Главная - Литература

0 1 2 3 4 5 6 [7] 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93

Эффект Томсона

Эффект, теоретически предсказанный и экспериментально подтвержденный в 1856 г. Томсоном, наблюдается при протекании электрического тока через проводник или полупроводник, на котором имеется градиент температур (рис. 5).

Знак теплоты Томсона также зависит от направления тока. При совпадении направления тока и знака градиента температур теплота Томсона выделяется, а при их противоположной направленности поглощается *.

Абсолютная величина теплоты Томсона может быть рассчитана по формуле

Qt = /-Ю-* jrdT вт, (17)


i t t ♦

1 г

Рис. 5. Диаграмма, характеризующая процесс выделения теплоты Томсона при прохождении тока через термически неоднородный проводник (полупроводник)

где т - коэффициент Томсона, мкв/град.

Коэффициент Томсона определяется физической природой материала и является величиной, находящейся в сложной зависимости от температуры вещества.

ВЗАИМОСВЯЗЬ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭШШЕКТОВ

При замыкании электрической цепи термоэлемента, на котором создан и поддерживается постоянный градиент температур, могут быть обнаружены все три термоэлектрических эффекта. Физические процессы, обусловленные этими эффектами, обратимы, так как могут быть проведены в обратном направлении, в результате чего система возвратится в первоначальное состояние.

Помимо термоэлектрических эффектов, градиент температур на термоэлементе обусловливает передачу теплоты через термоэлемент теплопроводностью, а наличие тока в цепи приводит к выделению Джоулевой теплоты.

Указанные процессы протекают лишь в одном энтропийном направлении и исключают возможность самопроизвольного возвращения системы в первоначальное состояние, что говорит об их необратимости.

* При условии, что о, т. е. с повышением температуры, коэффициент

термоэдс в большинстве термоэлементов возрастает. (Прим. научн. ред.) 24



Для установления взаимосвязи между тремя термоэлектрическими эффектами уподобим термоэлемент, выполненный в виде замкнутой цепи (рис. 6), обычной тепловой машине с электронным газом в качестве рабочего агента [7], [37]. Предполагая, что необратимые процессы теплопроводности и вьщеления Джоулева тепла отсутствуют, изобразим условный термодинамический цикл такой машины в координатах Т-S фигурой ABCD (рис. 7).

Участки AD и ВС цикла показывают процесс протекания некоторого количества электричества qe через контактные (коммутационные) пластины термоэлемента. Участки А В и CD характеризуют изменение состояния количества элек-



Рис. 6. Схема коротко-замкнутой термоэлектрической цепи

---г-

1 г

Рис. 7. Диаграмма условного термодинамического цикла термоэлектрической «тепловой машины»

тричества, происходящее в результате прохождения тока через полупроводниковые стержни термоэлемента.

На участке ВС цикла происходит поглощение теплоты Пельтье, на участке AD - выделение. Теплота Томсона выделяется на участке CD и поглощается на участке АВ.

Поскольку в цикле не происходит изменения внутренней энергии, алгебраическая сумма количества теплоты, полученной рабочим агентом, и количества теплоты, отданной рабочим агентом, эквивалентна работе, которую совершает термоэлектродвижущая сила при протекании в цепи количества электричества ц:

пл. ABCD = пл. вес В - пл. ADDА - пл. DCCD +

+ пл. ABBА,

П(Г,)-П(Г,)- TpdT+ т„ЛГ

(18)



Так как в цикле рассматриваются лишь обратимые процессы, энтропия системы не изменяется:

П(Гг) П (Гх) , f Тр-т„

ABCD

Тг Ту,

Че-~=0. (19)

Приняв - jTx = dT, на основании уравнения (18) имеем: dEdn + {Xp-x„)dT,

d(~)+ dT = 0.

Следовательно, взаимосвязь термоэлектрических величин может быть выражена следующими формулами:

- т„ = as-- мкв/град; (20)

nasTMKe; (21)

Тр - т„ = - Т- мкв/град. (22)

Необходимо отметить, что уравнения (20), (21) и (22), впервые выведенные Томсоном, получены без учета необратимых процессов. Однако более точные исследования, вьшолненные рядом ученых, показывают справедливость полученных зависимостей, которые и в случаях, когда термоэлектрические эффекты сопровождаются необратимыми процессами теплопроводности и выделения Джоулевой теплоты, дают хорошее совпадение с экспериментальными данными.

§ 2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ, ОХЛАЖДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

И ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Термоэлектричество чаще всего рассматривается в связи с возможностью прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Именно это позволяет отнести термоэлектрический метод наряду с электрохимическим, термоэмиссионным и магнитогидро-динамическим к категории методов, основанных на безмашинном преобразовании энергии.

Однако термоэлектрические эффекты могут быть положены в основу не только процессов генерирования тока, но и процессов получения холода и переноса теплоты. И если в первом случае они позволяют преобразовать часть тепловой энергии в энергию электрическую, то в двух других обеспечивают направленный перенос теплоты, потребляя при этом энергию от посторонних источников [891, [92], [95], [146].



0 1 2 3 4 5 6 [7] 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93



0.001