Термоэлемент (или термопара) — это устройство, которое преобразует теплоту в электрическую энергию. Он основан на эффекте, известном как термоэлектрический эффект, и представляет собой пару проводников из разных материалов, соединённых в двух точках — горячей и холодной.
Теперь давайте разберем, какие превращения энергии происходят в термоэлементе, с учетом всех связанных с этим процессов.
1. Тепловая энергия и разница температур (физическая основа работы)
Когда два разных проводника соединяются и находятся при разных температурах, то между ними возникает разность температур. Эта разница приводит к возникновению температурного градиента, который в свою очередь вызывает движение носителей заряда в материале.
Тепло, поступающее на горячую сторону термоэлемента (например, с помощью источника тепла, как печь или горячая поверхность), передает свою энергию частицам вещества. Из-за этой передачи тепла молекулы или атомы в горячем проводнике начинают двигаться быстрее, а значит, возникает повышение кинетической энергии частиц.
2. Термоэлектрический эффект (эффект Зеебека)
При нагреве одного конца термоэлемента (горячего соединения) и охлаждении другого конца (холодного соединения) в проводниках из разных материалов происходит диффузия носителей заряда (электронов или дырок, в зависимости от проводника).
В проводниках, таких как медь и железо, электроны на горячем конце получают дополнительную кинетическую энергию и начинают двигаться в сторону холодного конца.
В проводниках с разными физическими свойствами эта диффузия происходит с разной скоростью, что создаёт разницу в химическом потенциале между концами термоэлемента.
Результатом этого является образование электрического поля, которое направлено от горячего конца к холодному и создаёт на выходе термоэлемента электрический ток.
Этот процесс называется эффектом Зеебека. Если термоэлемент замкнут, то возникает ток, пропорциональный разнице температур между его концами. Это и есть преобразование тепловой энергии в электрическую.
3. Электрическая энергия
Электрическое поле, возникающее из-за разности температур, приводит к тому, что носители заряда начинают двигаться по проводнику, создавая электрический ток. Таким образом, тепловая энергия преобразуется в электрическую энергию. Электрический ток может быть использован для питания различных устройств, например, для измерения температуры или для работы с внешними нагрузками, если термоэлемент является частью какого-либо устройства.
4. Эффект Пельтье
Кроме эффекта Зеебека, в термоэлементах можно наблюдать и обратный процесс — эффект Пельтье. Это явление проявляется, когда через термоэлемент пропускается электрический ток. При этом на стыке двух материалов возникает тепло.
Если ток проходит от холодного конца к горячему, то на стыке происходит абсорбция тепла (материал охлаждается).
Если ток течет в обратном направлении (от горячего конца к холодному), то на стыке возникает выделение тепла (материал нагревается).
Этот эффект также основан на принципах термоэлектрического взаимодействия и используется в таких устройствах, как термоэлектрические охладители или термоэлектрические генераторы.
5. Потери энергии (эффект Джоуля)
Когда через термоэлемент протекает электрический ток, часть энергии превращается в теплоту, что обусловлено сопротивлением проводников. Это явление называется эффектом Джоуля, и оно приводит к дополнительным потерям энергии в виде тепла, которое может снизить общую эффективность преобразования энергии в термоэлементе.
6. Общий баланс энергии
В итоге, в термоэлементе происходят следующие превращения энергии:
Тепловая энергия с горячего конца термоэлемента преобразуется в электрическую энергию на холодном конце через термоэлектрический эффект (эффект Зеебека).
Электрическая энергия может быть использована для внешней работы или для питания устройств.
Из-за сопротивления проводников часть электрической энергии превращается в тепло, что вызывает потери энергии.
7. Дополнительные нюансы: материалы термоэлементов
Важнейшую роль в эффективности термоэлементов играют материалы, из которых изготовлены проводники. Чем больше разница термоэлектрической чувствительности между материалами, тем эффективнее будет преобразование тепла в электричество. В настоящее время для термоэлементов используют такие материалы, как бизмут-селенид (Bi2Te3), свинцово-сурьмяные сплавы, конглоберные сплавы и другие, обладающие хорошими термоэлектрическими свойствами.
Заключение
Таким образом, в термоэлементе происходит несколько превращений энергии: тепловая энергия преобразуется в электрическую через термоэлектрический эффект (эффект Зеебека), а из-за сопротивления проводников часть этой энергии теряется в виде тепла. Эффективность преобразования тепла в электричество зависит от материалов термоэлемента, разницы температур и других факторов.
