温差发电

【实验目的】

演示西伯克（Seebeck）效应和帕尔帖（Peltier）效应。

【实验器材】

热电转换仪，两个玻璃烧杯，温度计（两个），直流稳压电源。如图77-1所示。

图77-1

【实验原理】

1. 西伯克(seebeck)效应

有两种不同导体组成的开路中，如果导体的两个结点存在温度差，这开路中将产生电动势E，这就是西伯克效应。由于西伯克效应而产生的电动势称作温差电动势。

材料的西伯克效应的大小，用温差电动势率a表示。材料相对于某参考材料的温差电动势率为

(77-1)

由两种不同材料P、N所组成的电偶，它们的温差电动势率等于与之差，即

(77-2)

热电制冷中用P型半导体和N型半导体组成电偶。两材料对应的和，一个为负，一个为正。取其绝对值相加，并将直接简化记作a，有

　　　　　　　　　　　　　(77-3)

2. 帕尔帖(peltire)效应

电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量。这就是帕尔帖效应。由帕尔帖效应产生的热流量称作帕尔帖热，用符号表示。

对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。材料的帕尔贴效应强弱用它相对于某参考材料的帕尔贴系数表示

　　　　　　　　　　(77-4)

式中 ----- 流经导体的电流，单位A。

类似的，对于P型半导体和N型半导体组成的电偶，其帕尔贴系数（或简单记作）有

　　　　　　　　　　 　　 (77-5)

帕尔贴效应与西伯克效应都是温差电效应，二者有密切联系。事实上，它们互为反效应，一个是说电偶中有温差存在时会产生电动势；一个是说电偶中有电流通过时会产生温差。温差电动势率a与帕尔贴系数之间存在下述关系

　　　　　　　　　　　　　　(77-6)

式中 -- 结点处的温度，单位。

3. 汤姆逊效应

电流通过具有温度梯度的均匀导体时，导体将吸收或放出热量。这就是汤姆逊效应。由汤姆逊效应产生的热流量，称汤姆逊热，用符号表示

　　　　　　　　(77-7)

式中- 汤姆逊系数，单位 ；- 温度差，单位； - 电流，单位A。

在热电制冷分析中，通常忽略汤姆逊效应的影响。另外，需指出：以上热电效应在电流反向时是可逆的。由于固体系统存在有限温差和热流，所以热电制冷是不可逆热力学过程。

4．热力学第一定律：外界向系统传递的热量中的一部分用于系统对外作的功，一部分用于使系统的内能增加。

热力学第二定律：在孤立系统中发生的自发过程总是从包含微观态数目少的宏观态向包含微观态多的宏观态转变，或者说，从热力学概率小的宏观态向热力学概率大的宏观态过渡。

【实验操作与现象】

1. 西伯克(seebeck)效应

（1）将热电转换仪开关掷到“up”的位置。

（2）将转换仪的一边金属支架放到热水中，将另一条金属支架放到冷水中，温度计分别放入其中。

（3）过一段时间，热水中的能量就被转换成功，可以看到风扇转动起来。

（4）将热水和冷水倒入到一个更大的容器中，并将两支架都放入其中，这时风扇就不再转动了。

（5）更进一步，将一支架放到混合液中，而另一支架放入到冷水中，观察现象。

2．帕尔帖(peltire)效应

（1）将稳压直流电源连接到热电转换仪上。

（2）将转换仪开关掷到“down”的位置，打开电源开关。

（3）等上一段时间，就可以感觉到两边金属支架的温度有差别了（注意：在这个实验中，没有必要将转换仪支架放入水中）。

（4）为了能观察得更细致，可以让转换仪从室温开始工作，经过一段时间后，用温度计分别测量两边支架的温度，以便具体地观察出温度的差异。

3．在演示完帕尔帖(peltire)效应后，关闭电源。将转换仪开关掷到“up”的位置，等一段时间，转换仪两边支架温度不同，其之间的温差将产生电流，电风扇旋转起来。

【注意事项】

1．不要让电源供电的时间超过两分钟，电源电压不要超过8V。。

2．工作的电流不能过大，建议电压用5V，电流用3A。

3．实验中要小心，不要碰翻热水杯，以免烫伤。