Efecto Peltier

UNIVERSIDAD NACIONAL JOSE FAUSTINO SANCHEZ CARRION

INTRODUCCIÓN A LA TERMOELECTRICIDAD La termoelectricidad se considera como la rama de la termodinámica superpuesta a la electricidad donde se estudian fenómenos en los que intervienen el calor y la electricidad, el fenómeno mas conocido es el de electricidad generada por la aplicación de calor en la unión de dos materiales diferentes. Si se unen por ambos extremos dos alambres de distinto material (este circuito se denomina termopar), y una de las uniones se mantiene a una temperatura superior a la otra, surge una diferencia de tensión que hace fluir una corriente eléctrica entre las uniones caliente y fría. Este fenómeno fue observado por primera vez en 1822 por el físico alemán Thomas Seebeck, y se conoce como efecto Seebeck.

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Introducción…………………………………………………….………………………….. 1

Índice……………………………………………………………...........................................2 Termoelectricidad……………..…………………………………………………………….3 Jean Peltier……………....…………………………………………………….….……….. 5

Efecto Peltier ……….………………………………………………………………………………6 Porque sucede el efecto Peltier…………………………………………………………….7

Fundamentos del Efecto Peltie……………………………….…………………….…...…7 El efecto seebeck aplicado a el estudio de peltier.……………………………..………...…9 Celulas Peltier………………………………………………………………..………..…….9 Esquema de funcionamiento de una celula peltier…………………………..……….…….12

Ejemplos de uso de los módulos peltier ……………………..….……………………..…12 Peligros de los enfriadores peltier………………………………………..………………13

Hasta cuando dura un elemento Peltier?..................………..………………..……………14 Bibliografia…………………………………………………………………………….…..15

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EFECTO PELTIER

Para una pareja de materiales determinada, la diferencia de tensión es directamente proporcional a la diferencia de temperaturas. Esta relación puede emplearse para la medida precisa de temperaturas mediante un termopar en el que una de las uniones se mantiene a una temperatura de referencia conocida (por ejemplo, un baño de hielo) y la otra se coloca en el lugar cuya temperatura quiere medirse. A temperaturas moderadas (hasta unos 260 °C) suelen emplearse combinaciones de hierro y cobre, hierro y constatan (una aleación de cobre y níquel), y cobre y constatan. A temperaturas mayores (hasta unos 1.650 °C) se utiliza platino y una aleación de platino y rodio. Como los alambres de los termopares pueden tener dimensiones muy pequeñas, también permiten medir con precisión las temperaturas locales en un punto. La corriente generada puede aumentarse empleando semiconductores en lugar de metales, y puede alcanzarse una potencia de unos pocos vatios con eficiencias de hasta el 6%. Cuando se hace pasar una corriente por un circuito compuesto de materiales distintos cuyas uniones están a la misma temperatura, se produce el efecto inverso. En este caso, se absorbe calor en una unión y se desprende en la otra. Este fenómeno se conoce como efecto Peltier, en honor al físico francés Jean Peltier quién lo descubrió en 1834. Es posible usar sistemas de semiconductores basados en el efecto Peltier como refrigeradores para aplicaciones especiales. La primera teoría que engloba los efectos Seebeck y Peltier, sin embargo, fue dada por Lord Kelvin, de nombre William Thomson, a mediados del siglo XIX. En 1822 Seebeck observó que, si un circuito cerrado se hiciera de dos metales distintos, una corriente eléctrica fluye en el circuito cuando las dos uniones se mantienen a temperaturas diferentes. Sus investigaciones cubrieron una gama amplia de elementos y compuestos. Fisicoquímica II

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Esto produjo que se publicara de una serie de resultados, en la que los materiales investigados se colocaron en el orden de magnitud del efecto. Sin embargo, no comprendió la importancia de su descubrimiento. Peltier no comprendió la importancia de su descubrimiento; y, es más, no reconoció el enlace entre su descubrimiento y el de Seebeck, se cita que Lenz acabó toda la conjetura que rodea estos descubrimientos, enfriando una cantidad pequeña de agua puesta cerca de la unión entre barra de bismuto y una barra de antimonio a través de las que fue pasada una corriente directa. Estas dos barras eran de de los materiales en los que Seebeck había observado el efecto más pronunciado. Un tercer experimento fue realizado por Thomson (Kelvin) en 1851. Relacionó el calor absorbido en un solo conductor, la caída de temperatura a lo largo de él y la corriente que fluye a través de él. Durante muchos años, la aplicación práctica de estos efectos termoeléctricos se restringió casi exclusivamente al acoplamiento térmico para la medida de temperatura, porque los metales exhiben un efecto Seebeck comparativamente pequeño. Sin embargo, el efecto Seebeck efectuado en semiconductores puede ser considerablemente mayor. El descubrimiento del transistor y otros dispositivos semiconductores, ha estimulado a la investigación que pertenece en general a las propiedades de semiconductores; de esto, se han desarrollado materiales en que los efectos termoeléctricos son de magnitud suficiente para que la fabricación de dispositivos útiles se haya vuelto una realidad.

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JEAN PELTIER

Jean Charles Athanase Peltier nacio en 1785 en Ham,Francia. Ejerció la profesión de relojero pero abandono su oficio cuando tenia treinta años para dedicarse plenamente a la investigación científica en el campo de la electricidad. En 1834 descubrió que cuando circula una corriente eléctrica por un conductor formado por dos metales distintos unidos por una soldadura esta se calienta o se enfría, según el sentido de la corriente. Dicho efecto tiene una gran importancia en el desarrollo de mecanismos de refrigeración no contaminantes como se podrá ver mas adelante. Murió en Paris en 1845.

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EFECTO PELTIER El efecto peltier consiste en lo siguiente: Cuando se hace pasar una corriente por un circuito compuesto de materiales diferentes cuyas uniones están a la misma temperatura, se produce el efecto inverso al Seebeck. En este caso, se absorbe calor en una unión y se desprende en la otra. La parte que se enfría suele estar cerca de los 25º C, mientras que la parte que absorbe calor puede alcanzar rápidamente los 80º C. Lo que lO hace aún más interesantes es el hecho de que, al invertir la polaridad de alimentación, se invierta también su funcionamiento; es decir: la superficie que antes generaba frío empieza a generar calor, y la que generaba calor empieza a generar frío. Gracias a los inmensos avances en el campo de semiconductores, hoy en día, se construyen sólidamente y en tamaño de una moneda. Los semiconductores están fabricados con Teluro y Bismuto para ser tipo P o N (buenos conductores de electricidad y malos del calor) y así facilitar el trasvase de calor del lado frío al caliente por el efecto de una corriente continua Como todo en esta vida, las unidades peltier también tienen algunos inconvenientes ha tener en cuenta. Como pueden ser el alto consumo eléctrico, o que dependiendo de la temperatura y la humedad puede producirse condensación y en determinadas condiciones incluso puede formarse hielo.

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PORQUE SUCEDE EL EFECTO PELTIER Cuando dos metales distintos se ponen en contacto (soldadura) aparece una diferencia de potencial (V) debida a que los electrones libres de uno de los metales tienen más energía que los del otro. Cuando se hace pasar una corriente eléctrica por la soldadura si la dirección de la corriente es contraria a la de los electrones tiene que ganar energía y lo extraen de los metales enfriando la soldadura. Mientras que si es a favor los electrones pierden energía cediéndola a la soldadura que se calienta. La cantidad de calor producida por estos fenómenos (Efecto Peltier) vienen dadas por Q = 0.24·V·i·t donde V es la ddp de contacto. El efecto Peltier es reversible y es lo que da lugar al efecto termoeléctrico (Seebek). Es decir cuando dos metales se sueldan formando un anillo (dos soldaduras) se puede producir una corriente eléctrica en el anillo si las dos soldaduras están a distinta temperatura.

