Efecto termoeléctrico para niños
El efecto termoeléctrico es un fenómeno fascinante donde la diferencia de temperatura se convierte en electricidad, y viceversa. Imagina que tienes un dispositivo termoeléctrico: si un lado está caliente y el otro frío, ¡puede generar un pequeño voltaje! Al revés, si le aplicas electricidad, un lado se calentará y el otro se enfriará. Esto último se conoce como efecto Peltier.
A nivel muy pequeño, dentro de los materiales, cuando un lado está más caliente que el otro, las partículas cargadas (como los electrones) se mueven desde la zona caliente hacia la fría. Es parecido a cómo el aire caliente se expande y se mueve. Este movimiento de partículas crea una corriente eléctrica.
Este efecto se usa para muchas cosas: generar electricidad, medir temperaturas con mucha precisión, enfriar objetos (como en algunos refrigeradores portátiles) o incluso calentarlos. Como puedes controlar si calientas o enfrías cambiando la dirección de la electricidad, los dispositivos termoeléctricos son muy útiles para regular la temperatura.
Plantilla:Ficha de fenómeno físico
Contenido
¿Qué es el Efecto Termoeléctrico?
El efecto termoeléctrico es la capacidad de algunos materiales para transformar directamente el calor en electricidad, o la electricidad en calor. Es una forma de convertir energía de un tipo a otro sin partes móviles, lo que los hace muy duraderos.
Este fenómeno se utiliza para:
- Calentar cosas.
- Enfriar objetos.
- Medir la temperatura con gran exactitud.
Como la electricidad es fácil de controlar y medir, los aparatos que usan el efecto termoeléctrico permiten un control de temperatura muy preciso. Esto es ideal para la automatización en procesos de refrigeración y calefacción.
Tipos de Efectos Termoeléctricos
Cuando hablamos de "efecto termoeléctrico", nos referimos a tres efectos principales que fueron descubiertos por separado: el efecto Seebeck, el efecto Peltier y el efecto Thomson. A veces, se les llama juntos "efecto Peltier-Seebeck".
Estos efectos fueron descubiertos por el físico estonio-alemán Thomas Johann Seebeck y el físico francés Jean Peltier. Un efecto relacionado es el efecto Joule, que es el calor que se produce cuando la electricidad pasa por un material que ofrece resistencia. Sin embargo, el efecto Joule no se considera un efecto termoeléctrico porque no es reversible. Los efectos Peltier-Seebeck y Thomson sí pueden ser reversibles.
Dependiendo de cómo se transforma la energía, los fenómenos termoeléctricos se dividen en:
- Efecto Seebeck: Se produce electricidad cuando hay una diferencia de temperatura entre dos materiales diferentes que están conectados.
- Efecto Peltier: Cuando la electricidad pasa por la unión de dos materiales diferentes, esa unión se calienta o se enfría, según la dirección de la corriente.
- Efecto Thomson: Es el calentamiento o enfriamiento que ocurre en un solo material por el que pasa corriente, si sus extremos están a diferentes temperaturas.
El Efecto Seebeck: Generando Electricidad con Calor
El efecto Seebeck convierte directamente las diferencias de temperatura en electricidad.
Seebeck descubrió este efecto al notar que la aguja de una brújula se movía cuando conectaba dos metales diferentes y calentaba un punto de unión. Esto sucede porque los electrones en los metales se mueven de forma diferente según la temperatura y el material. Esto crea una pequeña diferencia de voltaje y, por lo tanto, una corriente eléctrica que genera un campo magnético. Al principio, Seebeck pensó que era un efecto magnético, pero el físico danés Hans Christian Ørsted ayudó a explicar que era electricidad.
Este efecto crea un voltaje, llamado fuerza termoeléctrica, cuando hay una diferencia de temperatura entre dos metales o semiconductores distintos. Si estos materiales forman un circuito cerrado, se produce una corriente continua. El voltaje generado es muy pequeño, apenas unos microvoltios por cada grado de diferencia de temperatura. Por ejemplo, una combinación de cobre y constantán puede generar 41 microvoltios por cada grado Kelvin de diferencia a temperatura ambiente.
El efecto Seebeck se usa mucho en dispositivos llamados termopares. Un termopar está hecho de la unión de dos materiales diferentes y se usa para medir temperaturas. Si conoces la temperatura de un extremo, puedes medir la temperatura del otro. También se usan en la industria para identificar diferentes tipos de metales.
Cuando varios termopares se conectan en serie, forman una termopila. Esto se hace para aumentar el voltaje total, ya que el voltaje de cada unión es muy bajo.
