие от компрессорной техники. Здесь можно выполнить очень точную настройку функций нагрева или охлаждения.

В режиме обогрева, как и в тепловом насосе, тепловая энергия удаляется из окружающего воздуха и вводится во внутреннюю камеру.Из-за закрытой системы охлаждения Пельтье наружный воздух не обменивается. Преимущества: Отсутствие осушения внутренней камеры и значительное снижение риска загрязнения.

Охлаждение с помощью элемента Пельтье в охлаждаемом инкубаторе IPP, камере постоянного климата HPP и камере хранения IPS.

Принцип теплового насоса в режиме нагрева охлаждаемого инкубатора IPP, камеры постоянного климата HPP и камеры хранения IPS.

Для получения дополнительной информации о полном ассортименте Memmert Ovens , Incubators и Climate Chambers , пожалуйста, заполните контактную форму ниже.

Введение в термоэлектрическое охлаждение — термоэлектрическое

1.0 Введение в термоэлектрическое охлаждение

1.1 Термоэлектрический (ТЭ) охладитель, иногда называемый термоэлектрическим модулем или охладителем Пельтье, представляет собой электронный компонент на основе полупроводников, который функционирует как небольшой тепловой насос. При подаче низковольтного источника питания постоянного тока на ТЕ-модуль тепло будет перемещаться через модуль от одной стороны к другой. Таким образом, одна поверхность модуля будет охлаждаться, в то время как противоположная сторона одновременно нагревается.Важно отметить, что это явление можно обратить вспять, когда изменение полярности (плюс и минус) приложенного напряжения постоянного тока приведет к перемещению тепла в противоположном направлении. Следовательно, термоэлектрический модуль может использоваться как для нагрева, так и для охлаждения, что делает его очень подходящим для приложений точного контроля температуры.

1.1.1 Чтобы дать новому пользователю общее представление о возможностях термоэлектрического охладителя, было бы полезно предложить этот пример.Если типичный одноступенчатый термоэлектрический модуль был помещен на радиатор, который поддерживался при комнатной температуре, а затем модуль был подключен к подходящей батарее или другому источнику постоянного тока, «холодная» сторона модуля остыла бы примерно до — 40 ° С. В этот момент модуль почти не будет перекачивать тепло и достигнет своего максимального номинального значения «DeltaT (DT)». Если постепенно подводить тепло к холодной стороне модуля, температура холодной стороны будет постепенно увеличиваться, пока в конечном итоге не сравняется с температурой радиатора.К этому моменту охладитель TE достиг бы максимальной номинальной «тепловой насосной мощности» (Qmax).

1,2 Как термоэлектрические охладители, так и механические холодильники подчиняются одним и тем же фундаментальным законам термодинамики, и обе холодильные системы, хотя и значительно различаются по форме, функционируют в соответствии с одними и теми же принципами.

В механической холодильной установке компрессор повышает давление жидкости и обеспечивает циркуляцию хладагента по системе.В испарителе или «морозильной камере» хладагент закипает, и в процессе превращения в пар хладагент поглощает тепло, в результате чего морозильная камера становится холодной. Тепло, поглощаемое в морозильной камере, перемещается в конденсатор, где оно передается в окружающую среду от конденсирующегося хладагента. В термоэлектрической системе охлаждения легированный полупроводниковый материал по существу заменяет жидкий хладагент, конденсатор заменяется оребренным радиатором, а компрессор заменяется источником питания постоянного тока.Приложение мощности постоянного тока к термоэлектрическому модулю заставляет электроны перемещаться через полупроводниковый материал. На холодном конце (или «стороне замораживания») полупроводникового материала тепло поглощается движением электронов, проходит через материал и отводится на горячем конце. Поскольку горячий конец материала физически прикреплен к радиатору, тепло передается от материала к радиатору, а затем, в свою очередь, передается в окружающую среду.

1,3 Физические принципы, на которых основаны современные термоэлектрические охладители, на самом деле восходят к началу 1800-х годов, хотя коммерческие TE-модули не были доступны почти до 1960 года.Первое важное открытие, касающееся термоэлектричества, произошло в 1821 году, когда немецкий ученый Томас Зеебек обнаружил, что электрический ток будет непрерывно течь по замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных металлов, при условии, что соединения металлов поддерживаются при двух разных температурах. Однако Зеебек на самом деле не понимал научной основы своего открытия и ошибочно предполагал, что текущее тепло производит тот же эффект, что и электрический ток. В 1834 году французский часовщик и физик, работающий по совместительству, Жан Пельтье, исследуя «эффект Зеебека», обнаружил противоположное явление, при котором тепловая энергия может поглощаться на одном стыке разнородных металлов и разряжаться на другом стыке, когда электрический ток течет по замкнутому контуру.Двадцать лет спустя Уильям Томсон (впоследствии известный как лорд Кельвин) опубликовал исчерпывающее объяснение эффектов Зеебека и Пельтье и описал их взаимосвязь. Однако в то время эти явления все еще считались лабораторными диковинками и не имели практического применения.

В 1930-х годах российские ученые приступили к изучению некоторых из ранних термоэлектрических работ, пытаясь сконструировать генераторы для использования в удаленных местах по всей стране.Этот интерес россиян к термоэлектричеству в конечном итоге привлек внимание остального мира и вдохновил на разработку практических термоэлектрических модулей. В современных термоэлектрических охладителях используется современная полупроводниковая технология, в соответствии с которой легированный полупроводниковый материал заменяет разнородные металлы, которые использовались в ранних термоэлектрических экспериментах.

1,4 Эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона вместе с некоторыми другими явлениями составляют основу функциональных термоэлектрических модулей.Не вдаваясь в подробности, мы рассмотрим некоторые из этих фундаментальных термоэлектрических эффектов.

1.4.1 ЭФФЕКТ Зеебека: Чтобы проиллюстрировать эффект Зеебека, давайте рассмотрим простую схему термопары, показанную на рисунке (1.1). Проводники термопары представляют собой два разнородных металла, обозначенных как Материал x и Материал y.

В типичном приложении для измерения температуры термопара A используется в качестве «эталона» и поддерживается при относительно низкой температуре Tc.Термопара B используется для измерения интересующей температуры (Th), которая в этом примере выше температуры Tc. Когда к термопаре B приложено тепло, на клеммах T1 и T2 появится напряжение. Это напряжение (Vo), известное как ЭДС Зеебека, может быть выражено как:

Vo = выходное напряжение в вольтах
axy = дифференциальный коэффициент Зеебека между двумя материалами, x и y, в вольтах / ° K
Th и Tc = температура горячей и холодной термопары, соответственно , в ° К

1.4.2 ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ: Если мы изменим нашу схему термопары, чтобы получить конфигурацию, показанную на рисунке (1.2), можно будет наблюдать противоположное явление, известное как эффект Пельтье.

Если напряжение (Vin) приложено к клеммам T1 и T2, в цепи будет протекать электрический ток (I). В результате протекания тока небольшой эффект охлаждения (Qc) будет возникать в месте соединения A термопары, где поглощается тепло, и эффект нагрева (Qh) будет возникать в соединении B, где тепло отводится.Обратите внимание, что этот эффект может быть обращен вспять, когда изменение направления электрического тока изменит направление теплового потока. Математически эффект Пельтье можно выразить как:

pxy — это дифференциальный коэффициент Пельтье между двумя материалами, x и y, в вольтах, I — электрический ток в амперах, Qc, Qh — скорость охлаждения и нагрева, соответственно, в ваттах.

Джоулева нагрев, имеющий величину I x R (где R — электрическое сопротивление), также происходит в проводниках в результате протекания тока.Этот эффект нагрева Джоуля действует противоположно эффекту Пельтье и приводит к чистому снижению доступного охлаждения.

1.4.3 ЭФФЕКТ ТОМСОНА: Когда электрический ток проходит через проводник, имеющий градиент температуры по всей его длине, тепло будет либо поглощаться проводником, либо отводиться от него. Поглощение или отвод тепла зависит от направления электрического тока и температурного градиента. Это явление, известное как эффект Томсона, представляет интерес с точки зрения задействованных принципов, но играет незначительную роль в работе практических термоэлектрических модулей.По этой причине он игнорируется.

.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *