5.3 Термоелектричний метод
Термоелектричний метод охолодження заснований на використанні ефекту Пельтьє. У вимірювальній техніці широко використовується виникнення термоелектричного струму в спаяних провідниках, коли місця спаїв перебувають при різних температурах (ефект Зеєбека). Зворотний ефект, що полягає в появі різниці температур у спаях такої пари під впливом минаючого струму, називають ефектом Пельтьє.
Якщо кінці електропровідного стрижня мають різні температури (поміщені в гаряче й холодне середовище), то електрони на його гарячому кінці здобувають більш високу енергію, ніж на холодному. У результаті виникає потік електронів від гарячого кінця з температурою Т > Тх до олодного з температурою Тх, який триває доти, поки різниця потенціалів, що виникла в такий спосіб, не зрівноважить рушійну силу (ЕРС), пов'язану з різницею температур. У результаті цього встановиться рівновага, при якій на холодному кінці нагромадиться деякий негативний заряд, а на теплому – позитивний.
Якщо скласти ланцюг із двох провідних стрижнів, зроблених з різних матеріалів, то в ньому виникне електричний струм завдяки тому, що термо – ЕРС обох стрижнів різна. Це явище, на якому заснована робота вимірювальних термопар, відкрите Зеєбеком у 1821 р.
У 1834 р. французький годинникар Пельтьє відкрив ефект, протилежний явищу Зеєбека: при пропущенні струму крізь ланцюг, що складається з різних провідних матеріалів, у місцях контакту виникає різниця температур – один спай нагрівається, інший охолоджується. Якщо холодний спай використати для відводу тепла від будь якого об'єкта при низькій температурі, а теплий для віддачі тепла при більш високій температурі, то вийде трансформатор тепла, що працює безпосередньо за рахунок електричного струму. Якщо температура холодного спаю нижче температури навколишнього середовища, то така система виконує функцію холодильної установки. Досвід показує, що термоелектрична пара із чистих металів не забезпечує помітної різниці температур. Значно кращі результати дають напівпровідникові матеріали (сурма, телур, вісмут й ін.), використати які вперше запропонував акад. А. Ф. Іоффе.
Із цієї причини, до появи напівпровідників ефект Пельтьє не знаходив практичного застосування, незважаючи на те, що ідея його використання для охолодження була відома й експериментально перевірена. Академік Ленд, ще в 1838 р. у Петербурзі, заморозив воду, використовуючи термопару з вісмуту й сурми [1].
На цьому принципі працюють холодильні установки термоелек- тричного охолодження. Якщо через Т1 позначити температуру середо- вища, у яку поміщений спай, що виділяє теплоту, а через Т2 — темпера- туру середовища, у яку поміщений спай, що поглинає її ( Рис.5.3 ), то кількость тепла qx, що виділяється, і теплоти, що поглинається q2 буде пропорційна силі струму в ланцюзі, тобто
q1 = αT1I; q2 = T2I
○ T1
E
○ T2
Рис. 5.3 Схема термоелектричного елемента
Очевидно, що різниця q1 - q2 = αI( T1 - Т2) буде дорівнювати витраті електроенергії від зовнішнього джерела. Тоді, холодильний коефіцієнт термоелектричної установки, згідно з ( 4.3 ), має вигляд
У дійсності процеси в термоелектричній холодильній установці супроводжуються незворотними втратами (джоулеві втрати, передача теплоти від гарячого спаю до холодного за рахунок теплопровідності) і ефективність установки різко знижується. Однак, завдяки простоті пристрою й надійності роботи термоелектричні холодильники одержують усе більш ширше використання.