Termoelectricidad FÍS.

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Física

La T., como su nombre indica, estudia la influencia que el calor (o la temperatura) tiene en la aparición de fenómenos eléctricos. El origen de esta rama de la Física es esencialmente experimental y se debe a los trabajos de T. J. Seebeck (1770-1831) y J. CH. A. Peltier (17851845). Aunque la transformación de energía eléctrica en calor que tiene lugar en una resistencia es un proceso irreversible, existen ciertos elementos de circuito en los cuales se produce calor a expensas de la corriente eléctrica, cuando ésta circula en un cierto sentido, mientras que se produce energía eléctrica a expensas del calor cuando la corriente circula en sentido inverso. El estudio de estos fenómenos es el objeto de la Termoelectricidad.

Para darse una idea de la importancia que tienen los fenómenos de este tipo basta pensar que mediante ellos se dispone de posibles realizaciones prácticas basadas en las relaciones calor-temperatura-potencial eléctrico, que van desde la medida de temperaturas por procedimientos eléctricos a la utilización de transductores o elementos de conversión de temperaturas en señales del tipo eléctrico (potenciales). La característica común de los fenómenos termoeléctricos suele ser la aparición de una fuerza electromotriz de origen no electromagnético.

Efecto Seebeck. Es un hecho experimental conocido que en la superficie de separación de dos metales de naturaleza distinta se establece una diferencia de potencial eléctrico, lo que equivale a decir que existe una fuerza electromotriz característica de la pareja de metales en cuestión. Ahora bien, con esta fuerza electromotriz no es posible crear corriente alguna debido a que, al cerrar el circuito mediante conductores metálicos mantenidos a igual temperatura, los saltos de potencial se compensan en virtud de la ley de Volta (v.). Sin embargo, las cosas cambian cuando la temperatura no es la misma en todas las soldaduras (fig. 1); es posible entonces la obtención de una corriente eléctrica debido al calentamiento de una soldadura en un circuito constituido por dos o más conductores metálicos con soldaduras (efecto Seebeck, 1821). La fuerza electromotriz de un circuito termoeléctrico constituido por un par de metales a y b esfunción de las temperaturas To y T de ambas soldaduras, representándose porFab (To, T).

El conocimiento de esta función constituye el principal problema a resolver, aunque desgraciadamente no siempre se consigue obtener su expresión analítica y entonces hemos de conformarnos con conocer sus propiedades más importantes, construir tablas de valores e incluso representaciones gráficas aproximadas.

Podemos considerar que estos fenómenos verifican las siguientes leyes: 1) La fuerza electromotriz termoeléctrica depende fundamentalmente de la diferencia de temperaturas entre la soldadura caliente y fría. 2) Las impurezas de los metales influyen sensiblemente en la magnitud de la fuerza electromotriz desarrollada. 3) La fuerza electromotriz no depende más que de la naturaleza de las soldaduras extremas; y es independiente de los metales que se introduzcan en el circuito, si la temperatura de éstos es la misma. 4) En un circuito compuesto por una serie de metales soldados a distintas temperaturas, la fuerza electromotriz resultante es la suma de las fuerzas electromotrices originadas en cada par de soldaduras.

Efecto Peltier. Estudiando el efecto Seebeck, descubrió Peltier en 1834 que en la unión de dos metales recorridos por una corriente eléctrica se produce una elevación o un descenso de la temperatura, según el sentido de recorrido de la corriente. Así, p. ej., si tenemos una barra de cobre soldada a otra de antimonio, cuando una determinada corriente circula del antimonio al cobre se eleva la temperatura en 10° C, mientras que si lo hace en sentido opuesto, o sea, del cobre al antimonio, desciende la temperatura en 5° C, en la unión.

