pf_10_0 peltier evolucion_a5

1820 H. C. OERSTED- T. J. SEEBECK
En 1820 Hans Christian Oersted descubrió que una
corriente eléctrica que fluye cerca de una aguja magnética
tenía el poder de desviar la aguja.
Thomas Johann Seebeck, conociendo el descubrimiento de
Oersted. Sólo unos pocos meses después, en agosto de
1821, anunció a la Berlin Academy of Sciences su
descubrimiento según el cual dos metales diferentes, que
forman un círculo cerrado, en ausencia de humedad,
muestran propiedades magnéticas cuando se somete a una
diferencia de temperatura en los puntos de contacto. Había
experimentado con un número de combinaciones de metales
(declarando que una combinación de antimonio-bismuto
como más eficaz), y había comprobado los efectos tanto de
calefacción y refrigeración en las uniones. Estableció que la
deflexión de la aguja magnética surgió de la diferencia de la
temperatura de las uniones metálicas y que los efectos varían
para los diferentes metales, y fueron mayores para mayores
diferencias de temperatura. En sus resultados, informó el
movimiento de la aguja en términos de este o una desviación
del oeste, y describió el fenómeno como "termomagnetismo,en los años posteriores se adoptó la expresión
"termoelectricidad". . Es interesante observar que si se
hubieran utilizado estos materiales, en ese momento, para
construir un generador termoeléctrico, éste podría haber
tenido una eficiencia de alrededor de 3%, similar a la de los
motores de vapor contemporáneos. En su honor se considera
el coeficiente de Seebeck definido como la tensión que se
produce entre dos puntos de un conductor, cunado existe una
diferencia de temperatura uniforme de 1K entre los puntos.
LA REFRIGERACIÓN
TERMOELÉCTRICA
EL EFECTO PELTIER
EVOLUCIÓN
La historia cuenta que Seebeck no fue el primero en
observar este efecto. En la “Historia de la física” de Mario
Glozzi se relata que en 1794 el italiano A. Volta descubrió que
al calentar el extremo de un conductor de acero o mantenerlo
a distintas temperaturas, surge una corriente eléctrica.
E. TORRELLA
2
EJEMPLOS DE TERMOPILAS
La termopila
Una matriz conectada en serie de termopares se
conoce como un "termopila", por analogía con la pila
voltaica. El físico danés Oersted y el físico francés
Fourier inventaron las primeras pilas termo-eléctricas
en 1823, utilizando pares de antimonio y bismuto
soldados en serie. La termopila fue desarrollado por
Leopoldo Nobili y Macedonio Melloni. Fue utilizada
inicialmente para mediciones de la temperatura y la
radiación de infrarrojos, pero también se usó
rápidamente para un suministro estable de
electricidad.
Termopila Pouillet 1840
Termopila Ruhmkorff 1860
Termopila Glcher1898
Termopila Clamond 1879
E. TORRELLA
3
E. TORRELLA
4
1
1822 FARADAY-1826 OHM
(POGGENDORF)
1826 H. BECQUEREL
La primera tentativa para hacer uso del
descubrimiento de Seebeck como un medio para
medir altas temperaturas vino de Henri Becquerel
en un documento de la Academia Real de las
Ciencias de París, el 13 de marzo de 1826. Sus
investigaciones incluyen observaciones de la
desviación de la aguja obtenidos con un número de
combinaciones de alambres de metal cuando una
unión se calentó en una lámpara de alcohol, y se
deduce que, para algunas de estas combinaciones,
la intensidad de la corriente desarrollada era
proporcional a la subida de la temperatura. La
combinación más adecuada, decidió, era un circuito
que constaba de cables de platino y paladio.
Faraday llevó a cabo el siguiente
experimento, y lo registra en su diario :
LTCA. 21, 1822. Exp del Dr. Seebeck. Un.
Phil. N.S. Vol. iv. p. 318 “Una barra de
Antimonio y latón; la barra se calienta en un
extremo, donde se sitúa el polo norte de una
aguja imantada, el efecto sobre la aguja fue
muy poderoso y constante.
En esos momomentos, Georg Simon Ohm
estaba trabajando en la propagación de la
electricidad a través de conductores, y en el
concepto de resistencia, sin embargo tenía
problemas debido a las variaciones de
intensidad que se producían con sus
baterías. A instancia de Johann Christian
Poggendorf reemplazó sus baterías por pilas
termoeléctricas, con las que realizó sus
trbajos en 18826, usando circuitos de
bismuto y cobre, con una unión dentro de un
recipiente de agua en ebullición y la otra en
hielo. Como anécdota es conveniente
recordar la mala aseptación que tuvo su ley,
el ministro prusiano de educación declaró
que "un profesor que predica tales herejías
es indigno de enseñar ciencia”.
E. TORRELLA
Henri Becquerel mostró además que las
características eran independientes del diámetro del
alambre, y también que un alambre de platino
impuro daría lugar a una corriente si se combina
con un alambre de platino puro; remarcando la
necesidad de limpiar el platino con ácido nítrico para
evitar efectos espureos debido a la contaminación.
En 1910 Werner Haken, a raíz de los estudios
sobre Zn Sb y Cd Sb de Becquerel, caracterizó
cuantitativamente el coeficiente Seebeck y la
conductividad eléctrica de muchos elementos,
aleaciones y compuestos. Identificando a Sb2Te3,
Bi2Te3, SN Te, y aleaciones de Cu-Ni como buenos
materiales termoeléctricos e incluso estudiado el Pb
Te.
E. TORRELLA
5
1826 L. NOBILI
6
1834 J. C. A. PELTIER
Leopoldo Nobili, en base al
descubrimiento de Seebeck y
en
colaboración
con
Macedonio
Melloni,
desarrollaron
una
batería
termoeléctrica en 1826, la
denominaron
el
"termomultiplicador”, la utilidad que
buscaban era la medición de
la radiación infrarroja. Por su
trabajo, algunas personas
consideran a Nobili como el
inventor del termopar como se
le conoce hoy en día, o por lo
menos del primer prototipo.
E. TORRELLA
No es hasta 1834 que Jean
Charles
Athanase
Peltier
describió los efectos térmicos en
las uniones de conductores
cuando una corriente eléctrica
fluye entre los materiales. Peltier
se equivocó al tratar de explicar el
fenómeno, achacándolo a una
excpción a la lay de Ohm.
La esencia de este efecto, que
lleva el nombre de Peltier y que
básicamente es el contrario del
efecto Seebeck, consiste en que
al pasar una corriente eléctrica
por un circuito en forma de lazo,
que consta de dos alambres
metálicos diferentes, una unión
absorbe calor y la otra lo cede.
7
E. TORRELLA
8
2
1838 H.F.E. LENZ
1851 G. MAGNUS
Heinrich Friedrich Emil Lenz,
cuatro años más tarde que Peltier,
concluyó que la adsorción de calor o
generación en las uniones dependen
de la dirección del flujo de corriente.
En 851 Gustav Magnus
descubrió que el voltaje
producido
por
efecto
Seebeck no dependía de la
distribución de temperaturas
a los largo de los materiales
que componen el elemento,
entre
las
uniones,
y
proponiendo que el efecto
era una función de estado
termodinámica,
lo
que
conlleva su utilización como
sensores de temperatura.
Lenz puso una gota de agua en la
unión de dos materiales, bismuto y
antimonio. Esta gota de agua se
congeló al pasar una corriente
eléctrica en una dirección y se derritió
al cambiarle el sentido
Además
Lenz
estudió
la
conductividad eléctrica y descubrió el
efecto conocido como efecto Joule,
con
independencia
de
las
experiencias y conclusiones a que a
este respecto llegó el científico que le
dio nombre.
E. TORRELLA
Antiguos
termopares
bismuto – antimonio.
1851 W. Thomson (later Lord Kelvin)
10
1885 E.m.f. - Temperature Relationship
En 1851 W. Thomson (Lord
Kelvin), uno de los fundadores
de la termodinámica. El
análisis termodinámico que
hizo de la termoelectricidad y
del efecto Peltier lo llevaron no
sólo al establecimiento del
enlace entre los dos efectos,
sino al descubrimiento de un
tercer efecto, que lleva su
nombre y consiste en la
generación o absorción extra
de calor (además del calor de
Joule) al pasar una corriente
por un conductor homogéneo
en el cual existe un gradiente
de temperaturas.
E. TORRELLA
E. TORRELLA
9
Mikhail Petrovich Avenarius (1863)
investigo la relación entre la fuerza
electromotriz generada por efecto
Seebeck y la temperatura, el trabajo
se realizó con combinaciones de
acero y nikel-plata, y cobre con cinc.
Obtuvó una expresión parabólica del
tipo:
E = a + bt + ct2
No obstante, pocos años mas tarde
rechazó estos resultados.
En 1885 Henry Le Chatelier, fué el
primero en emplear la aleación
rhodio-platino
con
platino,
recomendando la calibración de los
termpares con punto fijos de
solidificación
o
ebullición
de
sustancias puras.
11
E. TORRELLA
12
3
1909-1911 E. ALTENKIRCH
1929 A. F. IOFFE
En 1885 Lord Rayleigh calculó (no del todo correctamente) el coeficiente de eficiencia térmica de un
generador termoeléctrico.
Por iniciativa de A. F. Ioffe , Y.
P. Maslokovets inició el estudio
de
la
termoelectricidad
en
semiconductores y en 1940 emitió
un
comunicado
sobre
un
termoelemento con coeficiente de
eficiencia
térmica
de
aproximadamente el 3%, cuyas
ramas estaban hechas de sulfato
de plomo, en donde además, una
de las ramas tenía restos de
azufre y la otra de plomo. Ambos
crearon
la primera
batería
industrial cuya fuente de energía
era una lámpara de petróleo. Esta
batería fue utilizada en la
Segunda Guerra Mundial para
alimentar los transmisores y
receptores de radio (se le
denominó radio partisana).
En 1909 Edmund Altenkirch propuso de nuevo el mismo cálculo, sólo que de forma correcta. En 1910, el
mismo Altenkirch propuso el problema técnico del calentamiento y enfriamiento termoeléctrico. Sin embargo,
en ese entonces los únicos conductores conocidos eran los metales, y resultaron económicamente
ineficientes. Surgieron algunos tipos de termo-electrogeneradores, pero no fue posible su distribución debido
a que su coeficiente de eficiencia térmica no pasaba del 0.6%, por lo que la termoelectricidad pasó de nuevo
a ser parte de los cursos de física, junto con la luminiscencia y la piezoelectricidad.
Poco más tarde, en 1909 y 1911, Altenkirch mostró que los buenos materiales termoeléctricos deben
poseer grandes coeficientes Seebeck, alta conductividad eléctrica y baja conductividad térmica. Una alta
conductividad eléctrica es necesaria para minimizar el calentamiento Joule, mientras que una baja
conductividad térmica ayuda a retener el calor en las uniones y mantener un gradiente de temperatura
grande. Estas tres propiedades fueron posteriormente incorporadas en la llamada figura de mérito “Z”. Dado
que Z varía con la temperatura, una figura de mérito adimensional se define como ZT.
Aunque las propiedades para buenos materiales termoeléctricos eran conocidas, las ventajas de los
semiconductores como materiales termoeléctricos se descuidaron y la investigación siguieron centrándose
en los metales y aleaciones metálicas. Estos materiales tienen sin embargo una relación constante de
conductividad térmica a eléctrica (ley Widemann-Franz-Lorenz) por lo que no es posible aumentar una sin
aumentar la otra. Por lo tanto, los metales que mejor se adaptan a las aplicaciones termoeléctricas deben
poseer un alto coeficiente de Seebeck, desafortunadamente, la mayoría poseen coeficientes Seebeck del
orden de 10 microvoltios / K, lo que resulta insuficiente.
Fue durante la década de 1920 que el desarrollo de los semiconductores sintéticos con coeficientes
Seebeck superiores a 100 microvoltios / K hizo aumentar interés por la termoelectricidad.
E. TORRELLA
E. TORRELLA
13
1930 APLICACIONES RADIO SEEBECK
MUY RUSAS
14
1947 M. TELKES
En 1947, Maria Telkes
desarrolla un generador
termoeléctrico
para
suministro eléctrico al
edifico Dover House, una
estructura en forma de
cuña que concibió con el
arquitecto
Eleanor
Raymond.
Maria Telkes construye
el
primer
generador
termoelécrico con una
eficiencia del 5%.
E. TORRELLA
15
E. TORRELLA
16
4
1954 H. J. GOLDSMID
1959 WESTINGHOUSE
En 1959 Westinghouse
lanza al mercado una
nevera doméstica de efecto
Peltier, con materila de
bismuto Telluro (Bi2Te3). Sin
éxito comercial.
H. Julian Goldsmid
xonsigue
alcanzar
temperaturas de 0ºC en
dispositivos Peltier con
Bismuto
Teluro
(Bi2Te3).
E. TORRELLA
No obstante, en la
actualidad, los pequeños
enfriadores
por
efecto
Peltier tienen aceptación
como enfriafores de vino,
cerveza, o en hoteles por su
funcionamiento silencioso.
E. TORRELLA
17
1959- NASA
18
1970
Thermoelectric generators are all solid-state devices that convert heat into
electricity. Unlike traditional dynamic heat engines, thermoelectric
generators contain no moving parts and are completely silent. Such
generators have been used reliably for over 30 years of maintenance-free
operation in deep space probes such as the Voyager missions of NASA.