Este efecto también es la base de los diodos térmicos y los generadores termoeléctricos. Un ejemplo famoso son los generadores termoeléctricos de radioisótopos (GTR) que se usan en sondas espaciales para generar electricidad a partir del calor.
Coeficiente de Seebeck
El coeficiente de Seebeck de un material nos dice cuánto voltaje termoeléctrico se produce por cada grado de diferencia de temperatura. Se mide en microvoltios por Kelvin (µV/K). Un buen material termoeléctrico tiene un coeficiente de Seebeck alto, ya sea positivo o negativo.
Este coeficiente es importante porque mide la "entropía" (una medida del desorden) por cada partícula cargada en el material. Los metales suelen tener coeficientes bajos porque tanto los electrones (cargas negativas) como los "huecos" (cargas positivas) contribuyen al voltaje y se cancelan entre sí. En cambio, los semiconductores pueden tener muchos electrones o muchos huecos, lo que les da coeficientes de Seebeck más grandes. El signo del coeficiente nos dice qué tipo de carga domina el transporte de electricidad.
Si la diferencia de temperatura es pequeña, el coeficiente de Seebeck (S) se calcula aproximadamente como el cambio de voltaje (ΔV) dividido por el cambio de temperatura (ΔT): S = ΔV / ΔT
En la práctica, es difícil medir el coeficiente de Seebeck de un solo material directamente. Siempre se mide la diferencia entre dos materiales. Los superconductores tienen un coeficiente de Seebeck de cero, lo que los hace útiles para medir el coeficiente absoluto de otros materiales.
Un coeficiente de Seebeck alto significa que se necesita poco calor para crear un voltaje grande, lo que es ideal para generar energía de manera eficiente.
Difusión de Portadores de Carga
Las partículas cargadas (electrones en metales, electrones y huecos en semiconductores) se mueven cuando un extremo de un material está más caliente que el otro. Las partículas "calientes" se mueven del extremo caliente al frío, y las "frías" se mueven del frío al caliente.
Si el material estuviera en equilibrio, el calor se distribuiría uniformemente. Pero si mantenemos una diferencia de temperatura constante, las partículas se difunden continuamente. Si la forma en que se dispersan las partículas depende de su energía, las partículas calientes y frías se moverán a diferentes velocidades. Esto crea una acumulación de cargas en un extremo, generando un voltaje.
Este voltaje se opone al movimiento desigual de las partículas, hasta que se alcanza un equilibrio. Por eso, el coeficiente de Seebeck de un material depende mucho de sus impurezas, imperfecciones y estructura.
Hoy en día, los dispositivos termoeléctricos suelen usar semiconductores de tipo "p" y "n" conectados por metal.
- Si se aplica electricidad, el dispositivo puede enfriar (efecto Peltier). Los electrones y huecos se mueven, quitando calor de un lado.
- Si se aplica calor, el dispositivo puede generar electricidad. El calor empuja los electrones y huecos, creando una corriente que puede alimentar algo.
Arrastre de Fonones
Los fonones son vibraciones en la estructura de un material que transportan calor. A veces, estas vibraciones no están en equilibrio y se mueven hacia donde hace más frío. Al hacerlo, pueden empujar a los electrones, contribuyendo al voltaje eléctrico. Este efecto es más importante a ciertas temperaturas.
El Efecto Peltier: Enfriando o Calentando con Electricidad
El efecto Peltier fue descubierto en 1834 por Jean Peltier. Es lo contrario del efecto Seebeck: crea una diferencia de temperatura usando electricidad.
Cuando una corriente eléctrica pasa por la unión de dos metales o semiconductores diferentes, esa unión se calienta o se enfría. La corriente "mueve" el calor de una unión a la otra. Una forma de entenderlo es que cuando los electrones se mueven de una zona con muchas partículas a una con pocas, se "expanden" (como un gas) y enfrían esa zona.
Cuando la corriente fluye por el circuito, el calor se genera en una unión y se absorbe en la otra. La cantidad de calor absorbido depende del "coeficiente Peltier" de los materiales.
Una característica interesante de este efecto es que la dirección en que se mueve el calor se controla cambiando la dirección de la corriente. Si inviertes la electricidad, el lado que se calentaba ahora se enfría, y viceversa.
Un enfriador/calentador Peltier o bomba de calor termoeléctrica es un dispositivo que transfiere calor de un lado a otro sin partes móviles. Se usa para la refrigeración termoeléctrica.