FUNDAMENTOS DEL EFECTO PELTIER Existe un campo eléctrico en la juntura entre dos materiales distintos. Cuando una fuente externa induce un flujo electrónico en el sentido del campo eléctrico, los electrones deben transformar energía cinética en energía potencial. Un movimiento más lento de los electrones, puede visualizarse como en una disminución de la temperatura. Si por el contrario, los electrones se mueven en sentido contrario, su velocidad aumenta por efecto del campo eléctrico extra. Este aumento de la velocidad electrónica puede verse nuevamente como un aumento de la temperatura.

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La potencia calorífica intercambiada en la unión entre A y B es:

donde piAB es el llamado coeficiente Peltier, que se define como el calor intercambiado en la unión por unidad de tiempo y de corriente que circula a través de la misma:

J: flujo de corriente eléctrica S: superficie T: temperatura absoluta (K) alphaA , alphaB : coeficiente Seebeck de los materiales A y B

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EL EFECTO SEEBECK APLICADO A EL ESTUDIO DE PELTIER EFECTO SEEBECK

Circuito que muestra el efecto Seebeck. El efecto Seebeck es una propiedad termoeléctrica descubierta en 1821 por el físico alemán Thomas Johann Seebeck inversa al efecto Peltier. Este efecto provoca la conversión de una diferencia de temperatura en electricidad. Se crea una diferencia de potencial en presencia de una diferencia detemperatura entre dos metales o semiconductores diferentes. Una diferencia de temperaturas T1 y T2 en las juntas entre los metales A y B induce una diferencia de potencial V. Cabe reseñar que fue el primer efecto termoeléctrico descubierto: el efecto Seebeck lo descubriría Jean Peltier en 1834, y William Thomson -Lord Kelvin- haría lo propio con el efecto Thomson en 1851.

CÉLULAS PELTIER Si observamos la figura, podemos ver que se compone, prácticamente, de dos materiales semiconductores, uno con canal N y otro con canal P, unidos entre si por una lámina de cobre. Si en el lado del material N se aplica la polaridad positiva de alimentación en

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el lado del material P la polaridad negativa, la placa de cobre de la parte superiorenfría, mientras que la inferior calienta. Un dispositivo de refrigeración convencional lleva tres elementos fundamentales: un evaporador, un compresor y un condensador. El evaporador representa la sección fría dentro de la cual el refrigerante, bajo presión, puede evaporarse. El paso del refrigerante de estado líquido a gaseoso necesita tomar calor de su entorno. El compresor funciona como una bomba para el refrigerante, que, comprimiéndolo, hace que pase de estado gaseoso a líquido, restituyendo su energía calórica. El condensador radia las calorías cedidas por el refrigerante, y el compresor, al exterior. El módulo Peltier, por lo tanto presenta ciertas analogías con un dispositivo como este. Es, por lo tanto, una bomba de calor estática que no requiere ni gas ni partes móviles. Físicamente los elementos de un módulo Peltier son bloques de 1mm cúbico conectados eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo (ver figura).

Existen células Peltier con dimensiones y potencias diversas. También existen células aisladas y no aisladas, en función de que encima y debajo de las dos superficies exista, o no, una capa fina de material cerámico, necesario para aislar las láminas de cobre de las distintas células; por consiguiente estas dos superficies se pueden apoyar sobre cualquier plano metálico sin necesidad de aislantes, o no. Fisicoquímica II

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En teoría, un salto térmico de 70 grados significa que si el lado caliente de la célula se ha estabilizado a una temperatura de 45 grados, en el lado frío existe una temperatura de 45 70= -25 grados. Por el contrario, si el lado caliente sólo alcanza 35 grados, en el lado frío hay una temperatura de 35-70= -35 grados

A nivel práctico, debido a las inevitables pérdidas de transferencia de calor entre célula y aleta de refrigeración es difícil alcanzar este salto térmico. Tampoco tiene un rendimiento lineal y son elementos muy pesados. Quiero decir con esto (no que pesen) que el rendimiento obtenido del funcionamiento del aparato es muy bajo. Hoy en día, se construyen sólidamente y en tamaño de una moneda. Los semiconductores están fabricados con Teluro y Bismuto para ser tipo P o N (buenos conductores de electricidad y malos del calor) y así facilitar el trasvase de calor del lado frío al caliente por el efecto de una corriente continua.

