Termopar

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Diagrama de funcionamiento del termopar.

Un termopar es un sensor formado por la unión de dos metales distintos que produce un voltaje (efecto Seebeck), que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado "punto caliente" o unión caliente o de medida y el otro denominado "punto frío" o unión fría o de referencia.

En Instrumentación industrial, los termopares son ampliamente usados como sensores de temperatura. Son económicos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación es la exactitud ya que los errores del sistema inferiores a un grado Celsius son difíciles de obtener.

El grupo de termopares conectados en serie recibe el nombre de termopila. Tanto los termopares como las termopilas son muy usados en aplicaciones de calefacción a gas.

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LinealizaciónAdemás de lidiar con la compensacion de union fria, el instrumento de medición debe además enfrentar el hecho de que la energía generada por un termopar es una función no lineal de la temperatura. Esta dependencia se puede aproximar por un polinomio complejo (de 5º a 9º orden dependiendo del tipo de termopar). Los métodos analógicos de linealización son usados en medidores de termopares de bajo costo.

Modalidades de termoparesLos termopares están disponibles en diferentes modalidades, como sondas. Estas últimas son ideales para variadas aplicaciones de medición, por ejemplo, en la investigación médica, sensores de

temperatura para los alimentos, en la industria y en otras ramas de la ciencia, etc.

A la hora de seleccionar una sonda de este tipo debe tenerse en consideración el tipo de conector. Los dos tipos son el modelo estándar, con pines redondos y el modelo miniatura, con pines chatos, siendo estos últimos (contradictoriamente al nombre de los primeros) los más populares.

Otro punto importante en la selección es el tipo de termopar, el aislamiento y la construcción de la sonda. Todos estos factores tienen un efecto en el rango de temperatura a medir, precisión y fiabilidad en las lecturas.

Tipos de termopares

• Tipo K (Cromo (Ni-Cr) Chromel / Aluminio (aleación de Ni -Al) Alumel): con una amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200º C a +1.372º C y una sensibilidad 41µV/° C aprox. Posee buena resistencia a la oxidación.

• Tipo E (Cromo / Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/° C.

• Tipo J (Hierro / Constantán): debido a su limitado rango, el tipo J es menos popular que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a 760º C ya que una abrupta transformación magnética causa un desajuste permanente. Tienen un rango de -40º C a +750º C y una sensibilidad de ~52 µV/° C. Es afectado por la corrosión.

• Tipo T (Cobre / Constantán): ideales para mediciones entre -200 y 260 °C. Resisten atmósferas húmedas, reductoras y oxidantes y son aplicables en criogenia. El tipo termopares de T tiene una sensibilidad de cerca de 43 µV/°C.

• Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S que son más caros.

Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µV/° C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300º C).

• Tipo B (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a 1.800º C. Los tipo B presentan el mismo resultado a 0º C y 42º C debido a su curva de temperatura/voltaje, limitando así su uso a temperaturas por encima de 50º C.

• Tipo R (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): adecuados para la medición de temperaturas de hasta 1.300º C. Su baja sensibilidad (10 µV/° C) y su elevado precio quitan su atractivo.

• Tipo S (Platino / Rodio): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1.300º C, pero su baja sensibilidad (10 µV/° C) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43° C).

Los termopares con una baja sensibilidad, como en el caso de los tipos B, R y S, tienen además una resolución menor. La selección de termopares es importante para asegurarse que cubren el rango de temperaturas a determinar.

Precauciones y consideraciones al usar termoparesLa mayor parte de los problemas de medición y errores con los termopares se deben a la falta de conocimientos del funcionamiento de los termopares. A continuación, un breve listado de los problemas más comunes que deben tenerse en cuenta.

Problemas de conexión

La mayoría de los errores de medición son causados por uniones no intencionales del termopar. Se debe tener en cuenta que cualquier contacto entre dos metales distintos creará una unión. Si lo que se desea es aumentar la longitud de las guías, se debe usar el tipo correcto del cable de extensión. Así por ejemplo, el tipo K corresponde al termopar K. Al usar otro tipo se introducirá una unión termopar. Cualquiera que sea el conector empleado debe estar hecho del material termopar correcto y su polaridad debe ser la adecuada. Lo más correcto es emplear conectores comerciales del mismo tipo que el termopar para evitar problemas.

Resistencia de la guía

Para minimizar la desviación térmica y mejorar los tiempos de respuesta, los termopares están integrados con delgados cables. Esto puede causar que los termopares tengan una alta resistencia, la cual puede hacer que sea sensible al ruido y también puede causar errores debidos a la resistencia del instrumento de medición. Una unión termopar típica expuesta con 0,25 mm. tendrá una resistencia de cerca de 15 ohmios por metro. Si se necesitan termopares con delgadas guías o largos cables, conviene mantener las guías cortas y entonces usar el cable de extensión, el cual es más grueso, (lo que significa una menor resistencia) ubicado entre el termopar y el instrumento de medición. Se recomienda medir la resistencia del termopar antes de utilizarlo.

Descalibración

La descalibración es el proceso de alterar accidentalmente la conformación del cable del termopar. La causa más común es la difusión de partículas atmosféricas en el metal a los extremos de la temperatura de operación. Otras causas son las impurezas y los químicos del aislante difundiéndose en el cable del termopar. Si se opera a elevadas temperaturas, se deben revisar las especificaciones del aislante de la sonda. Tenga en cuenta que uno de los criterios para calibrar un instrumento de medición, es que el patrón debe ser por lo menos 10 veces más preciso que el instrumento a calibrar.

Ruido

La salida de un termopar es una pequeña señal, así que es susceptible de error por ruido eléctrico. La mayoría de los instrumentos de medición rechazan cualquier modo de ruido (señales que están en el mismo cable o en ambos) así que el ruido puede ser minimizado al retorcer los cables para asegurarse que ambos recogen la misma señal de ruido. Si se opera en un ambiente extremadamente ruidoso, (Ej.: cerca de un gran motor), es necesario considerar usar un cable de extensión protegido. Si se sospecha de la recepción de ruido, primero se deben apagar todos los equipos sospechosos y comprobar si las lecturas cambian. Sin embargo, la solución más lógica es diseñar un filtro pasabajas (resistencia y condensador en serie) ya que es probable que la frecuencia del ruido (por ejemplo de un motor) sea mucho mayor a la frecuencia con que oscila la temperatura.

Voltaje en Modo Común

Aunque las señales del termopar son muy pequeñas, a la salida del instrumento de medición pueden aparecer voltajes mayores. Estos voltajes pueden ser causados tanto por una recepción inductiva (un problema cuando se mide la temperatura de partes del motor y transformadores) o por las uniones a conexiones terrestres. Un ejemplo típico de uniones a tierra sería la medición de un tubo de agua caliente con un termopar sin aislamiento. Si existe alguna conexión terrestre pueden existir algunos voltios entre el tubo y la tierra del instrumento de medición. Estas señales están una vez más en el modo común (las mismas en ambos cables del termopar) así que no causarán ningún problema con la mayoría de los instrumentos siempre y cuando no sean demasiado grandes. Los voltajes del modo común pueden ser minimizados al usar los mismos recaudos del cableado establecidos para el ruido,

y también al usar termopares aislados.

Desviación térmica

Al calentar la masa de los termopares se extrae energía que afectará a la temperatura que se trata determinar. Considérese por ejemplo, medir la temperatura de un líquido en un tubo de ensayo: existen dos problemas potenciales. El primero es que la energía del calor viajará hasta el cable del termopar y se disipará hacia la atmósfera reduciendo así la temperatura del líquido alrededor de los cables. Un problema similar puede ocurrir si un termopar no está suficientemente inmerso en el líquido, debido a un ambiente de temperatura de aire más frío en los cables, la conducción térmica puede causar que la unión del termopar esté a una temperatura diferente del líquido mismo. En este ejemplo, un termopar con cables más delgados puede ser útil, ya que causará un gradiente de temperatura más pronunciado a lo largo del cable del termopar en la unión entre el líquido y el aire del ambiente. Si se emplean termopares con cables delgados, se debe prestar atención a la resistencia de la guía. El uso de un termopar con delgados cables conectado a un termopar de extensión mucho más gruesa a menudo ofrece el mejor resultado.

ExternosCuando se sueldan dos conductores de materiales diferentes A y B y el extremo soldado se somete a una temperatura diferente a los extremos libres, se produce entre estos últimos una pequeña diferencia de voltaje que es característica del par soldado. Este par soldado se conoce como termopar y el efecto que produce el voltaje se llama efecto Peltier. Estos conductores pueden ser metálicos puros o sus aleaciones, también metaloides e incluso cerámicas especiales. Un termopar es un dispositivo capaz de convertir la energía calorífica en energía eléctrica su funcionamiento se basa en los descubrimientos hechos por Seebeck en 1821 cuando hizo circular corriente eléctrica en un circuito, formado por dos metales diferentes cuyas uniones se mantienen a diferentes temperaturas, esta circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos metales diferentes cuando una corriente circula a través de la unión y el efecto Thompson que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperaturas. Es decir la fuerza electromotriz es proporcional a la temperatura alcanzada por la unión térmica a sí mismo si se resta el calentamiento ohmico, que es proporcional al cuadrado de la corriente, queda un remanente de temperatura que en un sentido de circulación de la corriente es positivo y negativo en el sentido contrario. El efecto depende de los metales que forman la unión. La combinación de los dos efectos Peltier y Thompson, es la causa de la circulación de corriente al cerrar el circuito en el termopar. Esta corriente puede calentar el termopar y afectar la precisión en la medida de la temperatura, por lo que durante la medición debe hacerse mínimo su valor.

LeyesEstudios realizados sobre el comportamiento de termopares han permitido establecer tres leyes fundamentales:

1. Ley del circuito homogéneo. En un conductor metálico homogéneo no puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor.

2. Ley de los metales intermedios. Si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme desde un punto de soldadura 'A' a otro 'B', la suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los conductores metálicos intermedios y es la misma que si se pusieran en contacto directo 'A' y 'B'.

3. Ley de las temperaturas sucesivas. La f.e.m. generada por un termopar con sus uniones a las

temperaturas T1 y T3 es la suma algebraica de la f.e.m. del termopar con sus uniones a T1 y T2 y de la f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a las temperaturas T2 y T3.

Por estas leyes se hace evidente que en el circuito se desarrolla una pequeña tensión continua proporcional a la temperatura de la unión de medida, siempre que haya una diferencia de temperaturas con la unión de referencia. Los valores de esta f.e.m. están tabulados en tablas de conversión con la unión de referencia a 0º C.

Referencias• Termoelectricidad

Bibliografía relacionada• Semiconductors Thermoelements and Thermoelectric Cooling, de A. F. Ioffe. Infosearch Ltd.

(1956). • Thermoelectricity, de P.H. Egli. John Wiley and Sons (1960). • Semiconductor Thermo-elements, de Abraham Ioffe. Akademia Nauk (1960). • Thermoelectricity and Thermoelectric Power Generation, de D. Pountinen. Solid States

Electronics (1968). • Statistical Thermodynamics of Nonequilibrium Processes, de J. Keizer. Springer-Verlag

(1987). • Enfriamiento y Conversión de Energía Mediante Elementos Termoeléctricos, de J. M.

Redondo. U.P.C. (1992). • CRC Handbook of Thermoelectrics, de D.M. Rowe. CRC Press (1995). • Physics of Thermoelectricity, de Anatychuk y Lukian. Institute of Thermoelectricity (1998). • "Fuerza termoelectromotríz en semiconductores bipolares: nuevo punto de vista", artículo de

Yuri Gurevich y Antonio Ortiz. Revista Mexicana de Física. Vol. 49, págs. 115-122 (2003).

Instrumentación Industrial, Antonio Creus.

Sistemas de Medición e Instrumentación, Ernest E. Doebelin.

Enlaces externos• Sensor de temperatura por puerto paralelo • Guía de termopares gratuita • Temperatures.com - sobre sensores de temperatura. • [1] • Tablas de Termopares

Introducción a la termoelectricidad

• International Thermoelectric Society (ITS) • Optimizing Electrical Connections for Hot and Cold Terminals

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El efecto Peltier es una propiedad termoeléctrica descubierta en 1834 por Jean Peltier, trece años después del descubrimiento de Seebeck. El efecto Peltier hace referencia a la creación de una

diferencia de temperatura debida a un voltaje eléctrico. Sucede cuando una corriente se hace pasar por dos metales o semiconductores conectados por dos “junturas de Peltier”. La corriente propicia una transferencia de calor de una juntura a la otra: una se enfría en tanto que otra se calienta.

Una manera para entender cómo es que este efecto enfría una juntura es notar que cuando los electrones fluyen de una región de alta densidad a una de baja densidad, se expanden (de la manera en que lo hace un gas ideal) y se enfría la región.

Cuando una corriente I se hace pasar por el circuito, el calor se genera en la juntura superior (T2) y es absorbido en la juntura inferior (T1). A y B indican los materiales.

Descripción

Este efecto realiza la acción inversa al efecto Seebeck. Consiste en la creación de una diferencia térmica a partir de una diferencia de potencial eléctrico. Ocurre cuando una corriente pasa a través de dos metales diferentes o semiconductores (tipo-n y tipo-p) que están conectados entre sí en dos soldaduras (uniones Peltier). La corriente produce una transferencia de calor desde una unión, que se enfría, hasta la otra, que se calienta. El efecto es utilizado para la refrigeración termoeléctrica.

Descripción formal

Cuando se hace circular una corriente I a través del circuito, se desprende calor de la unión superior y es absorbido por la unión inferior. El calor de Peltier absorbido por la unión inferior por unidad de

tiempo, es igual a:

Donde Π es el coeficiente de Peltier ΠAB de la termopareja completa, y ΠA y ΠB son los

coeficientes de cada material. El silicio tipo-p tiene un coeficiente Peltier positivo a temperaturas inferiores a 550 K y el silicio tipo-n tiene un coeficiente Peltier negativo.

Los conductores intentan volver al equilibrio electrónico que existía antes de aplicar la corriente. Para ello absorben la energía de un foco y la desprenden en el otro. Las parejas individuales pueden ser conectadas en serie para incrementar el efecto.

La dirección de la transferencia de calor es controlada por la polaridad de la corriente. Al invertir la polaridad se cambia la dirección de la transferencia y, como consecuencia, la unión donde se desprendía calor lo absorberá y donde se absorbía lo desprenderá.

Aplicaciones

Un refrigerador Peltier es una bomba térmica activa que transfiere calor desde una parte del dispositivo hacia la otra. Los sistemas de enfriamiento de las cámaras CCD funcionan con base en el efecto Peltier.

Efecto Seebeck

Circuito que muestra el efecto Seebeck.

El efecto Seebeck es una propiedad termoeléctrica descubierta en 1821 por el físico alemán Thomas Johann Seebeck inversa al efecto Peltier. Este efecto provoca la conversión de una diferencia de temperatura en electricidad. Se crea un voltaje en presencia de una diferencia de temperatura entre dos metales o semiconductores homogeneos. Una diferencia de temperaturas T1 y T2 en las juntas entre los metales A y B induce una diferencia de potencial V.

Cabe reseñar que fue el primer efecto termoeléctrico descubierto: el efecto Peltier lo descubriría Jean Peltier en 1834, y William Thomson -Lord Kelvin- haría lo propio con el efecto Thomson en 1851.

Véase también• Efecto Termoeléctrico • Efecto Thomson • Termoelectricidad • Efecto Joule • Termopar

Se conoce como Efecto Thomson a una propiedad termoeléctrica descubierta por William Thomson -Lord Kelvin- en 1851 en la que se relacionan el efecto Seebeck y el efecto Peltier. Así, un material [excepto el plomo] sometido a un gradiente térmico y recorrido por una corriente eléctrica intercambia calor con el medio exterior. Recíprocamente, una corriente eléctrica es generada por el material sometido a un gradiente térmico y recorrido por un flujo de calor. La diferencia fundamental entre los efectos Seebeck y Peltier con respecto al efecto Thomson es que éste último existe para un solo material y no necesita la existencia de una soldadura.

Enlaces relacionados• Termoelectricidad • Efecto Seebeck • Efecto Peltier • Efecto Joule

El efecto termoeléctrico en un material que relaciona el flujo de calor que lo recorre con la corriente eléctrica que lo atraviesa. Este efecto es la base de las aplicaciones de refrigeración y de generación de electricidad: un material termoeléctrico permite transformar directamente el calor en electricidad, o bien generar frío cuando se le aplica una corriente eléctrica.

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Aspectos históricosEl primer efecto termoeléctrico fue descubierto por el físico alemán Thomas Johann Seebeck en 1821. Seebeck se dio cuenta de que una aguja metálica es desviada cuando se le sitúa entre dos conductores de materiales distintos unidos por uno de sus extremos y sometidos a una diferencia de temperatura (véase Efecto Seebeck). Este efecto es de origen eléctrico, ya que al unir dos materiales

distintos y someterlos a una diferencia de temperatura aparece una diferencia de potencial. La principal aplicación práctica del efecto Seebeck es la medida de temperatura mediante termopares.[1] [2]

Unos años más tarde, en 1834, el físico francés Jean-Charles Peltier descubrió el segundo efecto termoeléctrico: en la unión de dos materiales diferentes sometidos a una corriente eléctrica aparece una diferencia de temperaturas (véase Efecto Peltier).

El físico inglés William Thomson (Lord Kelvin) demuestra en 1851 que los efectos Seebeck y Peltier están relacionados: un material sometido a un gradiente de temperatura y recorrido por una corriente eléctrica intercambia calor con el medio exterior. Recíprocamente, un material sometido a un gradiente de temperatura y recorrido por un flujo de calor genera una corriente eléctrica. La diferencia fundamental entre los efectos Seebeck y Peltier considerados por separado y el efecto Thomson es la existencia de este último en un único material, sin necesidad de que exista una unión entre materiales distintos (véase Efecto Thomson).

Aplicaciones de la termoelectricidadLas aplicaciones actuales y potenciales son los materiales termoeléctricos se basan en dos aspectos del efecto Thomson:

Por un lado, el establecimiento de un flujo de calor, opuesto a la difusión térmica, cuando un material sometido a un gradiente de temperatura es atravesado por una corriente eléctrica, permite pensar en aplicaciones de refrigeración termoeléctrica. Esta solución alternativa a la refrigeración clásica que utiliza ciclos de compresión-expansión no necesita de partes móviles, lo que incrementa su fiabilidad y elimina los ruidos y vibraciones. Estas propiedades son fundamentales en aplicaciones en las que la temperatura debe ser regulada de forma muy precisa y fiable, como por ejemplo en los contenedores empleados en el transporte de órganos para trasplantes o en aquellas en las que las vibraciones son un inconveniente grave, como por ejemplo: los sistemas de guía que emplean láser, o los circuitos integrados. Además, la posibilidad de crear un flujo térmico a partir de una corriente eléctrica de manera directa hace inútil el empleo de gases como el freón, que resultan perjudiciales para la capa de ozono.

Por otra parte, la posibilidad de convertir un flujo de calor en corriente eléctrica permite aplicaciones de generación eléctrica mediante efecto termoeléctrico, sobre todo a partir de fuentes de calor residual como los tubos de escape de los automóviles, las chimeneas de los incineradores, los circuitos de refrigeración de las centrales nucleares. El uso de esta tecnología supondría en estos casos una mejora en el rendimiento energético del sistema completo de manera «limpia». El calor residual es aprovechado para obtener un mayor aprovechamiento de la energía. Por ejemplo: el empleo de la termoelectricidad en los automóviles permitiría suplir parcialmente el trabajo del alternador, reduciendo así aproximadamente en un 10% el consumo de combustible.[3]

Además, la gran fiabilidad y durabilidad de estos sistemas (gracias a la ausencia de partes móviles) ha motivado su empleo en la alimentación eléctrica de sondas espaciales, como ocurre en la sonda espacial Voyager, lanzada al espacio en 1977. En ella el flujo de calor establecido entre el material fisible PuO2 (el PuO2 es radiactivo y se desintegra, constituyendo entonces una fuente de calor) y el exterior atraviesa un sistema de conversión termoeléctrica a base de SiGe (un termopar de silicio y germanio), permitiendo de esta manera la alimentación eléctrica de la sonda (las sondas espaciales no pueden alimentarse mediante paneles solares más allá de Marte, ya que el flujo solar es demasiado débil). Véase el artículo Generador termoeléctrico mediante radioisótopo.

Como se verá a continuación, los sistemas de conversión que utilizan el efecto termoeléctrico tienen un rendimiento muy pequeño, ya sea generando electricidad o funcionando como refrigeradores. De momento sus aplicaciones están limitadas a sectores comerciales en los que la fiabilidad y la durabilidad son más importantes que el precio. Sin embargo la termoelectricidad fue utilizada

extensamente en las partes alejadas de la Unión Soviética durante la década de 1920 para accionar radios. El equipo utilizaba barras de bimetal, un extremo de las cuales se insertaba en la chimenea para conseguir calor, y el otro extremo se ponía en el exterior, en el frío.

Principios fundamentalesLa conversión de energía por efecto termoeléctrico (en el sentido calor → electricidad o electricidad → calor) se basa a su vez en los efectos Seebeck, Peltier y Thomson.

Breve apunte sobre los coeficientes Seebeck, Peltier y Thomson

Coeficiente Seebeck

Una diferencia de temperatura dT entre las uniones de dos materiales distintos a y b implica una diferencia de potencial eléctrico dV según la ecuación:

El coeficiente Seebeck, también llamado "Poder Termoeléctrico" se mide en V.K-1 (o más frecuentemente en µV.K-1 dado los valores de este coeficiente en los materiales más usuales).

Los coeficientes Seebeck de ambos materiales por separado se relacionan con el coeficiente Seebeck del par según:

Coeficiente Peltier

En el caso del efecto Peltier, una corriente eléctrica I recorre un circuito formado por los dos materiales, lo que conlleva una liberación de calor Q en uno de los materiales y una absorción en el otro, según la ecuación:

Coeficiente Thomson[]

Al contrario que los coeficientes Seebeck y Peltier, el de Thomson puede definirse directamente para un único material. Cuando existen simultáneamente un gradiente de temperatura y una corriente eléctrica hay una generación o absorción de calor en cada segmento del material considerado individualmente. El gradiente del flujo térmico en el seno del material viene dado por:

donde x es la cordenada espacial y τ es el coeficiente Thomson del material.

Relaciones entre los coeficientes Seebeck, Peltier y Thomson

Kelvin demostró que los tres coeficientes Seebeck, Peltier y Thomson no eran independientes entre sí, estando relacionados por las ecuaciones:

Principios de la conversión de energía por efecto termoeléctrico

Para la refrigeración o la generación de electricidad por efecto termoeléctrico, un "módulo" está constituido por "pares" conectados eléctricamente. Cada uno de estos pares está formado por un material semiconductor de tipo P (S>0) y de un material tipo N (S<0). Ambos materiales están unidos por un material conductor cuyo poder termoeléctrico se supone que es nulo. Las dos ramas (P y N) del par y todas las de los otros pares que componen el módulo se conectan eléctricamente en serie, y en paralelo desde el punto de vista térmico (véase el esquema de la derecha). Esta disposición permite optimizar el flujo térmico que atraviesa el módulo y su resistencia eléctrica. Para simplificar, todo el desarrollo que sigue se realizará para un único par, formado por materiales de sección constante.

La figura de la derecha presenta el esquema básico de un par P-N utilizado para la refrigeración termoeléctrica.

La corriente eléctrica es impuesta de tal manera que los portadores de carga eléctrica (electrones y huecos) se desplazan de la fuente fría a la caliente (en el sentido termodinámico) en las ramas del par. Al hacerlo contribuyen a una transferencia de entropía de la fuente fría a la caliente, y por tanto a un flujo térmico que se opone al de la conducción térmica.

Si los materiales utilizados tienen buenas propiedades termoeléctricas (veremos a continuación cuáles son los parámetros más importantes), este flujo térmico creado por el movimiento de los portadores de carga será más importante que el debido a la conductividad térmica, lo cual permitirá evacuar el calor de la fuente fría hacia la caliente, actuando como un refrigerador.

En el caso de la generación de electricidad, es el flujo de calor el que implica un desplazamiento de los portadores de carga y por lo tanto, la aparición de una corriente eléctrica.

Rendimiento de la conversión y parámetros importantes

Cálculo del rendimiento termoeléctrico

El cálculo del rendimiento de la conversión que realiza un sistema termoeléctrico se efectúa determinando la relación entre el flujo de calor y la corriente eléctrica en el material. Para ello se utilizan las relaciones de Seebeck, Peltier y Thomson (véase más arriba), pero también las leyes de transferencia de calor y de la corriente eléctrica.

El siguiente ejemplo presenta el cálculo del rendimiento de la conversión en el caso de la refrigeración (el caso de generación eléctrica puede realizarse haciendo razonamientos análogos).

Retomemos el esquema precedente. En cada una de las ramas del par, el flujo de calor generado por el efecto Peltier se opone a la conductividad térmica. El flujo total en las ramas P y N será:

y

siendo x la coordenada espacial (ver esquema), λp y λn las conductividades térmicas de los

materiales y Ap y An sus secciones.

El calor se extrae de la fuente de frío con un flujo Qf :

Al mismo tiempo, la corriente que recorre las dos ramas es inicialmente el resultado del calor por efecto Joule I2ρ/A por unidad de longitud de las ramas. Utilizando la ecuación de Domenicali [4] y suponiendo que el coeficiente Thomson es nulo (esto hace suponer que S es independiente de la temperatura, ver la relación de Thomson), la conservación de la energía en el sistema se escribe en las dos ramas:

y

Considerando las condiciones en los límites, T=Tf en x=0 y T=Tc en x=Lp o x=Ln con Lp y Ln las

longitudes de las ramas P y N, Tf y Tc las temperaturas son las de las fuentes de frío y calor, Qf se

escribe :

con K y R las conductividad térmica y la resistencia eléctrica totales de cada una de las ramas del par.

y

La potencia eléctrica W disipada en el par debida al efecto Joule y al efecto Seebeck es:

El rendimiento del sistema termoeléctrico de refrigeración corresponde al cociente entre el calor extraído de la fuente fría y la potencia eléctrica disipada, es decir:

Para una ΔT dada, el rendimiento depende de la corriente eléctrica que circula. Dos valores particulares de corriente permiten maximizar bien el rendimiento de la conversión η o el calor extraído de la fuente fría Q_f.

Por un razonamiento similar, el rendimiento de un par P-N usado para generar electricidad vendrá dado por la potencia eléctrica útil consumida por una resistencia de carga R con un flujo térmico atravesando el material:

En este caso también existen dos valores particulares de I que maximizan el rendimiento de la conversión o bien la potencia eléctrica entregada por el sistema.

Parámetros importantes

Maximizando estos dos rendimientos de conversión, se puede demostrar que dependen únicamente de las temperaturas Tf y Tc y de un número adimensional (sin unidades) ZpnTM llamado "factor de

mérito" (TM es la temperatura media del sistema, TM=(Tf+Tc)/2) cuya expresión es:

Hay que remarcar que para un par termoeléctrico cualquiera, el valor de Zpn no es una propiedad

intrínseca del material, sino que depende de las dimensiones relativas del módulo, dada la relación existente entre las dimensiones y R y K (resistencia eléctrica y la conductividad térmica). El rendimiento de conversión del sistema (funcionando como generador eléctrico o como dispositivo de refrigeración) es máximo cuando Zpn es máximo, es decir, cuando el producto RK es mínimo, lo

que sucede cuando:

En este caso, el factor de mérito Zpn se convierte en una función exclusiva de los parámetros

intrínsecos de los materiales:

Así, para conseguir un óptimo rendimiento de la conversión conviene elegir los materiales que forman el par de forma que se maximice Zpn. Como regla general, esto no se limita simplemente a

optimizar los factores de mérito individuales de cada material que forma el par Z=S2/(ρλ). En la mayoría de temperaturas utilizadas en la práctica, y sobre todo en aquellas empleadas para la generación de electricidad, las propiedades termoeléctricas de los mejores materiales de tipo P y N son similares. En estos casos, el factor de mérito del par es próximo al valor medio de los factores de mérito individuales, y es razonable el optimizar los factores de mérito de cada uno de los materiales de forma independiente.

La optimización de los materiales para su empleo en la conversión de energía mediante efecto termoeléctrico pasa pues necesariamente por la optimización de sus propiedades de conducción eléctrica y térmica, de manera que se maximice el factor de mérito:

Así pues, un buen material termoeléctrico poseerá simultáneamente un coeficiente Seebeck elevado, una buena conductividad eléctrica, y una reducida conductividad térmica.

Evolución del rendimiento de conversión en función del factor de mérito.

La figura de al lado muestra la evolución del rendimiento de conversión de un istema termoeléctrico en las condiciones ideales en función del factor de mérito ZT. Por ejemplo, si ZT=1 y la diferencia de temperatura es de 300 °C, el rendimiento de conversión será del 8%, lo que significa que según el caso considerado (generación de electricidad o refrigeración) que el 8% del calor que atraviesa el material será convertido en electricidad, o bien que el calor extraído por el elemento refrigerador corresponderá al 8% de la potencia eléctrica empleada.

Módulos termoeléctricos

Optimización geométrica

Hemos visto que las propiedades de conversión del par de materiales termoeléctricos que constituyen un módulo no son exclusivamente intrínsecas, también dependen de la geometría del sistema (longitud y sección de las ramas del módulo) que influye a su vez en la resistencia eléctrica R y la conductividad térmica K de las ramas. En efecto, resulta necesario que K sea lo bastante reducida para que un gradiente térmico pueda mantenerse, pero también debe ser del valor suficiente como para que el calor pueda recorrer el módulo: si K es nulo, ningún calor recorrerá el módulo y entonces no hay conversión. Del mismo modo, R debe elegirse de manera que se alcance el mejor compromiso posible entre la potencia eléctrica y la diferencia de potencial eléctrica. Una vez elegidos los materiales que forman el módulo (gracias al factor de mérito ZT), es necesario optimizar la geometría del sistema para poder conseguir el rendimiento de la conversión, la potencia eléctrica o la mayor extracción de calor posible en función de la aplicación del módulo.

Módulos segmentados

En general, los materiales empleados en la fabricación de módulos de conversión termoeléctrica sólo son eficaces en un determinado rango de temperaturas. Así, por ejemplo, la aleación SiGe usada para alimentar la sonda Voyager sólo es eficaz a temperaturas superiores a los 1000K aproximadamente. En aplicaciones en las que el rango de temperaturas de trabajo es muy grande, resulta interesante usar varios materiales termoeléctricos en cada rama, cada uno de ellos con un intervalo de temperaturas en el que se maximiza su rendimiento. En estos casos se dice que el módulo termoeléctrico está segmentado.

Módulo termoeléctrico "segmentado".

La figura de al lado ilustra el concepto de módulo termoeléctrico segmentado. En este caso tenemos un gradiente de temperatura muy importante (700K de diferencia entre la zona caliente y la fría), y ningún material conocido es eficaz en todo este rango de temperatura. Cada una de las dos ramas del par está entonces formada por varios materiales (en el caso representado dos para la rama N y tres para la rama P). La longitud de cada uno de estos materiales se elige de forma que sean utilizados en el rango de temperaturas en el que sean más eficaces. Por lo tanto, un módulo construido de esta manera permitiría lograr un rendimiento de conversión, una potencia eléctrica o una extracción de calor, más elevada que si cada rama estuviera compuesta de un único material. De estaforma, los mejores rendimientos logrados en laboratorio con este tipo de módulos son actualmente próximos al 15% (lo que significa que el 15% del calor que recorre el material es convertido en potencia eléctrica). Sin embargo, los módulo segmentados resultan mucho más caros que los módulos "simples", lo que restringe su empleo a aplicaciones en las que el coste no resulta un factor decisivo a la hora de la elección.

Materiales termoeléctricos

Aplicaciones a bajas temperaturas

El material termoeléctrico más comúnmente utilizado a bajas temperaturas (150K-200K), está formado sobre la base de Bi1-xSbx (una aleación de bismuto y antimonio) pero desafortunadamente

sólo posee buenas características termoeléctricas para el tipo N (conducción por electrones), lo que reduce el rendimiento de conversión del sistema, puesto que ningún material tipo P es eficaz a estas temperaturas (recordemos que un sistema de conversión termoeléctrica se compone de ramas tipo P y N). Curiosamente, a pesar de que sus propiedades son relativamente medias (ZT~0,6), la aplicación de un campo magnético permite duplicar el factor de mérito, superando la unidad. Esta propiedad hace que estos materiales se empleen asociados a un imán permanente.[5]

Aplicaciones a temperatura ambiente

Actualmente, el material más estudiado es el Bi2Te3 (aleación de bismuto y telurio). Se emplea en

dispositivos que funcionan a temperaturas próximas a la ambiente, lo que incluye a la mayoría de los dispositivos de refrigeración termoeléctrica. Las mejores prestaciones se han obtenido con la aleación Sb2Te3 (una aleación compuesta por antimonio y telurio) que posee la misma estructura

cristalina.[6] Pueden conseguirse tanto muestras de tipo P como N, simplemente por medio de pequeñas variaciones de la composición en las proximidades de la estequiometría. En ambos casos los valores del factor de mérito ZT se aproximan a la unidad 1 a temperaturas cercanas a la

ambiente.[7] Estos buenos valores ZT se obtienen en parte gracias a la muy reducidad conductividad térmica λ, que aproximadamente es de 1 W.m-1.K-1 en los mejores materiales.

Aplicaciones a temperaturas intermedias

Para su empleo a temperaturas medias (entre los 550K y 750K aproximadamente), el material más empleado es el telurio de plomo PbTe y sus aleaciones (PbSn) Te (Sn = estaño). Ambos compuestos, PbTe y SnTe pueden formar una solución sólida completa lo que permite optimizar la banda prohibida del semiconductor al valor deseado. Los mejores materiales obtenidos poseen factores de mérito próximos a la unidad a una temperatura cercana a los 700K.[8] Sin embargo, estos valores se obtienen únicamente en materiales de tipo N. Por tanto, actualmente el PbTe no puede constituir por si solo las dos ramas de un termoelemento. La rama P se construye generalmente con un material de tipo TAGS (por sus componentes Telurio-Antimonio-Germanio-Plata), que alcanzan valores de mérito superiores a la unidad a 700K pero exclusivamente para el tipo P.[9] Por lo tanto, resulta crucial descubrir un material que pueda emplearse como tipo P y N en esta gama de temperaturas, ya que industrialmente, resulta más fácil emplear el mismo material para las dos ramas, eliminando además la necesidad de emplear Telurio, que es extremadamente tóxico.[10]

Aplicaciones a altas temperaturas

Las aleaciones a base de silicio y germanio poseen buenas características termoeléctricas a altas temperaturas (por encima de 1000K) y son utilizadas principalmente para la generación de electricidad en el campo espacial.[11] [12] De este tipo son las aleaciones utilizadas para la alimentación eléctrica de la sondas espaciales, como es el caso de la Voyager.

[ Optimización de materiales termoeléctricosLa expresión del factor de mérito ZT=(S2T)/(ρλ) resume por sí sola la dificultad de optimizar las propiedades de un material termoeléctrico. De forma intuitiva parece difícil que un material posea simultáneamente una buena conductividad eléctrica y una mala conductividad térmica, que es una característica de los materiales aislantes. En el caso ideal, un buen material termoeléctrico debería poseer la conductividad eléctrica de un metal y al mismo tiempo la conductividad térmica de un vidrio![13]

Al numerador del factor de mérito ZT, S2σ (σ es la conductividad eléctrica, inversa de la resistividad eléctrica : σ=1/ρ) se le llama factor de potencia. En aplicaciones de generación de electricidad mediante el efecto termoeléctrico, la potencia útil sera tanto más grande cuanto mayor sea el factor de potencia. Por desgracia, el coeficiente Seebech y la conductividad eléctrica no son independendientes entre sí, y varían de manera contraria con la concentración de los portadores de carga (concentración de electrones o huecos, véase semiconductor): los mejores poderes termoeléctricos se conseguirán con materiales con una pequeña concentración de portadores mientras que las mejores conductividades eléctricas se obtienen con materiales con una fuerte concentración de portadores. La solución de compromiso entre ambos factores implica la utilización de semiconductores como materiales termoeléctricos.

El segundo factor importante en la expresión del factor de mérito ZT (además del factor de potencia) es la conductividad térmica: un material tendrá propiedades termoeléctricas óptimas si posee una débil conductividad térmica. En efecto, de forma intuitiva, una buena conductividad térmica tendería a oponerse al establecimiento del gradiente térmico: el calor atravesaría el material sin dificultad. Así, para optimizar los materiales, el objetivo sería disminuir la conductividad térmica sin degradar la conductividad eléctrica. Sólo la contribución de las vibraciones de la red (véase conductividad térmica) deberá entonces reducirse, no la contribución a la conducción debida

a los portadores de carga (electrones y huecos).

Vías de investigaciónEn el párrafo precedente hemos visto que en la actualidad, los mejores materiales utilizados en la construcción de dispositivos de conversión termoeléctrica poseen factores de mérito ZT de valor cercano a 1. Este valor no permite obtener rendimientos de conversión que hagan estos sistemas rentables para aplicaciones destinadas al "gran público". Por ejemplo, harían falta materiales con un ZT=3 para poder desarrollar un refrigerador doméstico competitivo. En el caso de sistemas de generación de electricidad (que podrían utilizarse, por ejemplo, en los tubos de escape de coches o camiones, o sobre microprocesadores, es posible aumentar la rentabilidad de los sistemas de dos formas: incrementando significativamente sus rendimientos (consiguiendo por ejemplo un ZT>2), o bien reduciendo sus costes de producción. Resumiendo, el objetivo de este párrafo es exclusivamente presentar de una forma no exhaustiva las vías de investigación abiertas en la actualidad, tanto en laboratorios industriales como públicos.

[Véase tambiénPara una mejor comprensión de este artículo, es interesante leer los conceptos desarrollados en:

• Efecto Peltier • Efecto Seebeck • Efecto Peltier-Seebeck • Efecto Thomson • Efecto Termoeléctrico

El efecto termoeléctrico es la conversión directa de la diferencia de temperatura a voltaje eléctrico y viceversa. Un dispositivo termoeléctrico crea un voltaje cuando hay una diferencia de temperatura a cada lado. Por el contrario cuando se le aplica un voltaje, crea una diferencia de temperatura (conocido como efecto Peltier). A escala atómica (en especial, portadores de carga), un gradiente de temperatura aplicado provoca portadores cargados en el material, si hay electrones o huecos, para difundir desde el lado caliente al lado frío, similar a un gas clásico que se expande cuando se calienta; por consiguiente, la corriente inducida termalmente.

Este efecto se puede usar para generar electricidad, medir temperatura, enfriar objetos, o calentarlos o cocinarlos. Porque la dirección de calentamiento o enfriamiento es determinada por el signo del voltaje aplicado, dispositivos termoeléctricos producen controladores de temperatura muy convenientes.

Tradicionalmente, el término efecto termoeléctrico o termoelectricidad abarca tres efectos identificados separadamente, el efecto Seebeck, el efecto Peltier, y el efecto Thomson. En muchos libros de textos, el efecto termoeléctrico puede llamarse efecto Peltier-Seebeck. Esta separación proviene de descubrimientos independientes del físico Francés Jean Charles Athanase Peltier y del físico Estonio-Alemán Thomas Johann Seebeck. El Efecto Joule, el calor generado cuando se aplica un voltaje a través de un material resistivo, es fenómeno relacionado, aunque no se denomine generalmente un efecto termoeléctrico (y se considera usualmente como un mecanismo de pérdida debido a la no idealidad de los dispositivos termoeléctricos). Los efectos Peltier-Seebeck y Thomson pueden en principio ser termodinámicamente reversibles, mientras que el calentamiento Joule no lo es.

Principio termoeléctrico.

•

Efecto SeebeckEl efecto Seebeck es la conversión de diferencias de temperatura directamente a electricidad.

Seebeck descubrió que la aguja de una brújula se desviaba cuando se formaba un circuito cerrado de dos metales unidos en dos lugares con una diferencia de temperatura entre las uniones. Esto se debe a que los metales responden diferentemente a la diferencia de temperatura, creando una corriente de circuito, que produce un campo magnético. Seebeck, aun así, en ese momento no reconoció allí una corriente eléctrica implicada, así que llamó al fenómeno el efecto termomagnético, pensando que los dos metales quedaban magnéticamente polarizados por el gradiente de temperatura. El físico Danés Hans Christian Ørsted jugó un papel vital en la explicación y concepción del término “termoelectricidad”.

El efecto es que un voltaje, la FEM termoeléctrica, se crea en presencia de una diferencia de temperatura entre dos metales o semiconductores diferentes. Esto ocasiona una corriente continua en los conductores si ellos forman un circuito completo. El voltaje creado es del orden de varios microvoltios por kelvin de diferencia. Una de esas combinaciones, cobre-constantán, tiene un coeficiente Seebeck de 41 microvoltios por kelvin a temperatura ambiente.

En el circuito:

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

SA y SB son los coeficientes Seebeck (también llamados potencia termoeléctrica o termopotencia)

de los metales A y B en función de la temperatura, y T1 y T2 son las temperaturas de las dos

uniones. Los coeficientes Seebeck no son lineales en función de la temperatura, y dependen de la temperatura absoluta, material y estructura molecular de los conductores. Si los coeficientes Seebeck son efectivamente constantes para el rango de temperatura medido, la fórmula anterior puede aproximarse como:

El efecto Seebeck se usa comúnmente en dispositivos llamados termopar (porque está hecho de un acople o unión de materiales, generalmente metales) para medir una diferencia de temperatura directamente o para medir una temperatura absoluta colocando un extremo a una temperatura conocida. Una sonda metálica mantenida a una temperatura constante en contacto con un segundo metal de composición desconocida puede clasificarse por este efecto TE. Instrumentos de control de calidad industriales usan este efecto Seebeck para identificar aleaciones metálicas. Esto se conoce como clasificación Termoeléctrica de aleación.

Varios termopares cuando se conectan en serie son llamados termopila, la cuál se construye a veces para aumentar el voltaje de salida ya que el voltaje inducido sobre cada acople es bajo.

Este es también el principio de trabajo detrás de los diodos térmicos y generadores termoeléctricos (tales como los generadores termoeléctricos de radioisótopos o GTR) los cuales se usan para crear potencia a partir de la diferencia de calor.

El efecto Seebeck se debe a dos efectos difusión de portador de carga y arrastre de fonones (descritos abajo). Si ambas conexiones se mantienen a la misma temperatura, pero una conexión se abre y cierra periódicamente, se mide un voltaje AC, el cuál es también dependiente de la temperatura. Esta aplicación de la sonda Kelvin a veces se usa para demostrar que la física subyacente solo necesita una unión. Y este efecto se ve aún si los alambres solo se acercan, pero no se tocan, así no se necesita difusión.

Termopotencia

La Termopotencia, potencia termoeléctrica, o coeficiente Seebeck de un material mide la magnitud de un voltaje termoeléctrico inducido en respuesta a una diferencia de temperatura a través de ese material, la termopotencia tiene unidades de (V/K), aunque en la práctica es más común usar microvoltios por kelvin. Los valores en los cientos de μV/K, negativos o positivos, son típicos de buenos materiales termoeléctricos. El término termopotencia es un nombre errado ya que mide el voltaje o campo eléctrico inducido en respuesta a la diferencia de temperatura, no a la potencia eléctrica. Una diferencia de temperatura aplicada causa portadores cargados en el material, si hay electrones o huecos, para difundirse desde el lado caliente al lado frío, similar al gas clásico que se expande cuando se calienta. Portadores móviles cargados migran al lado frío dejando atrás su núcleo inmóvil opuestamente cargado al lado caliente dando origen así al voltaje termoeléctrico (termoeléctrico se refiere al hecho que el voltaje es creado por una diferencia de temperatura). Puesto que una separación de carga también crea un potencial eléctrico, la acumulación de portadores cargados en el lado frío finalmente cesa en algún valor máximo ya que existe una cantidad de portadores cargados derivados movidos al lado caliente como resultado del campo eléctrico en equilibrio. Solo un incremento en la diferencia de temperatura puede reanudar una acumulación de más portadores de carga en el lado frío y así conllevar a un incremento en el voltaje termoeléctrico. Casualmente la termopotencia también mide la entropía por portador de carga en el material. Para ser más específicos, la capacidad térmica electrónica molar parcial se dice que es igual a la potencia termoeléctrica absoluta multiplicada por el negativo de la constante de Faraday.

La termopotencia de un material representada por S (o a veces por α), depende de la temperatura y estructura cristalina del material. Típicamente los metales tienen termopotencias bajas porque la mayoría tiene bandas medio llenas. Ambos electrones (cargas negativas) y huecos (cargas positivas)

contribuyen al voltaje termoeléctrico inducido así se cancelan cada uno con la contribución al voltaje de otro y hacerlo pequeño. En cambio, los semiconductores pueden estar dopados con una cantidad en exceso de electrones o huecos y así se puede tener grandes valores positivos o negativos de la termopotencia según la carga de los portadores en exceso. El signo de la termopotencia puede definir que portadores cargados domina el transporte eléctrico en ambos metales y semiconductores.

Si la diferencia de temperatura ΔT entre los dos extremos de un material es pequeña, entonces la termopotencia de un material se define (aproximadamente) como:

y un voltaje termoeléctrico ΔV se ve en los terminales. Así se puede escribir una relación del campo eléctrico E y el gradiente de temperatura , por la aproximación de la ecuación:

En la práctica raramente se mide la termopotencia absoluta del material de interés. Debido a que los electrodos conectados al multímetro se pueden colocar en el material para de medir el voltaje termoeléctrico. El gradiente de temperatura también induce un voltaje termoeléctrico a través de una de las puntas de los electrodos. Por lo tanto la termopotencia medida incluye una contribución de la termopotencia del material de interés y del material de los electrodos de medida. La termopotencia medida es entonces una contribución de ambos y puede ser escrita como:

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

La termopotencia es un parámetro importante del material que determina la eficiencia de la termoelectricidad de un material. Un mayor voltaje termoeléctrico inducido para un gradiente de temperatura dado conllevará a una mayor eficiencia. Lo ideal es desear valores de termopotencia muy grandes ya que solo se necesita una cantidad pequeña de calor para crear un voltaje grande. Este voltaje se puede usar para producir potencia.

Difusión de portadores de carga

Los Portadores de Carga en los materiales (electrones en metales, electrones y huecos en los semiconductores, iones en los conductores iónicos) se difundirán cuando un extremo de un conductor está a una temperatura diferente del otro. Portadores calientes se difundirán desde el extremo caliente al extremo frío, pues hay menor densidad de portadores calientes en el extremo frío del conductor. Portadores fríos se difundirán desde el extremo frío al extremo caliente por la misma razón.

Si el conductor dejara alcanzar el equilibrio termodinámico, este proceso resultaría en la distribución uniforme de calor a través del conductor (ver transferencia de calor). El movimiento de calor (en la forma de portadores cargados) de un extremo al otro se llama corriente de calor. Así

como portadores de carga moviéndose, es también una corriente eléctrica.

En un sistema donde ambos extremos se mantienen a diferencia constante de temperatura (una corriente constante de calor de un extremo a otro), hay es una difusión constante de portadores. Si la ratio de difusión de portadores calientes y fríos en direcciones opuestas es igual, allí no sería un cambio neto en la carga. Pero, la difusión de carga se dispersa con impurezas, imperfecciones, y vibraciones estructuradas (fonones). Si la dispersión depende de la energía, los portadores calientes y fríos se difundirán a ratas diferentes. Esto crea una densidad mayor de portadores a un extremo del material, y la distancia entre las cargas positivas y negativas produce una diferencia de potencial; un voltaje electrostático.

Este campo eléctrico, sin embargo, se opone a la dispersión desigual de portadores, y se alcanza un equilibrio donde el número neto de portadores difundidos es cancelado por el número neto de portadores moviéndose en dirección opuesta desde el campo electrostático. Esto indica que la termopotencia de un material depende grandemente de las impurezas, imperfecciones, y cambios estructurales (el cual frecuentemente varía entre ellos mismos con la temperatura y el campo eléctrico), y la termopotencia de un material es la colección de muchos efectos diferentes.

Al principio los termopares eran metálicos, pero más recientemente dispositivos termoeléctricos se desarrollan de elementos semiconductores alternados tipo-p y tipo-n conectados por interconectores metálicos como se dibuja en la figura de abajo. Las uniones de los semiconductores son comunes especialmente en dispositivos de generación de potencia, mientras que las uniones metálicas son más comunes en medidas de temperatura. La carga fluye a través del elemento tipo-n, cruza una interconexión metálica, y pasa al elemento tipo-p. Si se suministra una fuente de potencia, el dispositivo termoeléctrico puede actuar como un enfriador, como en la figura izquierda de abajo. Esto es el efecto Peltier, descrito en la próxima sección. Los electrones en el elemento tipo-n se moverán a la dirección opuesta de la corriente y los huecos en el elemento tipo-p se moverán en la dirección de la corriente, ambos removiendo calor de un lado del dispositivo. Si se suministra una fuente de calor, el dispositivo termoeléctrico puede funcionar como un generador de potencia, como en la figura derecha de abajo. La fuente de calor conducirá electrones en el elemento tipo-n hacia la región más fría, así se crea una corriente a través del circuito. Los huecos en el elemento tipo-p fluirán entonces en la dirección de la corriente. La corriente se puede usar para impulsar una carga, así se convierte la energía térmica en energía eléctrica.

Arrastre de fonones

Los fonones no están siempre en equilibrio térmico local; se mueven contra el gradiente térmico. Pierden momento por la interacción con electrones (u otros portadores) e imperfecciones en el

cristal. Si la interacción fonón-electrón predomina, los fonones tenderán a empujar los electrones a uno de los extremos del material, perdiendo momento en el proceso. Esto aporta al campo eléctrico ya presente. Este aporte es el más importante en la región de temperatura donde predomina la dispersión fonón-electrón. Esto pasa por:

donde: θD es la temperatura de Debye. A menores temperaturas hay menos fonones disponibles para

arrastrar, y a mayores temperaturas tienden a perder momento en dispersiones fonón-fonón en vez de dispersiones fonón-electrón. Esta región de la termopotencia contra la función de temperatura es altamente variable bajo un campo magnético.

Espín de efecto Seebeck y baterías magnéticas

Físicos han descubierto recientemente que calentar un lado de una barra de níquel-hierro magnetizada permite a electrones reacomodarse según sus espines. Esto así llamado “espín de efecto Seebeck” podría dar lugar a baterías que generen corrientes magnéticas, en vez de corriente eléctrica. Una fuente de corriente magnética podría ser útil especialmente para el desarrollo de dispositivos espintrónicos, el cual usa corrientes magnéticas a fin de reducir el recalentamiento en chips de computador, pues, a diferencia de corrientes eléctricas, corrientes magnéticas no generan calor.

Efecto PeltierEste efecto lleva el nombre de Jean-Charles Peltier (físico francés) quien lo descubrió en 1834, el efecto calórico de una corriente en la unión de dos metales diferentes. Cuando una corriente I se hace fluir a través del circuito, se produce calor en la unión superior (at T2)), y absorbido por la

unión inferior (at T1)). El calor Peltier absorbido por la unión inferior por unidad de tiempo,

es igual a:

donde: Π es el coeficiente Peltier ΠAB de todo el termopar, y ΠA y ΠB son los coeficientes de cada

material. El silicio tipo-P normalmente tiene un coeficiente Peltier positivo (pero no mayor ~550K), y silicio tipo-n es normalmente negativo como sugiere su nombre.

Los coeficientes Peltier representan cuanta corriente de calor se lleva por unidad de carga a través de un material dado. Como la corriente de carga debe ser continua por una unión, el flujo de calor asociado producirá discontinuidad si ΠA y ΠB son diferentes. Esto provoca una divergencia no cero

en la unión y así el calor debe acumularse o agotarse allí, según el signo de la corriente. Otra forma de entender como este efecto puede enfriar una unión es notar que cuando electrones fluyen de una región de alta densidad a una región de baja densidad, ellos se expanden (como con un gas ideal) y enfrían.

Los conductores están tratando de retornar al equilibrio de electrones que había antes de aplicarse la corriente absorbiendo energía a un conector y liberándole al otro. Los pares individuales pueden conectarse en serie para mejorar el efecto.

Una consecuencia interesante de este efecto es que la dirección de transferencia de calor es controlada por la polaridad de la corriente; invertir la polaridad cambiará la dirección de

transferencia y así el signo del calor absorbido/producido.

Un enfriador/calentador Peltier o bomba de calor termoeléctrica es una bomba de calor activa de estado sólido que transfiere calor de un lado del dispositivo al otro. El enfriamiento Peltier es llamado Enfriamiento termoeléctrico.

Efecto ThomsonEl efecto Thomson fue predicho y luego observado experimentalmente por William Thomson (Lord Kelvin) en 1851. Describe el calentamiento o enfriamiento de un conductor portador de corriente con un gradiente de temperatura.

Algún conductor portador de corriente (excepto para superconductor), con una diferencia de temperatura en dos puntos, o bien absorberá o emitirá calor, según el material. Si una densidad de corriente J pasa por un conductor homogéneo, la producción de calor por volumen es:

donde: ρ es la resistividad del material, dT/dx es el gradiente de temperatura a lo largo del alambre, μ es el coeficiente Thomson.

El primer término ρ J2 representa el Efecto Joule, que no es reversible. El segundo término es el calor de Thomson, que cambia de signo cuando J cambia de dirección. En metales como zinc y cobre, que tienen un extremo caliente a mayor potencial y un extremo frío a menor potencial, cuando la corriente se mueve de un extremo caliente al extremo frío, se mueve de un alto a un bajo potencial, hay una producción de calor. Que se llama Efecto Thomson positivo. En metales como cobalto, níquel y hierro, que tienen un extremo frío a mayor potencial y un extremo caliente a menor potencial, cuando la corriente se mueve de un bajo a un alto potencial, hay una absorción de calor. Que se llama Efecto Thomson negativo.

El coeficiente Thomson es único entre los tres coeficientes principales termoeléctricos pues es el único coeficiente termoeléctrico directamente medible para materiales individuales. Los coeficientes Peltier y Seebeck solo pueden hallarse por pares de materiales. Así, no hay método directo experimental para hallar un coeficiente Seebeck absoluto (ejemplo termopotencia) o coeficiente Peltier absoluto para un material individual. Sin embargo, como se dijo en otra parte de este artículo hay dos ecuaciones, las relaciones de Thomson, conocidas como las relaciones de Kelvin (ver abajo), relacionando los tres coeficientes termoeléctricos. Por lo tanto, solo uno puede considerarse único.

Si el coeficiente Thomson de un material se mide sobre un amplio rango de temperatura, incluyendo temperaturas cercanas a cero, entonces puede integrarse el coeficiente Thomson en el rango de temperatura usando las relaciones de Kelvin para hallar los valores absolutos (ejemplo simple material) de los coeficientes Peltier y de Seebeck. En principio, esto solo necesita hacerse para un material, ya que los otros valores pueden hallarse midiendo pares de coeficientes Seebeck en termopares conteniendo el material de referencia y agregar luego la potencia termoeléctrica absoluta (termopotencia) del material de referencia.

Es común afirmar que el plomo tiene un coeficiente Thomson cero, Si bien es cierto que los coeficientes termoeléctricos del plomo son bajos, en general no son cero. El coeficiente Thomson del plomo ha sido medido en un amplio rango de temperatura y ha sido integrado para calcular la potencia termoeléctrica absoluta (termopotencia) del plomo en función de la temperatura.

Diferente al plomo, los coeficientes termoeléctricos de todos los superconductores conocidos son cero.

Las relaciones de ThomsonEl efecto Seebeck realmente es una mezcla de los efectos Peltier y Thomson. De hecho, en 1854 Thomson halló las dos relaciones, ahora llamadas relaciones de Thomson o Kelvin, entre los coeficientes correspondientes. La temperatura absoluta T, el coeficiente Π de Peltier y el coeficiente Seebeck S se relacionan por la primera relación de Thomson

que predijo el efecto Thomson antes de que fuera realmente formalizado. Estos se relacionan al coeficiente Thomson μ por la segunda relación de Thomson

El tratamiento teórico de Thomson de la termoelectricidad es notable por el hecho de que es quizá el primer intento por crear una teoría sensata de termodinámica irreversible (termodinámica del no equilibrio). Esto pasó en el momento en que Clausius, Thomson, y otros estaban introduciendo y afinando el concepto de entropía.

Figura de méritoLa figura de mérito para dispositivos termoeléctricos se define como:

,

donde σ es la conductividad eléctrica, κ es la conductividad térmica, y S es el coeficiente Seebeck o termopotencia (por convención en μV/K). Es más común expresarla como la figura de mérito adimensional ZT multiplicándola con la temperatura promedio ((T2 + T1) / 2). Mayores valores de

ZT indican mayor eficiencia termodinámica, según ciertas disposiciones, en particular el requisito de que los dos materiales del par tengan valores Z similares. ZT es por lo tanto una figura muy conveniente para comparar la eficiencia del potencial de dispositivos usando materiales diferentes. Valores de ZT=1 se consideran buenos, y valores de al menos en el rango de 3-4 se consideran esenciales para que la termoelectricidad compita con la generación mecánica y refrigeración en eficiencia. Hasta ahora, los mejores valores ZT reportados están en el rango de 2-3. Mucha de la investigación en materiales termoeléctricos se enfoca en aumentar el coeficiente Seebeck y reducir la conductividad térmica, especialmente manipulando la nanoestructura de los materiales.

Eficiencia de dispositivosLa eficiencia de un dispositivo termoeléctrico para generar electricidad se da por η, definida como

, y

donde TH es la temperatura de la unión caliente y TC es la temperatura de la superficie que se

enfría. ZT es la figura de mérito adimensional modificada que ahora considera la capacidad termoeléctrica de ambos materiales termoeléctricos usados en dispositivos para generar potencia, y

definida como

donde ρ es la resistividad eléctrica, es la temperatura promedio entre las superficies caliente y fría, y los subíndices n y p, indican propiedades relacionadas con los materiales termoeléctricos semiconductores tipo n y p, respectivamente. Es importante notar que la eficiencia de un dispositivo termoeléctrico se limita por la eficiencia de Carnot (por ello los términos TH and

TC en φmax), pues los dispositivos termoeléctricos son máquinas de calor inherentemente. El COP -

Coefficient Of Performance (en inglés Coeficiente De Rendimiento) de sistemas actuales es pequeño, variando de 0.3 a 0.6.

UsosLas compañías de automóviles alemanas Volkswagen y BMW han desarrollado generadores termoeléctricos (GTE) que recuperan el gasto de calor de una máquina de combustión.

Según un informe del Profesor Rowe de la Universidad de Wales en la Sociedad Termoeléctrica Internacional, Volkswagen afirma 600W de salida del GTE en condición de conducción en autopista. La electricidad producida por el GTE es cerca del 30% de la electricidad requerido por el auto, obteniendo una carga mecánica reducida(alternador) y una reducción en el consumo de combustible de más del 5%.

BMW y DLR (Centro aeroespacial alemán) han desarrollado también un generador termoeléctrico impulsado por el tubo de escape que alcanza un máximo de 200 W y se ha usado exitosamente por más de uso 12000 km en carretera.

Sondas espaciales en el exterior del sistema solar hacen uso del efecto en generadores termoeléctricos radioisotópicos para generación de electricidad.

Referencias• Este artículo fue creado a partir de la traducción del artículo Thermoelectric effect de la

Wikipedia en inglés, bajo licencia Creative Commons Compartir Igual 3.0 y GFDL.

Bibliografía• Besançon, Robert M. (1985). The Encyclopedia of Physics. Van Nostrand Reinhold

Company. ISBN 0-442-25778-3. • Rowe, D. M. (2006). Thermoelectrics Handbook:Macro to Nano. Taylor & Francis. ISBN 0-

8493-2264-2.

Véase también• Efecto Peltier-Seebeck • Efecto Thomson • Efecto Joule • Termoelectricidad • Termopar

Enlaces externos• Descripción teórica y práctica de un termo-refrigerador

Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Termoel%C3%A9ctrico"

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remotas.

Principio de funcionamiento del termogenerador.

• Conversión de energía a través de una termopila herméticamente sellada.• Elementos de plomo-estaño-telurio.• Un ΔT en la termopila genera corriente continua.

I INTRODUCCIÓN1.1 EFECTO SEEBECK

En 1821 el científico alemán Thomas Johann Seebeck (1770 − 1831) encontró que un circuito conformado por la unión de dos metales distintos deflectaba la aguja de una brújula al colocar a distintas temperaturas las soldaduras entre los dos metales. Para 1822 sus resultados experimentales fueron publicados en los Proceedings de la academia prusiana de ciencias bajo el título Polarización magnética de metales y Ores por diferencia de temperatura.

Sólo dos años antes Hans Christian Oersted (1777−1851) había descubierto que la circulación de una corriente a través de un conductor tenía efectos similares sobre la aguja de una brújula. Este hecho, sumado a los estudios posteriores por Ampére, Biot, Savart y Laplace entre otros, sobre la interacción entre una corriente eléctrica y el campo magnético, llevó a Oersted a rebautizar el fenómeno, originalmente denominado termo magnetismo por Seebeck, comotermoelectricidad.

Oersted comprendió que era una diferencia de potencial eléctrico lo que la diferencia de temperaturas inducía sobre el circuito. Más aún, la relación entre el voltaje generado y la diferencia

de temperatura se demostró lineal, caracterizada por el denominado coeficiente Seebeck o poder termoeléctrico. 1.2 EFECTO PELTIER

Jean Charles Athanase Peltier (1785 − 1845), un relojero y meteorólogo Francés encontró en 1834 que la circulación de corriente a través de un circuito conformado por dos metales distintos puede emitir o absorber calor en la juntura de los mismos, dependiendo de la dirección de la corriente. La cantidad de calor absorbida o emitida en la juntura resulta proporcional a la corriente eléctrica mediante el coeficiente Peltier.

Al igual que Seebeck, la interpretación original de Peltier fue errónea, argumentando la invalidez del efecto Joule (El efecto Joule predice la disipación de energía en forma de calor cuando una corriente atraviesa un conductor de resistencia finita) a bajas corrientes. La correcta interpretación del fenómeno llegaría recién en 1838, en un trabajo por parte de Emily Lenz (1804 − 1865).

1.3 EFECTO THOMPSONOtros veinte años debieron pasar para que William Thompson ( Años más tarde, William Thompson resultaría más conocido como Lord Kelvin ) desarrollara explicaciones detalladas de los efectos Seebeck y Peltier, describiendo la interrelación termodinámica entre ambos. En este estudio, Thompson predice además la existencia de un tercer efecto termoeléctrico, hoy conocido como efecto Thompson en el cual se absorbe o emite calor cuando una corriente recorre un material en el que existe un gradiente de temperaturas. En este caso la cantidad de calor asociada es proporcional a ambos, el gradiente térmico y la corriente circulante, a través del coeficiente Thompson.

II FUNDAMENTOS

2.1 EFECTO SEEBECK

El efecto Seebeck puede explicarse en términos de la teoría de electrones libres en metales. Según esta aproximación, los electrones en un metal se mueven al azar, sin sufrir el efecto de fuerza neta alguna, al estar rodeados por otros iones en forma simétrica.

Cerca de la superficie del material, empero, la situación es diferente, debido a la rotura de la simetría. Si ahora se colocan dos materiales formando una juntura, la diferencia en densidades electrónicas a ambos lados de la interfase se traduce en una fuerza neta sobre los electrones, que tienden a moverse del material con mayor densidad a aquel con menos. Este flujo de electrones induce la aparición de un campo eléctrico y consecuentemente de una diferencia de potencial en la juntura.

Consideremos ahora un circuito formado por dos de estas junturas puestas en serie, en lo que comúnmente se denomina una termocupla. Si la temperatura de las dos junturas que conforman la termocupla es la misma, los campos eléctricos formados en cada juntura tendrán igual módulo, pero signos distintos, por lo que la diferencia de potencial a lo largo de todo el circuito será nula.

Si por otro lado, una de las junturas está a mayor temperatura, los electrones de la juntura más caliente vibrarán más y el campo eléctrico generado en esta juntura será distinto (mayor) al generado en la juntura a menor temperatura. De esta manera, la diferencia de temperaturas entre las junturas se evidencia como una diferencia de potencial en el circuito.

Un circuito formado por dos metales distintos homogéneos, A y B, con dos uniones a diferente temperatura, T y T+DT, aparece una corriente eléctrica J, o bien, si se abre el circuito una fuerza termoelectromotriz (f.t.e.m.) EAB que depende de los metales utilizados en la unión y de la diferencia de temperatura entre las dos uniones.

La relación entre la f.t.e.m., EAB, y la diferencia de temperaturas entre las uniones, DeltaT, define el coeficiente Seebeck:

alphaA(T) y alphaB(T) son respectivamente las potencias termoeléctricas absolutas de A y B y son características de cada metal. En general, alphaAB no es constante, sino que depende de la temperatura T.2.2 EFECTO PELTIERExiste un campo eléctrico en la juntura entre dos materiales distintos. Cuando una fuente externa induce un flujo electrónico en el sentido del campo eléctrico, los electrones deben transformar energía cinética en energía potencial. Un movimiento más lento de los electrones, puede

visualizarse como en una disminución de la temperatura. Si por el contrario, los electrones se mueven en sentido contrario, su velocidad aumenta por efecto del campo eléctrico extra. Este aumento de la velocidad electrónica puede verse nuevamente como un aumento de la temperatura.La potencia calorífica intercambiada en la unión entre A y B es:

donde piAB es el llamado coeficiente Peltier, que se define como el calor intercambiado en la unión por unidad de tiempo y de corriente que circula a través de la misma:

J: flujo de corriente eléctricaS: superficieT: temperatura absoluta (K)alphaA , alphaB : coeficiente Seebeck de los materiales A y B respectivamente 2.3 EFECTO THOMPSONEl efecto Thompson implica la aparición de un flujo de calor al circular una corriente a través de un gradiente de temperatura en un material. Supongamos un conductor por el cual circula una corriente de calor, más no una corriente eléctrica. Esto induce la aparición de una distribución de temperaturas en el material, governada por los coeficientes cinéticos. Supongamos ahora que cada punto del material es conectado a un baño térmico de igual temperatura. La igualdad de temperaturas entre el material en cada punto y el baño correspondiente implica que no habrá intercambio de calor entre éstos y el material. Si ahora se inyecta una corriente eléctrica, ocurrirá un intercambio de energía entre el material y los reservorios

El flujo neto de potencia calorífica por unidad de volumen, en un conductor de resistividad r, con un gradiente longitudinal de temperatura, por el que circula una densidad de corriente J será:

donde sigma es el coeficiente Thomson. El primer término corresponde al efecto Joule, irreversible, mientras que el segundo expresa el efecto Thomson, reversible.Desarrollando esta expresión para obtener la relación entre el coeficiente Thomson y Seebeck y teniendo en cuenta las ecuaciones que

rigen los efectos Peltier y Seebeck, se llega a

Quedando para la unión:

III Aplicaciones 3.1 TERMOMETRÍAEl efecto Seebeck implica la aparición de una diferencia de potencial entre dos junturas de dos materiales distintos, al ser sometidas a una diferencia de temperaturas. Dicho voltaje resulta proporcional a la diferencia en temperaturas, por lo cual resulta natural el uso de dicho efecto en la medición de temperaturas.Una vez calibrado, el circuito puede ser utilizado para la medición de la temperatura de la juntura A, si la juntura B es colocada a una temperatura conocida( juntura de referencia ). Es práctica común utilizar un baño de agua en equilibrio térmico con hielo como temperatura de referencia, de forma tal que la diferencia T2 − T1 sea directamente T2 en grados Celsius. Sin embargo, los sistemas comerciales hacen uso de algún circuito electrónico para proveer un voltaje a la juntura de referencia, el cual, una vez calibrado, sigue a la temperatura ambiente, de forma tal de prescindir del baño térmico. Estos circuitos son conocidos como puntas frías electrónicas. Existen diversos tipos de termopares, las cuales resultan adecuadas en mayor o menor medida dependiendo de los requerimientos. A continuación se listan los tipos más comunes, así como una breve descripción de sus virtudes e inconvenientes. -Tipo K: También conocido como termopar Chromel Alumel( El Chromel es una aleación de aproximadamente 90% de níquel y 10% de cromo. El Alumel es una aleación de 95% de níquel, más aluminio, silicio y manganeso). Estos termopares tienen un amplio rango de temperaturas (−200 a 1100 ºC) y son los más utilizados en la industria. Su curva de calibración es razonablemente lineal, con una sensibilidad de = 41 μV/ºC.-Tipo J: También conocido como termopar Hierro Constantán ( El Constantán es una aleación de 55% de cobre y 45% de níquel ). Estos termopares resultan satisfactorios para uso continuo en atmósferas oxidantes, reductoras e inertes y en vacío hasta 760 ºC. Por encima de 540 ºC, el alambre de hierro se oxida rápidamente, alambre de mayor diámetro se utiliza para extender su vida útil. La ventaja fundamental del termopar Tipo J es su bajo costo. -Tipo E: También conocida como termopar Chromel Constantán. Posee la mayor fem de salida de todos los termopares estándar. Para un diámetro de 3.25 mm su rango de trabajo es −200 a 980 ºC. Estos termopares se desempeñan satisfactoriamente en atmósferas oxidantes e inertes, y resultan particularmente adecuados para uso en atmósferas húmedas a temperaturas subcero a raíz de su elevada fem de salida y su buena resistencia a la corrosión.-Tipo T: También conocida como termopar Cobre Constantán. Resulta satisfactorio para uso continuo en vacío y en atmósferas oxidantes, reductoras e inertes. Su desventaja reside en el hecho de que su límite máximo de temperatura es de tan sólo 370 ºC para un diámetro de 3.25 mm. -Tipo B: Estos termopares están compuestos de una rama de una aleación Platino Rodio 30% y una rama de Platino Rodio 6 %. Resultan satisfactorias para uso continuo en atmósferas oxidantes o inertes a temperaturas hasta 1.700 ºC. También resultan satisfactorias durante cortos períodos de tiempo en vacío. Sus desventajas son su baja tensión de salida y su incapacidad para ser utilizada en atmósferas reductoras (Hidrógeno o monóxido de carbono) o cuando se encuentran presentes vapores metálicos (Plomo o zinc ) o no metálicos (Arsénico, fósforo o azufre).-Tipo S: Estos termopares están compuestos de una rama de una aleación Platino Rodio 10% y una rama de Platino. Es el estándar internacional para la determinación de temperaturas entre el punto de solidificación del antimonio (630.74 ºC) y el punto de solidificación del oro (1064.43 ºC).-Tipo R: Estos termopares están compuestos de una rama de una aleación Platino Rodio 13% y una rama de Platino. Los termopares Tipo R pueden ser utilizados en forma continua en atmósferas oxidantes o inertes hasta (1400 ºC). No son tan estables como las Tipo B en vacío, pero tienen la ventaja de una mayor fem de salida.3.2 GENERACIÓN DE ENERGÍAOtra utilización del efecto Seebeck es la generación de energía eléctrica a partir de alguna fuente térmica. Si bien los voltajes generados por los dinstintos tipos de termopares son relativamente pequeños, basta poner gran cantidad de éstas en serie para lograr voltajes más importantes.

Un ejemplo de ésto es la termopila. En este dispositivo, el arreglo de termopares sigue el esquema de la figura. Uno de los lados de la termopila, el cual contiene las junturas calientes es pintado de negro, de forma tal que absorba la mayor cantidad posible de radiación incidente. Las junturas frías, por su parte, son colocadas en un extremo espejado, de forma tal de reflejarla radiación incidente. La diferencia de temperaturas inducida por la luz incidente es entonces transformada en un voltaje útil.Otro arreglo de termopares, denominado Generador Termoeléctrico de Radioisótopos, hace uso del calor de decaimiento de materiales radioactivos para la generación de la diferencia de temperaturas.

Los avances en las técnicas de

litografía óptica y electrónica permiten la fabricación de Termopilas (Arriba) y Refrigeradores termoeléctricos (Abajo).3.3 REFRIGERACIÓN Y CALEFACCIÓNEl efecto Peltier es utilizado en algunos equipos como sistema de refrigeración, y en menor medida como calefactor. Tal y como en el caso de las termopilas y generadores termoeléctricos, se hace uso de arreglos de grandes cantidades de junturas, ordenadas de forma tal de extraer una cantidad de calor importante de un lado y llevarla al lado opuesto.

La figura muestra una unidad de refrigeración basada en el efecto Peltier. Este dispositivo particular tiene 40 × 40 × 4 mm3, y con una corriente de = 8.5 A permite lograr una diferencia de hasta 64 ºC entre sus caras. Estas unidades son muy utilizadas como refrigeradores en equipos electrónicos, debido a sus reducidas dimensiones.

En los últimos años, nuevas técnicas de construcción han permitido el desarrollo de estos dispositivos en escalas micrométricas. En la figura se observa una fotografía comparativa de los nuevos prototipos de refrigeradores termoeléctricos frente a las unidades estándard. En este caso, las dimensiones son 0.65 × 0.55 × 0.424 mm3.IV BIBLIOGRAFIA

-http://www.unavarra.es/ets02/Introduccion%20a%20TE(c).htm-http://cabbat1.cnea.gov.ar/~jsereni/cursos/Ef_Termoel_Chial.pdfV GRUPOIvan Cachafeiro

Efecto Joule

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Se conoce como Efecto Joule al fenómeno por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. El nombre es en honor a su descubridor el físico británico James Prescott Joule. El movimiento de los electrones en un cable es desordenado, esto provoca continuos choques entre ellos y como consecuencia un aumento de la temperatura en el propio cable.

Causas del fenómeno

Los sólidos tienen generalmente una estructura cristalina, ocupando los átomos o moléculas los vértices de las celdas unitarias, y a veces también el centro de la celda o de sus caras. Cuando el cristal es sometido a una diferencia de potencial, los electrones son impulsados por el campo eléctrico a través del sólido debiendo en su recorrido atravesar la intrincada red de átomos que lo forma. En su camino, los electrones chocan con estos átomos perdiendo parte de su energía cinética, que es cedida en forma de calor.

Este efecto fue definido de la siguiente manera: "La cantidad de energía calorífica producida por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente". Matemáticamente se expresa como

Microscópicamente el efecto Joule se calcula a través de la integral de volumen del campo eléctrico

por la densidad de corriente :

La resistencia es el componente que transforma la energía eléctrica en energía calorífica, (por ejemplo un hornillo eléctrico, una estufa eléctrica, una plancha etc.).

Mediante la ley de Joule podemos determinar la cantidad de calor que es capaz de entregar una resistencia, esta cantidad de calor dependerá de la intensidad de corriente que por ella circule, del

valor de la resistencia eléctrica y de la cantidad de tiempo que esté conectada, luego podemos enunciar la ley de Joule diciendo que la cantidad de calor desprendido por una resistencia es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de corriente al valor la resistencia y al tiempo. Pero el calor no es el único efecto de la corriente eléctrica, también lo es la luz. Existen dos formas de producir luz mediante la electricidad. 1. Por calentamiento. 2. Por excitación de un gas sometido a descargas eléctricas.

AplicacionesEn este efecto se basa el funcionamiento de diferentes electrodomésticos como los hornos, las tostadoras y las calefacciones eléctricas, y algunos aparatos empleados industrialmente como soldadoras, etc., en los que el efecto útil buscado es, precisamente, el calor que desprende el conductor por el paso de la corriente.

Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones es un efecto indeseado y la razón por la que los aparatos eléctricos y electrónicos necesitan un ventilador que disminuya el calor generado y evite el calentamiento excesivo de los diferentes dispositivos como podían ser los circuitos integrados. E inclusive las lámparas incandescentes que producen más energía calorífica que lumínica.

Véase también• Efecto Termoeléctrico

TermoparCuando de sueldan dos conductores de materiales diferentes A y B y el extremo soldado se somete a una temperatura diferente a los extremos libres, se produce entre estos últimos una pequeña diferencia de voltaje que es característica del par soldado. Este par soldado se conoce como termopar y el efecto que produce el voltaje se llama efecto Peltier. Estos conductores pueden ser metálicos puros o sus aleaciones, también metaloides e incluso cerámicas especiales.

El voltaje y la polaridad generados es del orden de las milésimas de voltio y depende de la diferencia de temperatura entre los extremos soldados y los extremos libres y de la naturaleza del par.También se produce el efecto inverso, es decir si se aplica un voltaje a los extremos libres el extremo soldado se calentará o enfriará de acuerdo a la polaridad del voltaje aplicado.Si se conectan en serie varios termopares sus voltajes se suman con lo que la señal final se amplifica notablemente.El efecto termopar directo se usa para medidores de temperatura industriales y de laboratorio y el efecto inverso para fabricar pequeñas neveras que enfrían o calientan el interior.La conexión en serie de múltiples termopares da lugar a verdaderos generadores térmicos que pueden producir voltajes y corrientes capaces de hacer funcionar por ejemplo a pequeños radios a transistores utilizando como fuente de calor, el generado por lámparas de combustión.

...OOO...

La temperatura es una medición de la energía cinética promedio de las partículas en una muestra de materia, que se expresa en unidades de grados o en una escala estándar. Usted puede realizar mediciones de temperatura de muchas formas diferentes, que varían con la exactitud y costo del equipo. Las termopares son unos de los sensores más comunes empleados en la medición de temperatura, ya que son relativamente económicos brindando exactitud y además pueden operar sobre un amplio rango de temperaturas.

Vea un video de 60 segundos de cómo Realizar una Medición con una termopar

Una termocupla se crea siempre que dos metales diferentes se tocan y el punto de contacto produce un pequeño voltaje en circuito abierto como una función de la temperatura. Este voltaje termoeléctrico se conoce como el voltaje de Seebeck, en honor a Thomas Seebeck, quien lo descubrió en el año de 1821

Células de efecto PeltierUna célula de peltier es un dispositivo termoeléctrico que convierte la energía eléctrica en energía calorífica. Estas célualas son un alaternativa a la refrigeración medainte compresión y expansión de vapores con la absorción de calor correspondiente. Estos circuitos frigorificos requieren condensadores , evaporadores, compuestos refrigerantes y circuitos de expansión para llevar a cabo su labor. Dichas células basan su funcionamiento en el efecto peltier.Están formadas por un número de de parejas de semiconductores P,N , para poder bombear una cantidad de calor importante. Dichas células se pueden emplear tanto para enfriar como para calentar, aunque para esta segunda opción , existen otras alternativas más eficientes. La organización de los semiconductores en la célula consiste en su conexión en serie eléctricamente y térmicamente en paralelo, situados entre dos placas cerámicas metalizadas.

El rendimiento de las células puede aumentar colocando en módulo varias células eléctricamente en

serie y termicamente en paralelo.

Descripción

RefrigeraciónLa potencia eléctrica es empleada para bombear el calor de la cara fría a la caliente. Existen dos fenómenos que impiden que toda la potencia eléctrica sea transformada en calor bombeado:

• Efecto Joule en semiconductores: Aparecen pérdidas en forma de calor debida a la resistencia eléctrica .

• Transferencia del calor de mayor a menor temperatura de forma natural. Dicho fenómeno es por el cual objetos que permenezcan en una region estén a la misma temperatura mientras no se aplique una energia externa.

Ventajas de las células frente a otros refrigeradoresExisten una serie de ventajas e inconvenientes en la utilización de dichas células como elemento refrigerador frente a otro tipo de elementos.

• Debido a que no existen elementos móviles , existe un menor desgate ,aumenta la durabilidad y la fiabilidad, es decir las averias son menos probables.

• El mantenimiento es más reducido

• El control de la temperatura es más sencillo debido a que la temperatura que se obtiene en la célula es proporcional a la corriente que la atraviesa, a diferencia de otros elementos en los que se emplean compresores y elementos químicos , donde hay que controlar presiones de vaporización , de comproseión etc.

• Las células pueden trabajar en multitud de entornos .

• Debido a que para su fabricación se usan semiconductores y existe una tecnología desarrollada en este campo se pueden conseguir células de dimensiones reducidas siendo esto importante en sistemas donde las dimensiones o peso sean un requisito a tener en cuenta.

• Coste bajo.

• Las células se pueden apilar para conseguir gradientes de temperatura superiores. Además se pueden conectar electricamente en serie, paralelo o serie-paralelo suministrando suficiente

tensión y corriente, para la configuración que mejor se adapte a la aplicación.

Tambien existen una serie de desventajas asociadas:

• La capacidad de extracción de calor es reducida si se compara con otros dispositivos . Debido a este el número de aplicaciones en las que existe viabilidad de uso para dichas células se ve reducido.

• Debido a que una de las caras se calienta , es necesario dependiendo el tipo de aplicación y el lugar donde estén situadas las células, refrigerar la célula para no dañar la misma o para que no se dañen otros componentes cercanos a la célula. Debido a la temperatura que pueden alcanzar esta en función de la temperatura de soldadura utilizada en la fabricación, se debe mantener la temperatura por debejo de dichos limites para evitar la destrucción de la célula. Se utilizan soldaduras a 138 C o 193 C.

Amanecer de los de la célula de Thermo March 2, 2010 | 4 Comments 02 de marzo 2010 | 4 Comentarios

A thermocell is a device that captures heat energy and converts it to electricity, an idea with the potential of doubling or tripling the available power supply if applied to the various thermal heat engines that are used to generate electricity. Un thermocell es un dispositivo que capta la energía del calor y la convierte en electricidad, una idea con el potencial de duplicar o triplicar la red eléctrica si se aplica a los motores de calor varias térmicas que se utilizan para generar electricidad. Success at high efficiency, scale and price would have a dramatic effect of power costs worldwide. El éxito en la eficiencia de alta escala, y el precio tendría un efecto dramático de los costos de energía en todo el mundo. As the numbers below show, applications could be widespread. Como los números a continuación muestran, las aplicaciones pueden ser muy amplias. This is definitely a field to watch closely. Esto es definitivamente un campo para ver de cerca.