El
primer
marcapasos
cardíaco alimentado por un
generador termoeléctrico de
radioisótopos en miniatura,
fabricado por Medtronic, se
implanta en un ser humano en
Francia.
1959 US President Dwight D. Eisenhower unveils the first Radioactive
Thermoelectric Generator (RTG) "SNAP III," launched two years later in the
first RTG-equipped spacecraft, Transit 4A, to orbit earth as a navigational
satellite.
1968 SNAP-19 becomes the first radioisotope thermoelectric generator to
be flown on a NASA spacecraft after the simplicity and reliability of
thermoelectrics prove to be the most viable way to generate power
remotely. Another thermoelectric SNAP generator makes it to the moon the
next year.
1977 NASA launches Voyagers 1 and 2 powered by MHW-RTG3, a
Silicon Germanium (SiGe) thermoelectric generator.
Los generadores termoeléctricos son dispositivos de estado sólido que
convierten el calor en electricidad. A diferencia de las máquinas térmicas
dinámicas tradicionales, los generadores termoeléctricos no contienen
piezas móviles y son completamente silenciosos. Estos generadores se han
utilizado de forma fiable durante más de 30 años en sondas espaciales
tales como las misiones Voyager de la NASA.
La
batería
nuclear
desarrollada por Alcatel para
Medtronic usa un pequeño
lingote de metal de Plutonio
238 (No el plutonio 235 usado
en bombas atómicas). El calor
producido
por
la
descomposición del Pu-238 se
convierte
en
electricidad
mediante una termopila.
En 1959 El presidente estadounidense Dwight D. Eisenhower desvela el
primer radiactivo generador termoeléctrico (RTG) "SNAP III", lanzado dos
años después, en la primera nave espacial RTG equipada, Transit 4A, en
orbita terrestre como un satélite de navegación.
En 1968 SNAP-19 se convierte en el primer generador termoeléctrico de
radioisótopos en volar en una nave espacial de la NASA después de que la
simplicidad y fiabilidad de los dispositivos termoeléctricos ha demostrado
ser la forma más viable para generar energía de forma remota. Otro
generador termoeléctrico SNAP hace a la Luna el próximo año.
En 1977 La NASA lanza los Voyagers 1 y 2 impulsados por el MHWRTG3, un generador termoeléctrico de silicio germanio (SiGe).
E. TORRELLA
19
E. TORRELLA
20
5
1993 L. D. HICKS & M. S. DRESSELHAUS
1998 SEIKO
En 1933 Lyndon Hicks y
Mildred Dresselhaus publican
un documento teórico que
indica que la nanotecnología
puede
ofrecer
avances
significativos en la eficiencia
de
los
materiales
termoeléctricos, marcando el
comienzo de la era moderna
en Termoelectricidad. Tardaría
casi diez años antes de que
tales mejoras se muestren de
forma experimental, y veinte
antes
de
que
fueran
incorporados a nivel industrial.
Seiko presenta el
reloj Thermic, el primero
alimentado por el calor
del cuerpo, que tiene un
generador
termoeléctrico
de
Bismuto
Telluro
(Bi2Te3).
Microelementos
termoeléctricos (Micropelt).
E. TORRELLA
21
UTILIZACION EFECTO SEEBECK
E. TORRELLA
22
UTILIZACION EFECTO SEEBECK
Reloj termoeléctrico “CITIZEN”,
funciona mediante diferencia de
temperaturas. Especificaciones:
1242 pares termoeléctricos.
Genera 13.8 microvatios por
grado centígrado.
Voltaje de 515 microvoltios
por grado centígrado.
E. TORRELLA
23
E. TORRELLA
24
6
1999 SILLÓN CLIMATIZADO
2012 MAS APLICACIONES DOMÉSTICAS
Biolite estufa de camping termoeléctrica, quema
madera o combustible similar. A medida que el
fuego calienta, un generador termoeléctrico
comienza a mover un pequeño ventilador que
intensifica la combustión y enfría el extremo frío de
los termoelementos, puede hervir un litro de agua
en cuatro minutos. La producción eléctrica
(alrededor de 1-2 W) se usa para el funcionamiento
de luces LED o cargar teléfonos móviles (también
calenta alimentos).
Amerigon
(ahora
llamado
Gentherm)
fundada por el Dr. Lon
Bell,
introduce
los
primeros refrigeradores
termoeléctricos en los
asientos de un Lincoln
Navigator y un Lexus de
Toyota
utilizando
bismuto
Telluride
(Bi2Te3).
E. TORRELLA
Lámpara Lufo con radio, o para cargar teléfonos.
25
E. TORRELLA
26
7