O efeito Seebeck

[pic 4]

BCJ0205 - Fenˆomenos T´ermicos

Exp 4 - M´aquina t´ermica de efeito Seebeck

[pic 5]

Professor:                         Data:     /      /2018 Turma:         Turno (D/N):         Campus (SA/SB):            Nome:                                 RA:         Nome:                                 RA:         Nome:                                 RA:         Nome:                                 RA:         Nome:                                 RA:         Nome:                                 RA:           

[pic 6]

1. Objetivos

Verificar experimentalmente a segunda lei da termodinˆamica atrav´es da utiliza¸c˜ao do efeito Seebeck como mecanismo de uma m´aquina t´ermica.  Relacionar a diferen¸ca de temperatura que uma liga met´alica de Fe-Constantan ´e submetida `a for¸ca eletromotriz observada nos extremos da liga met´alica.

1. Introdu¸c˜ao

O efeito Seebeck, descoberto em 1821 por Thomas Johann Seebeck, ´e a produ¸c˜ao de uma diferen¸ca de po- tencial el´etrico na jun¸c˜ao entre dois condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes, quando estes est˜ao submetidos a diferentes temperaturas.  Ele ´e associado ao efeito considerado inverso e descoberto pelo  francˆes  Jean  Charles  Athanese  Peltier  e  em  muitos  livros  texto ´e  apresentado  como  efeito  Peltier- Seebeck.  Esses dois efeitos, em conjunto com o efeito Thomson s˜ao conhecidos como efeito termoel´etrico. O  efeito  Joule  -  gera¸c˜ao  de  calor  pela  passagem  de  corrente  em  um  material  resistivo  -  ´e  relacionado aos  demais,  mas  n˜ao  ´e  considerado  termoel´etrico,  dado  que  processos  com  os  efeitos  Peltier-Seebeck  e Thomson podem ser revers´ıveis[3], enquanto o efeito Joule nunca ´e.

O efeito Seebeck ocorre porque os n´ıveis eletrˆonicos dos materiais da junta variam de forma diferente com a temperatura, levando a cria¸c˜ao de uma diferen¸ca de potencial na jun¸c˜ao.  A figura 2 esquematiza um circuito termoel´etrico constru´ıdo com materiais de portadores de carga diferentes (tipo-p e tipo-n), e configurado como gerador el´etrico.

A  tens˜ao  produzida  pelo  efeito  Seebeck  num  circuito  semelhante  ao  mostrado  na  figura  2  pode  ser descrita por

V ∼= α(TQ − TF )        (1)

onde  V  ´e  a  tens˜ao,  TQ  e  TF  s˜ao  as  temperaturas  quente  e  fria  respectivamente  e  α ´e  o  coeficiente  de Seebeck ou potˆencia termoel´etrica, que de maneira geral, n˜ao ´e constante com a temperatura.

---

[pic 7]        [pic 8]

Figura  1:   Esquerda:   Esquema  de  um  gerador  termoel´etrico  por  efeito  Seebeck.[1]  Neste  circuito  em particular  n˜ao  s˜ao  os  coeficientes  de  Seebeck  que  s˜ao  diferentes,  mas  diferentes  portadores  de  carga (tipo-p e tipo-n). Direita: Kit experimental de efeito Seebeck (CIDEPE EQ088A).[2]

Neste experimento, iremos determinar o coeficiente α, bem como estimar a potˆencia produzida pelo circuito  em  estudo.  Iremos  ainda  estimar  a  potˆencia  consumida  por  uma  m´aquina  de  Carnot  que  pro- duzisse um trabalho equivalente ao do circuito testado.

Para isso, temos de lembrar que a potˆencia dissipada num circuito el´etrico ´e dada por

V 2

P = V · i =

---

(2)

R[pic 9]

onde  R ´e  a  resistˆencia  el´etrica  do  circuito.   Cabe  ainda  lembrar  que  a  eficiˆencia  de  uma  m´aquina  de Carnot ´e dada por:

ε        = 1        TF = W[pic 10]

C        TQ        QQ

---

(3)

onde εC  ´e a eficiˆencia de Carnot, W e QQ  s˜ao respectivamente o trabalho fornecido e o calor consumido pela m´aquina de Carnot.  Manipulando o u´ltimo termo da equa¸c˜ao 3 com um intervalo de tempo arbitr´ario

∆t obtemos a potˆencia consumida pela m´aquina de Carnot equivalente

W        ∆t        PW

ε        =        ·        =        ⇒ P

---

= PW

---

(4)

C        QQ        ∆t        PQ

---

Q        εC

onde PW  ´e a potˆencia u´til (trabalho) fornecida pela m´aquina e PQ  a potˆencia consumida pela m´aquina a partir da fonte quente.