Термоэлектрическое охлаждение

Одним из основных свойств материалов термоэлементов считается электропроводность. Количественной мерой электропроводности материала являются удельное электрическое сопротивления ρ или удельная электропроводность

а = 1/ρ. В современных термохолодильниках используют полупроводники.

Удельная электропроводность полупроводников в большей мере зависит от инородных примесей, температуры, давления, освещения.

В зависимости от типа проводимости (электронной или дырочной) полупроводниковые материалы делят на электронные (n-типа) и дырочные (р-типа). Полупроводниковым материалам свойственна смешанная проводимость: электронная и дырочная. При создании в полупроводнике электрического поля возникает движение электронов и дырок, а общий ток представляет собой сумму электронного и дырочного тока.

Так как электроны более подвижны, чем дырки, то у полупроводников со смешанной проводимостью электронный ток преобладает, как правило, над дырочным. Проводимость чистого полупроводника называют собственной проводимостью, а проводимость, которая обусловлена примесью, — примесной проводимостью. Таким образом, электропроводимостью проводников можно управлять, вводя в них незначительное количество примесей. Такой способ является основным и наиболее доступным средством изменения показателей полупроводниковых материалов. Теория термоэлектрических холодильных машин базируется на термоэлектрических явлениях. К их числу обычно относят три термоэлектрических эффекта: Зеебека, Пельтье и Томсона. Эти эффекты связаны с взаимным превращением тепловой энергии в энергию электрического тока.

Эффекта Зеебека заключается в следующем: если в разомкнутой электрической цепи, состоящей из двух разнородных проводников, на одном из контактов поддерживать температуру Т_г (горячий спай), а на другом температуру Т_х (холодный спай). То при условии Т_г больше Т_х на концах цепи возникает электродвижущая сила Е, а при замыкании в ней появляется электрический ток. Такую цепь называют термоэлементом или термопарой. Если к данному термоэлементу наоборот подвести электрический ток, то на одном из спаев будет выделяться тепло, а на другом поглощаться. Данный процесс понижения температуры называется эффектом Пельтье.

На рис. 3.5 показана схема такой цепи.

1 2

3

-- +

Рис.3.5 Принципиальная схема термоэлемента

Термоэлемент состоит из двух полупроводников с электронной 1, дырочной 2 проводимостью и металлических перемычек 3 (рис. 3.5). При движении постоянного тока в указанном направлении нижняя перемычка нагревается, верхняя — охлаждается. В этом случае верхнюю перемычку называют холодным спаем, а нижнюю — горячим спаем. Количество теплоты Q_г, которое выделяет горячий спай, будет больше, чем количество теплоты Q_о, которое поглощает холодный спай, на значение затрат электроэнергии от внешнего источника.

Величина поглощаемой теплоты в единицу времени пропорциональна силе тока:

Q_о = П • I, Вт,

где П - коэффициент Пельтье, Вт/А;

I – сила тока,А.

Холодильный коэффициент обратного цикла термоэлемента, в котором электронный газ является рабочим телом, при условии отсутствия необратимых потерь равен:

ε = .

При работе термоэлемента происходят необратимые потери: движение электрического тока по проводнику сопровождается джоулевыми потерями, кроме того по элементам, из которых состоит цепь, от горячего спая к холодному за счет теплопроводности идет переток теплоты. Джоулевы потери определяют соотношением:

Q_дж = I² • R, Bт,

где R – сопротивление термоэлемента, Ом.

Необратимые потери снижают значение холодильного коэффициента. При этом очевидно, что, чем меньше удельное сопротивление (электрическое и теплопроводности)_проводников, из которых составлена термоэлектрическая цепь и чем выше значения а, тем больше значение холодильного коэффициента.

Вопросы для самопроверки

1 Что такое обратный круговой цикл?

2 Перечислите основные процессы, проходящие в паровых холодильных машинах.

3 Что называется холодильным коэффициентом? Что он характеризует?

4 Обратный цикл Карно. Из каких физических процессов он состоит?

5 В чем отличие реального цикла холодильной машины от цикла Карно?

6 Опишите физическую сущность процесса термоэлектрического охлаждения.

7 От чего зависит холодильный эффект при термоэлектрическом охлаждении?