Energia, Instrumentação, Sensores, Temperatura, Termodinâmica

Efeito Thomson: o que é?

Este post é a segunda parte sobre termeletricidade. O efeito Thomson é um fenômeno termelétrico reversível e relacionado com os efeitos Seebeck e Peltier.

Recomendo que leia o post sobre os efeitos Seebeck e Peltier antes de continuar.

Efeitos Seebeck e PeltierClique aqui

Coeficiente de Seebeck

Acrescentando informações importantes sobre os outros dois fenômenos termelétricos reversíveis. A equação da densidade de corrente J em um condutor durante o efeito Seebeck é:

J=\sigma (-\Delta V+E_{emp})

  • \sigma é a condutividade do material.
  • \Delta V é a diferença de potencial.
  • E_{emp} é a força eletromotriz.

Cálculo da força eletromotriz.

E_{emp}=-S\cdot \Delta T

  • S é o coeficiente de Seebeck em V/K (volt/kelvin).
  • \Delta T é a diferença de temperatura entre as junções.

O coeficiente de Seebeck também pode ser calculado desta forma.

S=-\frac{\delta V}{\delta T}

  • \delta V e \delta T são as variações de tensão e temperatura respectivamente.
coeficiente de Seebeck dos materiais
Cada material tem seu coeficiente de Seebeck. Fonte: electronics cooling.

Coeficiente de Peltier

Abaixo é a equação do calor absorvido ou transmitido Q por unidade de tempo na junção pelo efeito Peltier.

Q=(\Pi _{A}-\Pi _{B})\cdot I

\Pi _{A} e \Pi _{B} são os coeficientes de Peltier dos materiais A e B, representam a quantidade de calor por carga elétrica em Joule/Coulomb (J/C). I é a corrente elétrica. O coeficiente de Peltier \Pi pode ser calculado a partir do coeficiente de Seebeck.

\Pi _{AB}=\Pi _{A}-\Pi _{B}=S_{AB}\cdot \Delta T

  • \Delta T é a diferença de temperatura entre as junções.
  • S_{AB}=S_{A}-S_{B}.

O efeito Thomson

Foi descoberto na década de 1850, pelo físico, matemático e engenheiro britânico Willian Thomson Kelvin. O mesmo que introduziu a escala de temperatura Kelvin. Segundo o efeito Thomson, quando uma corrente elétrica passa por um condutor homogêneo, este tendo um gradiente ou diferença de temperatura nas extremidades, o condutor absorve ou emite calor. Dependendo dos sentidos da corrente elétrica e do gradiente de temperatura.

efeito thomson seebeck e peltier
À direita, ilustração do efeito Thomson (Thomson effect). J_{C} é a densidade de corrente. O calor (Heat) flui do mais quente para o mais frio. Heat absorption= absorção de calor e heat evolution = emissão de calor, embora a tradução literal seja evolução de calor. Fonte: (Uchida, 2020).

E se esquentar o meio do condutor? Em um lado o calor será absorvido e no outro, emitido.

experimento que comprovou o efeito Thomson
Este é parte do diagrama do experimento que comprovou o efeito Thomson. Uma barra de ferro em forma de “U” é esquentada no ponto C. As resistências R_{1} e R_{2} estão ligadas a uma ponte de Wheatstone. Com a absorção e emissão de calor, as resistências mudam e a ponte se torna desequilibrada. Fonte: David Darling.

Efeitos Thomson positivo e negativo

Considere a corrente elétrica fluindo de A a B, em um condutor com uma fonte de calor em C. Em materiais com efeito Thomson positivo (a), o calor do ponto A até o C é absorvido (Heat absorbed), mas é liberado no outro lado do condutor. Metais que apresentam o efeito Thomson positivo são: cobre (Cu), cádmio (Cd), zinco (Zn), antimônio (Sb), prata (Ag) e estanho (Sn).

Já no efeito Thomson negativo (b), calor é liberado de A para C, mas absorvido de C para B. Os metais que apresentam o efeito negativo são: ferro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni), bismuto (Bi), platina (Pt) e mercúrio (Hg).

efeito Thomson positivo e negativo
Os efeitos Thomson positivo (a) e negativo (b). Fonte: BrainKart.com.

Sem uma corrente elétrica, os pontos M e N teriam temperaturas iguais. Porém, quando há corrente, N terá uma temperatura maior que M no efeito positivo. Enquanto no efeito negativo, a temperatura do ponto M será maior do que de N.

Equação do calor e o coeficiente de Thomson

A equação do calor produzido q por unidade de volume.

q=\rho J^2-\mu J\frac{dT}{dx}

  • \rho, resistividade.
  • J, densidade de corrente.
  • \mu é o coeficiente de Thomson em volts por grau, pode ser positivo ou negativo, depende do material. 
  • \frac{dT}{dx}, gradiente de temperatura.

O primeiro termo da equação é simplesmente o aquecimento da Lei de Joule, que não é reversível. O segundo termo é o calor de Thomson, que muda de sinal quando J muda de direção.

Liked it? Take a second to support Electrical e-Library on Patreon!

About Pedro Ney Stroski

Deixe uma resposta

O seu endereço de e-mail não será publicado. Campos obrigatórios são marcados com *