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1. Introdução
Teoria Termoelétrica
Dentre os mais de 100 elementos químicos existentes na natureza, cerca de setenta se distinguem por propriedades físico químicas bem características, apesar das diferenças físicas existentes entro si. Tais elementos são os metais.
As mencionadas propriedades características se fazem notar principalmente, no estado sólido e são: densidade elevada (decorrente do arranjo muito compacto dos átomos); elevado poder refletor (de onde advém o brilho dito metálico); boa condutibilidade térmica e excelente condutividade elétrica (essas três últimas propriedades decorrentes da existência de "elétrons livres" em abundância). Observação: Denominam se "elétrons livres", os elétrons que se distinguem pela grande mobilidade que exibem no interior e na superfície dos metais. São elétrons fracamente ligados aos átomos de origem, sendo que a própria agitação térmica natural da molécula os desprende de suas órbitas atômicas. Estes elétrons livres constituem um verdadeiro "gás eletrônico", que ocupa o espaço vazio entre os átomos.
Em nível elementar, admite se uma teoria clássica que encontra conformação experimental satisfatória e que exporemos a seguir: metais são condutores eletrônicos, admite se que, em média, cada átomo contribua com um elétron livre (elétrons de condução, que migra de um átomo para outro, através do condutor). Seja dado um condutor homogêneo, em forma de fio, com secção transversal invariável "S" e comprimento "I". Aplicando a este condutor uma tensão "U", o campo elétrico "E" que se estabelece dentro dele tem intensidade:
Por efeito desse campo, os elétrons livres do condutor ficam sujeitos as forças que os impulsionam através do condutor. A força de campo que age em cada elétron é:
E ou, em valor absoluto:
Se os elétrons se movessem em amplo espaço vazio, eles adquiririam velocidade cada vez maior, no entanto, o espaço disponível entre os átomos e este espaço é exíguo, mesmo em confronto com as dimensões atômicas. Acompanhemos um elétron qualquer que acaba de ser liberado do por um átomo: ele é acelerado pelo campo e adquire energia cinética até chocar se com outro átomo. Apresentam se duas alternativas: o átomo captura o elétron e possivelmente, libera outro, ou então, o átomo reflete o elétron. Em qualquer caso, o átomo retém grande parte da energia cinética do elétron e o processo recomeça: o elétron é acelerado pelo campo e no choque com outro átomo perde energia cinética. Como resultado desse
processo, os elétrons livres não adquirem velocidades elevadas e a agitação térmica dos átomos aumenta se o condutor não ceder calor ao ambiente (efeito Joule). Os Termopares são sensores de maior uso industrial para medição de temperatura. Eles cobrem uma faixa bastante extensa de temperatura que vai de -200 a 2300ºC aproximadamente, com uma boa precisão e repetabilidade aceitável, tudo isto a um custo que se comparado com outros tipos de sensores de temperatura são mais econômicos.
Definição de Termopar
O aquecimento de dois metais diferentes com temperaturas diferentes em suas extremidades, gera o aparecimento de uma F.E.M. (da ordem de mV). Este princípio conhecido com efeito Seebeck propiciou a utilização de termopares para geração de mV ou medição de temperatura.
Fig. 1 – Esquema de um termopar.
Um termopar ou par termométrico consiste de dois condutores metálicos de natureza distinta, na forma de metais puros ou ligas homogêneas. Os fios são soldados em um extremo ao qual se dá o nome de junção de medição; a outra extremidade, junção de referência é levada ao instrumento medidor por onde flui a corrente gerada. Convencionou-se dizer que o metal A é positivo e B é negativo, pois a tensão e corrente geradas são na forma contínua (cc).
*Tipo T
- Composição: Cobre (+) / Cobre - Níquel (-) O fio negativo cobre - níquel é conhecido comercialmente como Constantan.