Puede comprobarse el efecto Peltier disponiendo, en un tubo térmicamente aislado, una barra de bismuto soldada por sus extremos a dos barras de antimonio, las cuales se conectan al exterior a una fuente de energía. Alrededor de las dos soldaduras se arrollan unas espiras de cobre que forman parte de un puente de Wheatstone equilibrado. Cuando se conecta la fuente de energía al circuito y circula corriente por las uniones, una de éstas se calienta y la otra se enfría en virtud del efecto Peltier, a consecuencia de lo cual los valores de las resistencias arrolladas en las uniones se modifican de distinta manera y el puente se desequilibra.

Para tener una idea cuantitativa del fenómeno se define, para cada par de metales a y b, un coeficiente Pab, llamado coeficiente Peltier, como la energía absorbida o liberada en una unión cuando circula la unidad de carga

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. El estudio fenomenológico versa sobre efectos globales del sistema y se justifica siempre que los volúmenes de materia sean suficientemente grandes en comparación con las dimensiones de las partículas elementales y sus distancias mutuas. En estas condiciones, el cuerpo puede considerarse, no como un agregado de partículas elementales individuales, sino como un medio continuo. La ausencia de una hipótesis molecular limita el campo de acción de la Termodinámica, que en ocasiones es incapaz de determinar los valores absolutos de una magnitud, y solamente especifica relaciones entre propiedades observables. Así, p. ej., conocida la ecuación de estado de un gas (relación entre su presión, volumen y temperatura) y su calor específico a presión constante (calculado experimentalmente), por razonamientos termodinámicos se puede conocer el calor específico a volumen constante, así como la dependencia de los calores específicos con la presión y el volumen. Se puede también predecir si el gas se calentará o se enfriará cuando se expansiona a través de una válvula y cuál será la variación de temperatura correspondiente.

La T. tiene un lenguaje propio, con conceptos como sistema, alrededores, intercambio energético, equilibrio, superficie de control, etc., que conviene definir exactamente, ya que tienen un significado especial en esta ciencia.

Conceptos fundamentales. Sistema termodinámico (figura 1) es el cuerpo o grupo de cuerpos que es objeto de investigación. El sistema está separado de sus alrededores o medio exterior por una superficie real o imaginaria, superficie de control, a través de la cual se realizan intercambios de masa y energía. En la notación más usual, el calor absorbido por el sistema, así como el trabajo efectuado por éste, se consideran positivos. En cambio, el calor cedido y el trabajo realizado sobre el sistema se consideran negativos. Un gas encerrado en un cilindro con pistón es un sistema termodinámico, y sus alrededores son el propio cilindro y el aire que le rodea. La superficie interna del cilindro y del pistón constituyen la superficie del control.

Los sistemas pueden actuar sobre sus alrededores intercambiando masa, calor y trabajo. Cuando no hay intercambio de masa, porque el sistema está incluido en un recinto impermeable a la materia, el sistema se llama cerrado. Por el contrario, cuando entra y sale masa en el sistema, como ocurre, p. ej., en la caldera de una máquina de vapor, el sistema es abierto. El intercambio de calor puede disminuirse en intensidad utilizando sustancias poco conductoras, como la lana o el asbesto. Una pared perfectamente aislante frente al calor se denominaadiabática y el sistema está térmicamente aislado. Por el contrario, la pared perfectamente conductora del calor se llama diatérmica. Dos sistemas físicos, separados entre sí por paredes diatérmicas, se dice que están en contacto térmico. Un sistema lleva a cabo interacciones mecánicas con sus alrededores cuando experimenta variaciones de volumen. La pared que le separa del exterior se dice que es permeable al volumen. Si éste no varía, como ocurre en el caso de que el cilindro del ejemplo citado tenga un pistón fijo, el sistema se dice que está mecánicamente aislado. Igualmente pueden existir interacciones eléctricas, magnéticas, químicas, etc.

