Trabalho Prático

Termodinâmica
Ano Lectivo 2004/05
Trabalho Prático
CONVERSOR TERMOELÉCTRICO
Objectivo – Demonstração dos efeitos Seebeck (uma diferença de temperatura entre os terminais
do dispositivo dá origem a uma corrente eléctrica, ∆T →E) e Peltier (uma corrente
eléctrica que passa através do dispositivo dá origem a uma diferença de temperatura
entre os seus terminais, E → ∆T).
1. Introdução
O conversor termoeléctrico consiste numa ‘bomba de calor termoeléctrica’ colocada entre
duas placas de alumínio. O conversor pode demonstrar o efeito Seebeck: uma diferença de
temperatura entre os terminais da ‘bomba de calor’ dá origem a uma corrente eléctrica que faz
mover um motor (∆T →E). O conversor pode também demonstrar o efeito Peltier: quando se faz
passar uma corrente através da ‘bomba de calor’, dá origem a uma diferença de temperatura entre os
seus terminais (E → ∆T).
2. Material
A Figura 1 mostra a parte superior do conversor
termoeléctrico. Posicione o interruptor para cima (posição ∆T
→E) para demonstrar o efeito Seebeck. Ligue uma fonte de
corrente DC aos terminais e posicione o interruptor para baixo
(posição E → ∆T) para demonstrar o efeito Peltier.
ATENÇÃO – A tensão e corrente recomendadas são 5 V e 3 A DC. Não exceda 8 V. Não
faça passar a corrente através do dispositivo mais do que 2 minutos.
O conversor termoeléctrico tem 71 pares de arrefecimento termoeléctrico. Estes são
compostos por dois elementos de semicondutor de telureto de bismuto (uma liga quaternária de
bismuto, telúrio, selénio e antimóio) fortemente dopados para criar um excesso (tipo N) ou
deficiência (tipo P) de electrões. Os pares, ligados electricamente em série e termicamente em
paralelo, são integrados na ‘bomba de calor termoeléctrica’. Este dispositivo é empacotado entre
placas de cerâmica metalizada.
3. Funcionamento
Efeito Seebeck
O conversor termoeléctrico serve para demonstrar a
relação entre as 1ª e 2ª Leis da Termodinâmica. Use o
conversor de acordo com a Figura 2. Posicione o interruptor
para cima e uma das placas de alumínio num copo com água
perto do ponto de ebulição e a outra num copo com água
perto do ponto de gelo. Parte da energia térmica da água
quente é convertida em trabalho realizado pelo motor,
fazendo rodar uma ventoínha. De seguida, mistura-se a água
quente com a fria num só copo e introduzem-se as duas
placas de alumínio nesse copo. A ventoínha deixa de
funcionar.
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A energia interna total da água não se altera quando se mistura a água quente com a fria, de
modo que ainda deve existir energia na água para fazer rodar a ventoínha. Mas isto violaria a 2ª Lei
da Termodinâmica.
(Nota: Como demonstração de que ainda existe energia na água misturada, coloque-se uma
das placas neste último copo e a outra noutro copo com água perto do ponto de gelo.)
A violação da 2ª Lei da Termodinâmica pode ser explicada em termos de entropia, usando a
expressão ∆S = Q/T, onde ∆S é a variação de entropia, Q o calor transferido e T a temperatura à
qual é transferido o calor.Considerando apenas a transferência de calor nos copos de água, verificase que:
1 – A variação de entropia da água quente, ∆Sh = Qh/Th, é negativa, uma vez que o calor flui
da água para o conversor.
2 – A variação de entropia da água fria, ∆Sc = Qc/Tc, é positiva, uma vez que o calor flui do
conversor para a água.
3 – De acordo com a 2ª Lei, a variação total de entropia, ∆St = ∆Sc + ∆Sh, deve ser positiva.
Sendo assim, o processo só ocorrerá se Qc/Tc > Qh/Th.
4 – Para que a ventoínha rode, algum do calor transferido da água quente deve ser
convertido em trabalho e não estará disponível para ser transferido para a água fria. Sendo assim,
desde que a ventoínha rode, Qh > Qc.
5 – As equações dos pontos 3 e 4 só podem ser simultaneamente verdadeiras se Th > Tc.
Quando a água é misturada, contudo, Th = Tc, se a ventoínha rodasse violaria a 2ª Lei. Da
Termodinâmica.
Durante o efeito Seebeck, o calor que entra na célula de
semicondutor aumenta o nível de energia de alguns dos electrões
(Figura 3). No nível de energia mais elevado, os electrões deixam
de estar ligados à estrutura do cristal do semicondutor e são livres
para se deslocarem. Quando se deslocam, deixam uma lacuna. Os
electrões de mais baixa energia, embora não se possam deslocar
livremente, podem saltar de lacuna em lacuna. Deste modo, as
lacunas também podem migrar através do material do semicondutor.
Os electrões migram através do material semicondutor de tipo N e as lacunas migram através do
material de tipo P. Os electrões deslocam-se através do circuito exterior e fazem rodar a ventoínha.
Junto da extremidade fria da célula, os electrões encontram as lacunas do material de tipo P,
podendo ser capturados e cedendo alguma energia em excesso na forma de calor.
Efeito Peltier
Durante o efeito Peltier, uma corrente a percorrer a ‘bomba
de calor termoeléctrica’ origina uma diferença de temperatura.
Ligue uma fonte DC com 5 V e 3 A aos terminais do conversor.
Posicione o interruptor para baixo (E → ∆T). (Para esta
demonstração, não necessita imergir as placas em água). Em
alguns minutos deverá poder sentir a diferença de temperatura
entre as duas placas do conversor (Figura 4).
NOTA – Não deixe a fonte ligada por mais de 2
minutos, nem exceda 8 V.
A diferença de potencial eléctrico faz com que os electrões e lacunas migrem de um dos
extremos do material semicondutor de tipo N e P para o outro. O movimento dos electrões no
semicondutor de tipo N resulta numa transferência de energia interna desse terminal do
semicondutor e ele arrefece. O mesmo resultado ocorre para o semicondutor de tipo P durante a
migração das lacunas. A transferência de energia da placa ‘fria’ para a placa ‘quente’ é proporcional
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à corrente de transportadores de carga que passa através
do circuito e o número de células termoeléctricas
(Figura 5).
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