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ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UNA CELULA PELTIER:

EJEMPLO DE MONTAJE DE UNA CELULA PELTIER:

EJEMPLOS DE USO DE LOS MÓDULOS PELTIER En el campo de la climatización hay equipos de aire acondicionado que controlan la temperatura y la humedad que disponen de instalaciones frigoríficas de compresión que emplean fluidos frigorígenos a base de compuestos de flúor y de cloro que en mayor o menor medida atacan a la capa de ozono. También se han desarrollado equipos que

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deshumidifican el aire empleando absorbedores químicos y equipos de compresión, en general de potencias de deshumidificador grandes. En el campo de las potencias bajas de un a cinco litros se ha pensado que equipos de deshumidificación formados por pastillas de efecto Peltier y acumuladores térmicos con cambio de fase a temperaturas más bajas del punto de rocío deseado podrían ser interesantes y competitivos, procediéndose a realizar unos prototipos y patentar el sistema. Se supera la carencia de la deshumidificación de una sala o estancia y el disponer un equipo portátil y ecológico. La tecnología presentada consiste en hacer pasar aire de un local, habitación, etc., aspirado por unos ventiladores, a través de unos acumuladores de frío, que se enfrían mediante efecto Peltier, recogiéndose el agua condensada en el sistema en una bandeja inferior. Es un equipo compacto de sobremesa, muy adecuado para controlar la humedad en climas húmedos, del cual se han eliminado ruidos y vibraciones, evitando las partes móviles de los compresores que llevan los actuales deshumidificadores y los fluidos frigorígenos, como posibles contaminaciones medioambientales.

Peligros de los enfriadores peltier Si bien un enfriador Peltier puede ser una perfecta solución térmica, si el diseño es insuficiente o los ventiladores están instalados inadecuadamente puede ser peligroso. He aquí relacionados algunos de los peligros: Sobrecalentamiento: Los enfriadores Peltier vienen con un disipador y un ventilador. Si el ventilador falla, esto es mas peligroso que con un disipador convencional. Debido a que el calor del elemento Peltier, puede sobrecalentarse y dañar nuestro producto. Problemas eléctricos: Si se está utilizando en un CPU para enfriar el mismo, el elemento Peltier consume una potencia eléctrica importante, posiblemente mas de lo que pueda suministrar la fuente de alimentación. Esto es especialmente un problema al arrancar un sistema: Mientras los discos duros alcanzan velocidad, estos utilizan mas potencia, y si el Peltier inicia consumiendo esta potencia al principio, esto puede ser un problema. Los

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buenos enfriadores Peltier resuelven este problema arrancando los elementos Peltier después de cierto tiempo, cuando el CPU está caliente. Otro problema puede ser el cableado eléctrico del elemento Peltier - si es demasiado fino (como algunos Peltiers baratos). Este puede no ser suficiente para poder con los requerimientos del Peltier y se sobrecalentará. También, obsérvese que el enfriador Peltier debe tener una línea dedicada desde la fuente de alimentación.

¿Hasta cuando dura un elemento Peltier ? Un elemento Peltier por si mismo dura mucho tiempo. De hecho existen personas que han utilizado elementos Peltier durante muchos años sin problemas. Es poco probable que el elemento Peltier deje de funcionar; sin embargo, como con otros disipadores, el ventilador si que puede dejar de funcionar - y este es el mayor problema.

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Bibliografia

http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Peltier-Seebeck http://www.youtube.com/watch?v=0DQxbdop0N8 http://es.scribd.com/doc/86974623/EL-EFECTO-PELTIER http://www.upcomillas.es/catedras/crm/descargas/proyectos_y_tesis/PFC/Tecnologias%20e speciales%20de%20transformacion/RES%20-%20David%20Calvo%20Romero.pdf http://www.sc.ehu.es/nmwmigaj/PELTIER.htm http://tcofisica.blogspot.com/

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