O sistema eficiência

Fundamentação Teórica

• O sistema eficiência térmica pode ser usado como uma máquina de calor (motor) ou como uma bomba de calor (refrigerador). Quando usado como motor o calor é extraído de um reservatório quente e usado para realizar trabalho através de um resistor de carga. O rendimento desta máquina pode ser obtido experimentalmente e comparado com o valor máximo do rendimento teórico. Quando usado como refrigerador o calor é transferido de uma fonte fria para uma fonte quente. O coeficiente de desempenho e o coeficiente de desempenho máximos também podem ser obtidos.

O sistema foi construído embasado num conversor termoelétrico chamado dispositivo de Peltier. Para simular uma máquina de calor, um lado do dispositivo de Peltier é mantido a baixa temperatura (constante), através do bombeamento de água gelada e o outro lado, a alta temperatura (constante), através de um resistor colocado no seu interior e conectado a uma fonte. As temperaturas são medidas com termopares adequadamente conectados ao dispositivo.

O princípio teórico do funcionamento do sistema eficiência térmica é conhecido desde 1800, mas apenas recentemente, com o desenvolvimento dos semicondutores, tem sido utilizado na prática.

Em 1821, o Físico Russo-Germânico Thomas Johan Seebeck descobriu que quando uma junção de metais diferentes eram aquecidas, uma corrente era produzida. Este fenômeno é conhecido como Efeito Seebeck. Este é o princípio básico do termopar.

Em 1834, Jean Charles Peltier descobriu o oposto do Efeito Seebeck, que quando uma corrente circula através de uma junção de metais diferentes, calor é absorvido ou liberado, dependendo da direção que a corrente circula.

Já que este sistema opera desta forma, o conversor termoelétrico é chamado de dispositivo de Peltier. Entretanto o sistema mostra o Efeito Seebeck, pois se os dois lados do dispositivo são mantidos a diferentes temperaturas, surge uma corrente elétrica.

Atualmente utilizam-se junções pn para obtenção do Efeito Seebeck.

O arranjo de diferentes semicondutores é mostrado na figura abaixo:

Se o lado esquerdo do dispositivo é mantido a uma temperatura maior que do lado direito, então os buracos que são gerados próximos à junção migram para a região p e elétrons migram para a região n. No outro lado da junção ocorre o mesmo processo, mas com uma velocidade menor, tal que o efeito total é o fluxo de elétrons da região n do lado quente para o lado frio. Então há uma corrente elétrica do lado frio para o lado quente na região n.

Uma máquina de calor usa a diferença de temperatura entre um reservatório e outro para realizar trabalho. Um reservatório de calor é considerado alguma coisa que tenha a propriedade de fornecer ou receber calor infinitamente e manter sua temperatura constante. No aparato que vamos utilizar, o reservatório quente será um resistor e uma mistura de água com gelo será o reservatório frio.

A máquina de calor realiza trabalho através de uma corrente que passa por um resistor de carga. O trabalho é convertido em calor que é dissipado neste resistor.

Uma máquina de calor está representada do diagrama abaixo: