Termodinamica - Cengel 7th - espanhol

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CICLOS DE REFRIGERACIÓN
Unión caliente
Fuente de alta temperatura
T H
Q H
Unión fría
I
Q L
Sumidero de baja
temperatura T L
I
W neto
FIGURA 11-27
Esquema de un generador simple de
potencia termoeléctrica.
Placa caliente
Q H
Q L
p n p n p n
+ –
Placa fría
I
Fuente
Sumidero
W neto
FIGURA 11-28
Un generador de potencia termoeléctrica.
este modo, los dos alambres usados para medir la temperatura forman un termopar,
que es el dispositivo medidor de temperatura más versátil y de mayor
utilización. Un termopar común tipo T, por ejemplo, consta de alambres de
cobre y constantano y produce cerca de 40 mV por °C de diferencia.
El efecto Seebeck también constituye la base de la generación de potencia
termoeléctrica. El esquema de un generador termoeléctrico se muestra en la
figura 11-27. El calor se transfiere de una fuente de alta temperatura a la unión
caliente en la cantidad de Q H y se libera hacia un sumidero de baja temperatura
de la unión fría en la cantidad de Q L . La diferencia entre ambas cantidades
es el trabajo eléctrico neto producido, esto es, W sal Q H Q L . De la figura
11-27 se deduce que el ciclo de potencia termoeléctrico es muy similar a un
ciclo ordinario de máquina térmica, con los electrones como el fluido de trabajo.
Por consiguiente, la eficiencia térmica de un generador termoeléctrico
que opere entre los límites de temperatura de T H y T L queda limitada por la
eficiencia de un ciclo de Carnot que opere entre los mismos límites de temperatura.
Por lo tanto, en ausencia de irreversibilidades (como calentamiento I 2 R,
donde R es la resistencia eléctrica total de los alambres), el generador termoeléctrico
tendrá la eficiencia de Carnot.
La principal desventaja de los generadores termoeléctricos es su baja eficiencia.
El éxito futuro de estos dispositivos depende del descubrimiento de materiales
con características más convenientes. Por ejemplo, la salida de voltaje de
los dispositivos termoeléctricos se ha incrementado varias veces al cambiar
de pares metálicos a semiconductores. Un generador termoeléctrico práctico
que utiliza materiales conectados en serie tipo n (dopados intensamente para
crear un exceso de electrones) y tipo p (dopados intensamente para crear una
deficiencia de electrones), se muestra en la figura 11-28. A pesar de sus bajas
eficiencias, los generadores termoeléctricos tienen unas ventajas definitivas
respecto de peso y confiabilidad, y actualmente se usan en áreas rurales y en
aplicaciones espaciales. Por ejemplo, los generadores termoeléctricos basados
en silicio-germanio de las naves Voyager han suministrado potencia a estos
vehículos espaciales desde 1980, y se espera que lo sigan haciendo por varios
años más.
Si acaso Seebeck hubiese sido experto en termodinámica, es probable que
habría tratado de invertir la dirección del flujo de electrones en el circuito termoeléctrico
(aplicando externamente una diferencia de potencial en la dirección
contraria) para crear un efecto de refrigeración. Pero este honor pertenece
a Jean Charles Athanase Peltier, quien descubrió dicho fenómeno en 1834. Él
observó durante sus experimentos que cuando una pequeña corriente pasaba
por la unión de dos alambres distintos, la unión se enfriaba, como se muestra
en la figura 11-29. Esto se denomina efecto Peltier, y constituye la base de
la refrigeración termoeléctrica. Un circuito de refrigeración termoeléctrica
práctico que emplea materiales semiconductores se muestra en la figura 11-30.
Se absorbe calor del espacio refrigerado en la cantidad de Q L y se libera hacia
el ambiente caliente en la cantidad de Q H . La diferencia entre ambas cantidades
es el trabajo eléctrico neto que necesita suministrarse, es decir, W sal Q H
Q L. . Hoy día, los refrigeradores termoeléctricos no están en condiciones de
competir con los sistemas de refrigeración por compresión de vapor debido a
su bajo coeficiente de desempeño. Sin embargo, se encuentran en el mercado
y se prefieren en algunas aplicaciones debido a su pequeño tamaño, simplicidad,
confiabilidad y porque son silenciosos.