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
|
|
|
|
Medi |
|
Железо |
|
Медь |
|
__ Спай |
|
|
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 Qi — Q2 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.