Estas definiciones muestran la diversidad de la naturaleza de las paredes. Un conductor que permite el tránsito de cierta cantidad de electricidad de un sistema a otro es una pared permeable a la carga eléctrica. La superficie libre de un líquido que separa éste de la fase vapor que le rodea es una pared permeable a la materia, ya que durante la vaporización es atravesada por las moléculas que pasan a la fase vapor. Una pared deformable y, por tanto, permeable al volumen puede ser a la vez diatérmica o adiabática. También puede ser porosa y, por tanto, permeable a la materia. Una pared no necesita ser necesariamente materializable. Así, p. ej., el vacío que separa el Sol de la Tierra constituye una pared diatérmica a través de la cual se intercambia energía en forma de radiación térmica.

Estados y su evolución. El estado de un sistema termodinámico viene definido por un conjunto de variables o magnitudes físicas observables, como son la presión, el volumen, la temperatura, etc., que caracterizan sus propiedades físicas. Conocer el estado de un sistema es poseer la máxima información respecto a su descripción y su historia. El sistema puede pasar de un estado a otro por medio de un proceso o evolución. Unas magnitudes termodinámicas, como el calor (v.) y el trabajo (v.), dependen del camino recorrido al pasar del estado inicial al final. Otras, llamadas funciones de estado, como son la energía interna y la entropía (v.), son independientes del camino recorrido y sólo dependen de las condiciones iniciales del proceso. Las propiedades termodinámicas de un sistema no son independientes entre sí. Basta recordar la ecuación fundamental de los gases ideales, pv=RT,según la cual, para cada valor de la presión p, y del volumen molar v, la temperatura T posee un valor determinado. En general, la ecuaciónf(p, v. T)=0de una sustancia es su ecuación de estado.

Los sistemas abandonados a su libre acción tienden espontáneamente hacia un estado final, estacionario, que se denomina estado de equilibrio. Las diferencias de temperatura, de concentración, de presión, etc., tienden a desaparecer con el tiempo; el sistema evoluciona hacia un estado de equilibrio mecánico, térmico, químico o eléctrico, y una vez alcanzado cesan todas las transformaciones (v. TERMODINÁMICA II). Las propiedades macroscópicas del sistema se hacen independientes del tiempo. La actividad molecular continúa en los estados de equilibrio, pero es de tal naturaleza que no afecta a las propiedades observables del sistema. La Termodinámica se aplica normalmente a sistemas en equilibrio, y desde ese punto de vista debiera llamarse Termostática. El estudio de los estados no equilibrados constituye la Termodinámica de los procesos irreversibles, que en los últimos años ha alcanzado un gran desarrollo gracias a los trabajos de Onsager, Groot y Prigogine.

Si en un proceso el sistema evoluciona a través de una serie continua de estados de equilibrio, el proceso se denomina reversible. Es un proceso ideal, semejante a los movimientos sin rozamiento que se idealizan en el campo de la mecánica. Todo proceso reversible posee las siguientes características: 1) basta modificar en un infinitésimo las condiciones del sistema para que el proceso cambie de sentido; 2) es infinitamente lento; 3) el rendimiento de la transformación es máximo; 4) es ideal.

En cambio, cuando eI sistema evoluciona a través de una serie de estados no equilibrados durante un proceso, se dice que éste es irreversible. En la práctica, todos los procesos son irreversibles, ya que para que un sistema evolucione es necesaria una diferencia finita de presión o de temperatura entre el sistema y sus alrededores. Cuando estas diferencias son infinitamente pequeñas, se alcanzan las condiciones de reversibilidad. El concepto de proceso reversible constituye un instrumento indispensable en el análisis termodinámico.

J. AGUILAR PERIS.

BIBL.: J. AGUILAR, Termodinámica y Mecánica estadística, Barcelona 1963; P. PÉREZ DEL NOTARIO, Termodinámica, Madrid 1966; G. BRUHAT, Thermodynamique, París 1962; H. D. BAEHR, Tratado moderno de Termodinámica, Barcelona 1965; Y. ROCARD, Thermodynamique, París 1952; R. KLING, Thermodynamique générale et applications, París 1967; Y. DOUCET, Cours de Thermodynamique, París 1967.