- Faixa de Utilização: -200 a 350ºC
- Características: Estes termopares são resistentes a corrosão em atmosferas úmidas e são adequados para medidas de temperaturas abaixo de zero. Seu uso no ar ou em ambientes oxidantes é limitado a um máximo de 350ºC devido a oxidação do fio de cobre. Podem ser usados em atmosferas oxidantes (excesso de oxigênio), redutoras (rica em hidrogênio, monóxido de carbono) e no vácuo; na faixa de -200 a 350ºC.
- Identificação da polaridade: O cobre (+) é avermelhado e o cobre - níquel (-) não.
- Aplicação: Sua maior aplicação está em indústrias de refrigeração e ar condicionado e baixas temperaturas em geral.
Efeito termo elétrico
O efeito termoelétrico é a conversão direta da diferença de temperatura em voltagem elétrica e vice-versa. Um dispositivo termoelétrico cria uma voltagem quando há uma diferença de temperatura entre seus lados. Pelo contrário quando lhe é aplicada uma voltagem, cria-se uma diferença de temperatura (conhecido como efeito Peltier ). Na escala atômica (em especial, portadores de carga), um gradiente de temperatura aplicada provoca portadores carregados no material, se há elétrons ou vazios, para
Peltier. O efeito Peltier produz-se tanto pela corrente proporcionada por uma bateria exterior como pelo próprio par termoelétrico.
O coeficiente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam ua junção, sendo independente da temperatura da outra junção. O calor Peltier é reversível. Quando se inverte o sentido da corrente, permanecendo constante o seu valor, o calor Peltier é o mesmo, porém em sentido oposto.
Efeito termoelétrico de Thomson
Em 1854, Thomson conclui, através das leis da termodinâmica,que a condução de calor, ao longo dos fios metálicos de um par termoelétrico, que não transporta corrente, origina uma distribuição uniforme de temperatura em cada fio. Quando existe corrente, modifica-se em cada fio a distribuição de temperatura em uma quantidade não inteiramente devida ao efeito Joule. Essa variação adicional na distribuição da temperatura denomina-se efeito Thomson. O efeito Thomson depende do metal de que é feito o fio e da temperatura média da pequena região considerada. Em certos metais há absorção de calor, quando uma corrente elétrica flui da parte fria para a parte quente do metal e que há geração de calor quando se inverte o sentido da corrente. Em outros metais ocorre o oposto deste efeito, isto é, há liberação de calor quando uma corrente elétrica flui da parte quente para a parte fria do metal. Concluí-se que, com a circulação de corrente ao longo de um fio condutor, a distribuição de temperatura neste condutor se modificará, tanto pelo calor dissipado por efeito Joule, como pelo efeito Thomson.
2. Desenvolvimento
Introdução teórica.
Os materiais utilizados no seguinte experimento foram:
- Multímetro;
- Termômetro de mercúrio;
- Termopar Cobre-Constantan;
- Tubo de ensaio;
- Cuba revestida de isopor;
- Sistema de aquecimento (lamparina);
- Água;
- Gelo;
a) Coloque uma das junções no referencial 0 °C. Para isso mergulhe-a na cuba contendo água+gelo. A outra junção será colocada juntamente com o termômetro no tubo de ensaio contendo água, para medidas de temperatura.
b) Aqueça lentamente com a lamparina o tubo de ensaio, e faça leituras simultâneas da voltagem (multímetro) e da temperatura (termômetro) a cada 5 °C, ate ferver a água.
c) Com os dados obtidos no item (b), faça um gráfico da voltagem em função da temperatura lida no termômetro. E determine o coeficiente de Seebeck (e) do sensor.
d) Obtenha também o coeficiente de Seebeck (e) para os valores de temperaturas tabelados e compare com o obtido no item (c), para isso, faça um gráfico da voltagem em função da temperatura, na mesma faixa de temperatura medida no item (b).
Gráfico II – resultados teóricos.
Com os dados da tabela acima se montou o Gráfico I e chegou-se na seguinte forma:
3. Conclusão
4. Bibliografia