An international team of researchers from the US (link to University of Texas Dallas), India and Australia demonstrated thermo-electrochemical cells in practical configurations from coin size and shaped cells to cells that can be wrapped around exhaust pipes that harvest low-grade thermal energy (temperature below 130 °C), using relatively inexpensive carbon multiwalled nanotube (MWNT) electrodes. Un equipo internacional de investigadores de los EE.UU. (enlace a la Universidad de Texas en Dallas), la India y Australia demostraron células electroquímicas-termo en configuraciones prácticas a partir del tamaño de la moneda y forma de las células a las células que se puede envolver alrededor de los tubos de escape que la cosecha de grado térmico de la energía baja (temperatura por debajo de 130 ° C), con relativamente barato de nanotubos de carbono de pared múltiple (MWNT) electrodos. Applications can be anywhere heat is a source and electricity is a part of the energy use. Las aplicaciones pueden estar en cualquier parte es una fuente de calor y electricidad es una parte del consumo de energía.

Thermocell Installed Over Pipe. Thermocell instalada sobre el tubo. A thermocell is wrapped around a stainless steel pipe to generate electrical power. Un thermocell se envuelve alrededor de un tubo de acero inoxidable para generar energía eléctrica.

The team's work paper was published online February 19th in the ACS journal Nano Letters. equipo de trabajo El papel fue publicado en línea el 19 de febrero en la revista ACS Nano Letters.

International Team's Thermocell Function. Equipo Internacional de Función Thermocell. Click image for the largest view. Haga clic en la imagen para la mayor vista.

The thermocell is a structure that has an anode that operates in the heat source and a cathode that operates in cooler or cold source. El thermocell es una estructura que tiene un ánodo, que opera en la fuente de calor y un cátodo, que opera en el refrigerador o la fuente fría. The team's anode and cathode provide high electrochemically accessible surface areas and fast redox-mediated electron transfer. El equipo de ánodo y cátodo proporcionar áreas de gran superficie electroquímico de acceso y una rápida transferencia de electrones redox mediada. The surfaces the team has designed significantly enhance thermocell current generation capacity and overall efficiency. Las superficies del equipo ha diseñado para ampliar considerablemente la capacidad thermocell generación actual y la eficiencia general. The team showed efficiency of thermocells with MWNT electrodes to be as high as 1.4% of Carnot efficiency – 3 times higher than previously demonstrated thermocells. El equipo demostró la eficiencia de thermocells con electrodos MWNT a ser tan alto como 1,4% de la eficiencia de Carnot - 3 veces mayor que thermocells demostrado previamente. They are getting somewhere with a good jump. Se trata de llegar a alguna parte con un buen salto.

So far low efficiencies and costly electrode materials have limited harvesting of thermal energy as electrical energy using thermo-electrochemical cells. Hasta el momento bajas eficiencias y materiales costosos electrodos han limitado la recolección de energía térmica como la energía eléctrica mediante celdas electroquímicas termo-. With the cost of MWNTs decreasing, MWNT-based thermocells may become commercially viable for harvesting low-grade thermal energy. Con el costo de MWNTs disminuyendo, thermocells MWNT basado puede llegar a ser comercialmente viable para la recolección de energía térmica de bajo grado. One part of the team's astonishing result is from efficiency further improved by directly synthesizing MWNTs as vertical forests that reduce electrical and thermal resistance at electrode/substrate junctions. Una parte del resultado asombroso del equipo es de seguir mejorando la eficiencia directamente sintetizar MWNTs como los bosques verticales que reducen la resistencia eléctrica y térmica en las uniones del electrodo sustrato /.

The team developed the carbon nanotube -based thermocells utilizing the ferri/ferrocyanide redox couple and electrodes made from carbon-multiwalled nanotubes (MWNT) buckypaper and vertically aligned MWNT arrays. El equipo desarrolló el thermocells basados en nanotubos de

carbono, utilizando el ferri / ferrocianuro par redox y electrodos de nanotubos de carbono de pared múltiple (MWNT) buckypaper y verticalmente alineados matrices MWNT. The buckypaper is made by a filtration process that is analogous to that used for making ordinary paper. El buckypaper se hace por un proceso de filtración que es análoga a la utilizada para la fabricación de papel ordinario. That common process for making thermocells is very encouraging. Ese proceso común para la toma de thermocells es muy alentador.

They found that the performance of MWNTs as thermocell electrodes supersedes that of conventional electrode materials, including expensive platinum foil and graphite sheet. Ellos encontraron que el rendimiento de MWNTs como electrodos thermocell reemplaza a la de los materiales de electrodos convencionales, incluyendo una lámina de platino costoso y la hoja de grafito. With a hot-side temperature of 65 °C and a temperature difference of 60 °C, they achieved a maximum output power of 1.8 W/m2 in a stagnant cell, justifying the efficiency claim of Carnot cycle efficiency of 1.4%. Con una temperatura del lado caliente de 65 ° C y una diferencia de temperatura de 60 ° C, que logró una potencia máxima de salida de 1,8 W / m 2 en una celda de estancamiento, lo que justifica la afirmación de la eficiencia de la eficiencia del ciclo de Carnot de 1,4%. Cheap enough – this could make great sense. Lo suficientemente barato - esto podría hacer gran sentido. The temp zone is below what is being seen for binary generator sets. From the paper (a pdf file link): La zona de temperatura está por debajo de lo que está siendo visto por los grupos electrógenos binario. Desde el papel (un enlace de archivos pdf):

“…Thermocells using aqueous potassium ferrocyanide/ ferricyanide redox solution have been studied by many groups because this redox system reversibly exchanges one electron per iron atom and produces a large reaction entropy, yielding Seebeck coefficient (>1 mV/K) and high exchange current. "... Thermocells con ferrocianuro potásico acuoso / solución redox ferricianuro han sido estudiadas por muchos grupos, porque este sistema redox intercambios reversible un electrón por átomo de hierro y produce una reacción de entropía grandes, con un rendimiento coeficiente de Seebeck (> 1 mV / K) y la corriente de cambio alto. However, to obtain efficiencies of reasonable interest noble metals such as Pt are usually required as electrode materials in thermocells, and this restricts commercial viability. Sin embargo, para obtener la eficiencia de los metales nobles de interés razonables, tales como Pt suelen ser necesarios como materiales de electrodo en thermocells, y esto limita la viabilidad comercial. Also, the best prior-art thermocells typically have efficiencies of~0.40% of Carnot efficiency (when efficiency is correctly evaluated, as discussed below). Además, el mejor arte thermocells antes típicamente tienen una eficiencia de ~ 0,40% de la eficiencia de Carnot (cuando la eficiencia es correctamente evaluada, como veremos más adelante). In fact, it was previously predicted that a power conversion efficiency of 1.2% of the Carnot efficiency would be difficult to achieve. De hecho, se predijo con anterioridad que una eficiencia de conversión de energía del 1,2% de la eficiencia de Carnot sería difícil de lograr.

With improvements in cell design and optimization of MWNT properties and electrode structure, thermocell efficiency is likely to increase. Con las mejoras en el diseño de células y la optimización de las propiedades MWNT y estructura del electrodo, la eficiencia thermocell es probable que aumente. Thin coin-like thermocells were fabricated and operated for three months to provide essentially constant power output. Delgadas como thermocells-moneda fueron fabricados y operados por tres meses para proporcionar potencia de salida constante esencialmente.

In such configurations, direct synthesis of MWNT forest electrodes was shown to provide improved thermal contact that contributed to a 30% increase in efficiency as compared to buckypaper electrodes that required secondary attachment to the package substrates. En este tipo de configuraciones, la síntesis directa de electrodos forestales MWNT Se ha demostrado que proporcionan una mejor contacto térmico que han contribuido a un aumento del 30% en la eficiencia en comparación con los electrodos buckypaper que requiere aditamento secundario al paquete de sustratos. The performance of MWNT-based thermocells was shown to be scalable and amenable to complex systems. El rendimiento de basado en thermocells MWNT ha demostrado ser

escalable y susceptibles de sistemas complejos.

With the cost of MWNTs decreasing, thermocells with the performance reported here may develop into an economical solution for harvesting untapped supplies of low-grade heat. Con el costo de MWNTs disminuyendo, thermocells con el rendimiento que aquí puede convertirse en una solución económica para la recogida de suministros sin explotar de grado fuego lento. Moreover, the enhanced thermocell performance demonstrated in this study using MWNT electrodes suggests that other nanostructured electrode materials might also be applied to significantly enhance the efficiency of thermocell devices. Por otra parte, el rendimiento mejorado thermocell demostrado en este estudio con electrodos MWNT sugiere que otros materiales de los electrodos nanoestructurados también podría aplicarse a mejorar significativamente la eficacia de los dispositivos thermocell.

Thermo-electrochemical cells (otherwise known as thermogalvanic cells or thermocells) that utilize the temperature dependence of electrochemical redox potentials (ie, the Seebeck effect) to produce electrical power may become an attractive alternative for harvesting low-grade heat, given their simple design, direct thermal-to-electric energy conversion, continuous operation, low expected maintenance, and zero carbon emission. ” Termo-células electroquímicas (también conocido como células thermogalvanic o thermocells) que utilizan la dependencia de la temperatura de los potenciales redox electroquímica (es decir, el efecto Seebeck) para producir energía eléctrica puede convertirse en una alternativa atractiva para la cosecha de grado de calor de baja, debido a su diseño simple, directa a la conversión térmica de energía eléctrica, la operación continua, el mantenimiento previsto de baja, y cero emisiones de carbono. "

This is just Version 1 of the latest thermocell leap. Esto es sólo una versión de el salto más thermocell. The list of possible applications just boggles ones' thoughts. La lista de posibles aplicaciones sólo perturba los pensamientos ". With a starting point of only 65 °C and a temperature difference of 60 °C the team's efforts are addressing a huge store of energy with higher temperature application research surely in mind. Con un punto de partida de sólo 65 ° C y una diferencia de temperatura de 60 ° C los esfuerzos del equipo se ocupan de una tienda enorme de energía con una mayor investigación de aplicación de temperatura sin duda en la mente.

Thermocell may well have a role in cogneration. Thermocell bien puede tener un papel en cogneration. In an ideal energy production, all the heat would go out in work. En una producción de energía ideal, todo el calor iba en el trabajo. That level of overall efficiency would change the entire field of view in energy production and use. Ese nivel de eficiencia global iba a cambiar todo el campo de vista de la producción y uso de energía. The team's work is an effort worthy of congratulations. El trabajo del equipo es un esfuerzo digno de felicitación.

Thanks to Al Fin for the tip. Gracias a Al Fin de la punta.

Nuestro termopar.

Un ejemplo de pares metálicos que resultan efectivos para la producción de corriente es el formado por la unión de cobre y níquel.

Hemos construído termopares uniendo los diferentes alambres que hemos conseguido. Algunos no resultaron muy adecuados, otros tenían distintos grosores y nos resultó difícil trenzarlos. Tampoco sabíamos la composición de muchos de ellos.

El del centro de la fotografía es de un equipo de física del Centro y daba mucha más corriente que los fabricados por nosotros.

A pesar de todo, utilizando nuestros termopares, logramos demostrar el fenómeno de la piroelectricidad y obtener corriente aunque en muy pequeña cantidad.

...gregaremso ke solo es elavOrar mushos pares lo maximos posivles i unirlso en serie o paralelo aun horno artesanal Fogon o fuente de kalor i podremos tener un voltage valido de unos 12 voltios i lagun Amperage Util... para karga... ...depende la komfiguraxiom en serie o paparelo ilAz kamtidades de termopares para ovtener una korriente elektrika ke podremos almasenar siempre ke se usen las fuentes de kalor inkluso fogatas i rekargar moviles o aparatos pekeños en sitios aislados o akumular karga en superkomdensadores artesanales o vaterias normales o Artesanales...

...la estufa kada fogon es hum posivle generardor de korirente elektrika siempre ke se kosina...

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...Este artikulo esta enlasado ala vivliOteka de livre i Natural... .

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...KomphilhadO por EkosOphia... para la EKOSMUNiDAD... ...2O13...

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