Efeito termoelétrico
O efeito termoelétrico é a conversão direta da diferença de temperatura em tensão elétrica e vice-versa. Um dispositivo termoelétrico cria uma tensão elétrica quando há uma diferença de temperatura entre seus lados. Quando acontece o contrário, ou seja, lhe é aplicada uma tensão elétrica, cria-se uma diferença de temperatura (fenômeno conhecido como efeito Peltier). Analisando este efeito na escala atômica (em especial, partículas portadoras de carga elétrica), quando é aplicado um gradiente de temperatura em elétrons ou espaços vazios em um metal para diferenciar o lado quente do frio, ocorre a passagem de uma corrente elétrica que foi induzida termicamente. O efeito de movimentação das cargas elétricas é semelhante ao de quando se aquece um gás, que se expande para qualquer lugar, geralmente para lugares mais frios.
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Este efeito de aplicar uma variação de temperatura pode ser usado para gerar eletricidade, medir temperatura, esfriar objetos, aquecê-los ou tratá-los termicamente. O aquecimento ou esfriamento é determinado pelo sentido da corrente elétrica aplicada. Dispositivos termoelétricos produzem controladores de temperatura muito convenientes.
Tradicionalmente, o termo efeito termoelétrico ou termoeletricidade abarca três efeitos identificados separadamente, o efeito Seebeck, o efeito Peltier e o efeito Thomson. Em muitos livros, o efeito termoelétrico pode ser chamado de efeito Peltier-Seebeck. Esta separação provém de descobrimentos independentes do físico francês Jean Charles Athanase Peltier e do físico estônio-alemão Thomas Johann Seebeck. No efeito Joule, o calor gerado quando se aplica uma tensão elétrica através de um material resistente, é em fenômeno relacionado, mas geralmente não se denomina um efeito termoelétrico, e se considera usualmente como um mecanismo de perda devido à não idealidade dos dispositivos termoelétricos). Os efeitos Peltier-Seebeck e Thomson podem, em princípio, ser termodinamicamente reversíveis, enquanto o efeito Joule não é reversível.
Efeito Seebeck
editarO efeito Seebeck foi observado pela primeira vez em 1821 quando o físico Thomas Johann Seebeck estudava fenômenos termoelétricos. [1]
Esse efeito é um clássico exemplo de produção de uma força eletromotriz devido a uma diferença de temperatura de dois metais ou ligas em contato. Ou seja, dois metais, A e B, distintos e unidos por junções e na ausência de eletrólitos ou campos magnéticos [1] com diferentes temperaturas inicias, estarão submetidos a uma diferença de potencial, que por sua vez induzirá uma corrente elétrica que pode ser mensurada como qualquer outra. [2]
A força eletromotriz produzida dependerá da diferença inicial de temperatura dos dois metais, e dos parâmetros de transporte de entropia de cada metal [2] (característica do material). Isso se deve ao fato de metais diferentes responderem de forma distinta com relação a diferenças de temperatura.
O princípio do efeito Seebeck deriva de uma propriedade física dos condutores metálicos submetidos a um gradiente térmico: quando dois condutores metálicos A e B de diferentes naturezas são acoplados mediante um gradiente de temperatura, os elétrons de um metal tendem a migrar de um condutor para o outro, gerando uma diferença de potencial elétrico num efeito semelhante a uma pilha eletroquímica. Através da condução térmica esse efeito é capaz de transformar energia térmica em energia elétrica com base numa fonte de calor mediante propriedades físicas dos metais.
A densidade de corrente é dada por
Na qual é a tensão e é a condutividade elétrica. De maneira geral, o efeito Seebeck é descrito pela criação de campo eletromotriz dado por
Na qual é o Coeficiente Seebeck que depende das características do material e é o gradiente térmico de .
O coeficiente Seebeck geralmente varia de acordo com a temperatura e fortemente com a composição do condutor. Para os materiais comuns a temperatura ambiente, o coeficiente Seebeck fica no intervalo de -100 μV/K a +1000 μV/K.
Efeito Peltier
editarO efeito Peltier foi observado em 1834 por Jean Charles Athanase Peltier, treze anos após o físico Thomas Johann Seebeck ter descoberto o efeito Seebeck em 1821. [1]
O efeito Peltier consiste na produção de um gradiente de temperatura em duas junções de dois condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes quando submetidos a uma tensão elétrica em um circuito fechado.
Esse efeito também é conhecido como Força eletromotriz de Peltier e é o reverso do efeito Seebeck em que ocorre produção de diferença de potencial devido à diferença de temperatura neste mesmo tipo de circuito. Estes dois efeitos podem ser também considerados como um só e denominado de efeito Peltier-Seebeck ou efeito termelétrico. Isto é, são dois efeitos que podem ser considerados como diferentes manifestações do mesmo fenômeno físico.
Quando uma corrente elétrica fluir no circuito e passar pelas junções dos metais, haverá uma variação na temperatura dessas soldagens. Numa das junções libera-se calor e na outra, é absorvido calor. [1]
O calor Peltier gerado nas junções por unidade de tempo, , é dado por
Na qual ( ) é o coeficiente Peltier do condutor A e (B), e a corrente elétrica do circuito. Observamos também que os coeficientes de Peltier representam quanto calor é gerado por unidade de carga. A relação direta entre os efeitos Perlier e Seebeck pode ser observada na conexão entre seus coeficientes: .
Note que o total de calor gerado não é determinado somente pelo efeito Peltier, mas também é influenciado pelo efeito Joule. De fato, o calor liberado, chamado de calor de Peltier, é proporcional a corrente elétrica , enquanto que a outra parte, conhecido como calor liberado devido ao efeito Joule, é proporcional ao quadrado da corrente elétrica ( ). [2]
Efeito Thomson
editarEm 1854, William Thomson (mais tarde Lord Kelvin) mostrou que se as forças eletromotrizes de Peltier fossem as únicas fontes de energia nas soldagens do circuito fechado, então, a força eletromotriz resultante, aquela que chamamos de força eletromotriz de Seebeck deveria depender linearmente da temperatura.[1]
Em muitos materiais, o coeficiente de Seebeck não é constante de acordo com a variação da temperatura. Desse modo, uma dada variação de temperatura pode resultar numa mudança no coeficiente de Seebeck, e a isso podemos denominar de gradiente do coeficiente Seebeck. Se a corrente é conduzida na direção deste gradiente, ocorrerá, então, uma versão contínua do efeito Peltier. Ele descreve o aquecimento ou arrefecimento de um condutor, percorrido por uma corrente, de acordo com um gradiente de temperatura.
Em outras palavras, o efeito Thomsom compreende a relação entre a taxa de produção de calor, que pode ser maior ou menor que , de acordo com a grandeza e direção da corrente, da temperatura e do material.
Se a densidade de corrente passa através de um condutor homogêneo, O efeito Thomson determina a produção de calor por unidade de volume através da seguinte relação:
Na qual é o gradiente de temperatura e é o coeficiente de Thomson. O coeficiente de Thomson se relaciona com o coeficiente de Seebeck da seguinte forma:
- .
Contudo, essa equação oculta o calor liberado pelo efeito Joule.
As relações de Thomson
editarEsta seção não cita fontes confiáveis. (Agosto de 2019) |
O efeito Seebeck é uma mistura do efeito Peltier e Thomson. De fato, em 1854 Thomsom encontrou a relação entre os efeitos e seus coeficientes correspondentes. A temperatura absoluta T, o coeficiente Peltier e o coeficiente S Seebeck estão relacionados da seguinte maneira pela primeira relação de Thomson:
Enquanto que relaciona-se da seguinte maneira de acordo com a segunda relação de Thomson
Nota-se que Thomson inovou o tratamento teórico da termoeletricidade pela tentativa de criação de uma teoria sensata de termodinâmica irreversível.
Ver também
editarReferências
Bibliografia
editar- Besançon, Robert M. (1985). The Encyclopedia of Physics, Third Edition. [S.l.]: Van Nostrand Reinhold Company. ISBN 0-442-25778-3
- Rowe, D. M., ed. (2006). Thermoelectrics Handbook:Macro to Nano. [S.l.]: Taylor & Francis. ISBN 0-8493-2264-2
- Ioffe, A.F. (1957). Semiconductor Thermoelements and Thermoelectric Cooling. [S.l.]: Infosearch Limited. ISBN 0-85086-039-3
- Thomson, William (1851). «On a mechanical theory of thermoelectric currents». Proc.Roy.Soc.Edinburgh: 91–98