El Efecto Thomson: Calor en un Solo Conductor
El efecto Thomson fue descubierto por William Thomson (Lord Kelvin) en 1851. Describe cómo un conductor por el que pasa corriente, y que tiene una diferencia de temperatura entre sus extremos, puede absorber o liberar calor.
Si la electricidad pasa por un material homogéneo (del mismo tipo) que tiene un lado caliente y otro frío, se produce calor. Este calor se suma al calor normal que se genera por la resistencia del material (efecto Joule). El calor de Thomson es reversible, lo que significa que cambia de signo si la corriente cambia de dirección.
En algunos metales, como el zinc y el cobre, si la corriente va del lado caliente al frío, se produce calor. Esto se llama "efecto Thomson positivo". En otros metales, como el cobalto y el hierro, si la corriente va del lado frío al caliente, se absorbe calor. Esto se llama "efecto Thomson negativo".
El coeficiente Thomson es el único de los tres efectos termoeléctricos que se puede medir directamente en un solo material. Los coeficientes Peltier y Seebeck siempre se miden entre pares de materiales. Sin embargo, existen relaciones (llamadas relaciones de Thomson o Kelvin) que conectan los tres coeficientes.
Las Relaciones de Thomson
En 1854, Thomson descubrió dos relaciones importantes que conectan los tres efectos termoeléctricos. Estas relaciones, conocidas como las relaciones de Thomson o Kelvin, vinculan la temperatura absoluta (T), el coeficiente Peltier (Π) y el coeficiente Seebeck (S).
La primera relación es: Π = S · T
Y la segunda relación conecta el coeficiente Thomson (μ) con el coeficiente Seebeck: μ = T dS/dT
Estas relaciones fueron un gran avance en la comprensión de cómo el calor y la electricidad interactúan en los materiales.
Factor de Mérito
Para saber qué tan bueno es un material para aplicaciones termoeléctricas, se usa un valor llamado "factor de mérito" (Z). Se calcula con la conductividad eléctrica, la conductividad térmica y el coeficiente Seebeck del material.
Es más común usar el "factor de mérito adimensional" (ZT), que se obtiene multiplicando Z por la temperatura promedio. Un valor de ZT más alto significa que el material es más eficiente para convertir calor en electricidad o viceversa.
Un ZT de 1 ya se considera bueno, pero para que la tecnología termoeléctrica compita con otras formas de generar energía o enfriar, se necesitan valores de ZT de 3 o 4. Actualmente, los mejores materiales alcanzan valores de ZT entre 2 y 3. Gran parte de la investigación en este campo se centra en mejorar el coeficiente Seebeck y reducir la conductividad térmica de los materiales, a menudo manipulando su estructura a nivel muy pequeño (nanoestructura).
Usos del Efecto Termoeléctrico
El efecto termoeléctrico tiene muchas aplicaciones prácticas:
- Generadores en automóviles: Compañías como Volkswagen y BMW han desarrollado generadores termoeléctricos (GTE) que aprovechan el calor que se pierde en el escape de los motores. Estos GTE pueden producir electricidad, reduciendo el trabajo del alternador del coche y ahorrando combustible. Por ejemplo, Volkswagen ha logrado obtener 600 W de un GTE en carretera, lo que cubre cerca del 30% de la electricidad que necesita el coche.
- Sondas espaciales: Las sondas que viajan lejos en el sistema solar, como las que exploran planetas lejanos, usan generadores termoeléctricos de radioisótopos (GTR) para producir electricidad a partir del calor generado por materiales radiactivos.
- Sensores de temperatura (Termopares): Los termopares son muy usados en la industria para medir temperaturas con gran precisión. Hay diferentes tipos (K, J, T) que cubren rangos de temperatura muy amplios, desde muy frías hasta muy calientes.
- Dispositivos de seguridad en calefactores: En algunos calentadores de gas, una pequeña "llama piloto" calienta un termopar. Si la llama se apaga, el termopar deja de generar electricidad, lo que cierra una válvula de seguridad y evita que el gas siga fluyendo, previniendo accidentes.
- Refrigeradores Peltier: Son bombas de calor que transfieren calor de un lado a otro. Se usan para enfriar cámaras de fotos digitales (CCD) y en equipos de laboratorio, como los termocicladores usados en Biología Molecular para la PCR.
Galería de imágenes
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Circuito que muestra el efecto Peltier
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Diagrama de un enfriador termoeléctrico
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Diagrama de un generador termoeléctrico
Véase también
En inglés: Thermoelectric effect Facts for Kids
