{

Materiales Termoeléctricos

Basante Avendaño Alberto López Márquez González Bernardo Rosales Sánchez David Octavio

¿Que son los materiales termoeléctricos?

Los materiales termoeléctricos se basan en el hecho de que al suministrarles energía térmica, generan un voltaje eléctrico significativo, inversamente cuando se les aplica un voltaje, estos materiales pueden aumentar o disminuir su temperatura.

El proceso de termoelectricidad sólo ocurre en ciertos materiales, especialmente en los semiconductores (los materiales con los que se fabrican los chips). El problema fundamental para crear materiales termoeléctricos eficientes es que necesitan ser muy buenos transmitiendo la electricidad, pero no el calor.

¿Cuál es el principio de éstos materiales?

Los materiales termoeléctricos se basan en el llamado efecto termoeléctrico, el cual consiste en la conversión directa de la diferencia de temperatura a voltaje eléctrico y viceversa.

Calor

Tradicionalmente, el término efecto termoeléctrico o termoelectricidad abarca tres efectos identificados por separado, el efecto Seebeck, el efecto Peltier, y el efecto Thomson

Efecto Seebeck, Peltier y Thomson

a) Efecto Seebeck

a) Efecto Peltier;

b) Efecto Thomson

Efecto Seebeck Conversión de diferencia de temperaturas a corriente

Factor de poder = σS2

Donde S es el coeficiente Seebeck y σ la conductividad eléctrica.

En 1800´s Seebeck observo el fenómeno termoeléctrico generador, esto sucede cuando Dos materiales conductores diferentes se unen y las uniones se mantienen a diferentes Temperaturas (T+ΔT), se produce un voltaje ΔV proporcional a ΔT. La relación ΔV/ΔT depende de una propiedad intrínseca de cada material denominada coeficiente de Seebeck que es muy pequeño para la mayoria de los metales (solo unos cuantos μV/K y mucho mas grande para semiconductores con cientos de μV/K) El pontencial de un material termoelectico se determina en gran medida por la figura De merito de el material que es adimencional:

ZT = S2σT/K donde K es la conductividad térmica total

{

Efecto Peltier

Se le denomina así en honor al físico frances Jean Charles Athanase Peltier.

Se observó el fenómeno por primera vez en 1834.

Consiste en el aumento o disminución de temperatura debido al paso de corriente entre dos conductores conectados por junturas.

Es el análogo inverso del efecto Seebeck.

Explicación

Ocurre debido a la diferencia de densidades electrónicas.

Hay un flujo electrónico hacia la zona de baja densidad, permitiendo una expansión.

La expansión genera un enfriamiento.

Planteamiento matemático

Los coeficientes de Peltier determinan la cantidad de calor transportado por unidad de carga.

I es la cantidad de corriente generada entre los conductores.

{ {

Comparación

Efecto Peltier

Es reversible ya que depende de el sentido de la corriente.

El calor puede ser absorbido o cedido.

Toma lugar en la juntura de dos conducotres o semiconductores distintos.

Efecto Joule

Es irreversible ya que no depende del sentido de la corriente.

El calor es generado.

Se lleva a cabo a lo largo de todo el circuito.

Enfriador/calentador de peltier

Se le conoce como bomba termoeléctrica.

Principal uso de los materiales termoeléctricos.

No requieren de partes móviles.

Otras aplicaciones

Determinación del ritmo de crecimiento de cristales.

Generación de energía eléctrica (células de Peltier).

Explicación

Ocurre debido a la diferencia de densidades electrónicas.

Hay un flujo electrónico hacia la zona de baja densidad, permitiendo una expansión.

La expansión genera un enfriamiento.

¿Cuales son las principales aplicaciones?

Actualmente, los materiales termoeléctricos tienen un bajo rendimiento energético de tan solo un 6 por ciento. Una nueva generación de

materiales, en lo que se añade antimonio al semiconductor de teluro de plomo, produce en altas temperaturas una eficiencia del 14 por ciento.

La meta a largo plazo es alcanzar el 20 por ciento de eficiencia.

La clave para hacerlos más prácticos ha sido crear materiales semiconductores especiales con diminutos patrones en el circuito para alterar el

comportamiento de los materiales. Esto puede incluir la incorporación de nanopartículas o nanocables en una matriz de otro material. Estas estructuras nanométricas interfieren con el flujo de calor, pero permiten a la electricidad

fluir libremente.

Aplicaciones La tecnología termoeléctrica actual sólo se aplica en campos muy especializados, como la refrigeración de estado sólido, debido a la baja eficiencia. Un ejemplo es el enfriamiento de asientos de automóviles en climas cálidos.

Otra aplicación curiosa son las botas botas de Power Wellies que emplean la termoelectricidad generada por el calor de los pies para cargar el teléfono móvil.

Otro de los usos de estos nuevos materiales podría se en la conversión del calor desechado de los reactores nucleares, en el enfriamiento de los productos obtenidos de los altos hornos o en la extracción de crudo de las plataformas petrolíferas

¡Gracias!

Bibliografía: http://inside.mines.edu/~zhiwu/research/papers/F08_mrs.pdf http://www.eng.fsu.edu/~dommelen/quantum/style_a/nt_pelt.html http://miriam-english.org/projects/steg/ http://www.hebeiltd.com.cn/?p=peltier.module http://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_materials http://en.wikipedia.org/wiki/Seebeck_effect#Seebeck_effect http://www.nature.com/nmat/journal/v7/n2/full/nmat2090.html