ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

Рассмотрим экспериментальную установку (рис. 12.4), состоящую из чув­ствительного вольтметра, двух медных проводов и одного стального про­вода. С помощью медных проводов стальной провод присоединен к вольт-

Сг—1

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

Medi

Железо

Медь

__ Спай

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

Рис. 12.4. Схема термоэлемента


Метру. Логически можно прийти к выводу, что стрелка вольтметра бу­дет установлена на нулевой отметке шкалы, так как в цепи отсутствует источник тока. В действительности оно так и будет: цепь состоит из металлических проводников (проводников 1-го класса). Если поменять железный проводник на любой другой, но металлический, то в цепи будет отсутствовать ток. Для данного случая справедливо правило (принцип) Вольта:

• в цепи, состоящей из произвольного количества любых металлических проводников, электродвижущая сила (ЭДС) равна нулю.

Правило Вольта состоит в глубокой связи с тем обстоятельством, что металлы (проводники 1-го класса) не испытывают химических изменений при прохождении тока. Если бы правило Вольта не соблюдалось, то в цепи длительное время шел бы ток и совершал своеобразную работу (вращал ротор двигателя) или нагревал помещение в результате нагрева спирали без уменьшения энергии цепи. Это был бы вечный двигатель 1-го рода[53]. Но так как внутренняя энергия цепи не уменьшается и к цепи не подводится извне энергия в тепловой форме, то по закону сохранения энергии никаких энергетических взаимодействий цепи с окружающей средой не может быть (в ней не может совершаться работа или нагрев проводника).

Как видно на рис. 12.4, цепь имеет два спая (соединения разнородных металлов). В местах спаев (2 шт.) возникают ЭДС, равные по величине, но разные по направлению. Алгебраическая сумма всех ЭДС в замкнутой цепи, составленной из проводников 1-го класса, равна нулю.

Положение станет совершенно иным, если мы нагреем какое-нибудь из мест соединения (спаев), например А (рис. 12.4), поднеся к нему горелку. В этом случае гальванометр показывает наличие в цепи электрического тока, протекающего все время, пока существует разность температур между спаями А и В. Если переместить горелку так, чтобы нагревалось место со­единения В, а А оставалось холодным, то будет, как и прежде, наблюдаться ток, но противоположного направления. Эти опыты показывают, что величина ЭДС, возникающей на границе соприкосновения двух металлов, сама зависит от температуры. В горячем месте соединения она больше,
чем в холодном. Поэтому, если места соединения находятся при разных температурах, то сумма всех действующих в них ЭДС уже не равна нулю, и в цепи возникает некоторая результирующая ЭДС, поддерживающая в ней длительный электрический ток.

Таким образом, в цепи, составленной из различных металлов, места спаев которых находятся при неодинаковых температурах, действует ЭДС, называемая термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС.). Описан­ное явление было открыто в 1821 г. Зеебеком и получило название термо­электричества, а всякую комбинацию разнородных проводников первого класса, образующих замкнутую цепь, называют термоэлементом.

Располагая более чувствительным гальванометром, мы можем обнару­жить ток при меньшей разности температур спаев Аи В. Достаточно поме­стить один из спаев в горячую воду или даже просто зажать его в пальцах, оставив второй при комнатной температуре, чтобы возник ток в цепи. Если оба спая поместить в воду той же температуры, то температура спаев сравняется, и ток прекратится. Если теперь, оставляя спай В в горячей воде, вынуть спай А и охладить его, то в цепи опять появится ток, идущий в обратном направлении. Точно так же термоэлектрический ток возникает в том случае, если один из спаев находится при комнатной температуре, а другой при более низкой, например, в твердой углекислоте (сухой лед). Таким образом, непосредственной причиной возникновения термо-ЭДС является разность температур обоих спаев. При этом температура тех участков цепи, которые состоят из однородного по составу материала, не играет практически никакой роли. Если температура обоих спаев одинако­ва, то и полная ЭДС в цепи равна нулю, независимо от того, находятся ли оба спая при очень высокой температуре или при очень низкой.

Опыт показывает, что электродвижущая сила термоэлементов, вообще говоря, невелика и приблизительно пропорциональна разности темпера­тур спаев. Ниже приведены термоэлектродвижущие силы в вольтах для некоторых пар металлов, при разности температур спаев в 100°С. Знак «плюс» обозначает, что ток идет через нагретый спай от первого металла ко второму.

Пары проводников, образующий спай

Термоэлектродвижущая сила (в вольтах на 100° С)

Сурьма-висмут

Медь-железо

Медь — константан

Серебро-константан

Серебро-никель

Платина-платинородий

(сплав 90% платины и 10% родия)

-0.011 +0.0010 -0.0047 -0.0041 -0.0024

-0.0010

Существование ЭДС и тока в цепи проводников 1-го класса при наличии разности температур в двух точках цепи не стоит, конечно, в противоречии с законом сохранения энергии.

Для поддержания разности температур в цепи, по которой идет ток, необходимо к ней подводить тепло, и за счет этого тепла и совершается работа в термоэлектрической цепи.

Таким образом, термоэлемент представляет собой тепловую машину, преобразующую тепловую энергию в энергию электрического тока. Го­рячий спай играет роль, аналогичную котлу или нагревателю паровой машины, а холодный спай играет роль охладителя, т. е. термоэлемент дей­ствует в соответствии со вторым законом термодинамики. Если к горячему спаю, находящемуся при абсолютной температуре Ть подводится тепловая энергия в количестве Qi, то часть этой тепловой энергии в количестве Q2 Перейдет к холодному спаю, находящемуся при абсолютной температуре Т2, а разность QiQ2 преобразуется в энергию тока. Коэффициент по­лезного действия термоэлемента, т. е. доля подводимой тепловой энергии, преобразуемой в электрическую форму энергии, равна

Qi-Q2

Если термоэлемент работает без потерь тепловой энергии, то его мак­симально возможный КПД, как для любой тепловой машины, работающей по циклу Карно, мог бы иметь значение

_Тх-г3

4T. Max Rp

Вообще же Tfr < Tjt.Max• Это положение верно и для термоэлементов.

Ваш отзыв

Рубрика: Основы теории тепловых процессов и машин

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *