Termodinámica: Bomba de Peltier

PRACTICA Nº1
BOMBA DE PELTIER
El efecto Peltier ( físico frances 1785−1845) lo descubrió el fisico del mismo nombre en 1834 cuando
comprobó que, haciendo pasar una tensión continua a través de las superficies de contacto de dos sustancias
conductoras distintas, por un lado se absorbía calor (lado frío), y por el lado contrario se generaba calor (lado
caliente). Este descubrimiento no se aprovechó mucho en su época, pero cuando empezaron a aparecer en el
mercado los nuevos materiales semiconductores, utilizados en la actualidad para fabricar los transistores,
muchos fabricantes empezaron a realizar innumerables tipos de células −de baja, media y alta potencia−
debido a las enormes ventajas que ofrecían. De hecho, además de ser totalmente silenciosas tienen un tamaño
y peso muy reducidos, soportan sin problemas golpes y vibraciones, se pueden utilizar en cualquier posición,
vertical, horizontal, inclinadas, y además, gracias a ellas, se puede regular la potencia frigorífica variando
simplemente la corriente de alimentación.
Muy interesante también es el hecho de que, al invertir la polaridad de alimentación, se invierta también su
funcionamiento; es decir: la superficie que antes generaba frío empieza a generar calor, y la que generaba
calor empieza a generar frío.
Inversamente si calentamos uno de los lados ó bien enfriamos el otro, se genera una fuerza elétromotriz . El
fenómeno en este caso ( uqe no es mas que el efécto inverso) se llama Efecto Seebek ( fisico Aleman
1770−1831). Seebek descubrió este efecto en 1821, es decir anteriormente a Peltier, pero lo hicieron por
separado, y al parecer sin conocimiento mutuo.
Si observamos la figura podemos ver que una bomba de Peltier se compone, prácticamente, de dos materiales
semiconductores, uno con canal N y otro con canal P, unidos entre si por una lámina de cobre.
Si en el lado del material N se aplica la polaridad positiva de alimentación en el lado del material P la
polaridad negativa, la placa de cobre de la parte superior enfría, mientras que la inferior calienta.
Si en esta misma célula, se invierte la polaridad de alimentación, es decir, se aplica en el lado del material N la
polaridad negativa y en el lado del material P la positiva, se invierte la función de calor / frío: la parte superior
calienta y la inferior enfría.
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Físicamente los elementos de un módulo Peltier comerciales, como el que vimos en el laboratorio, son
bloques de 1mm cúbico conectados eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo (ver figura).
En la practica vamos a usar el efecto Peltier para refrigerar un deposito de agua que calentaremos con una
resistencia que consume una cantidad de energía conocida. Pondremos la cara fría de la bomba de Peltier en
contacto con el depósito de agua y haremos pasar una corriente por la bomba de modo que la placa en
contacto con el agua libere energía y la opuesta lo absorba. Al tiempo refrigeraremos la cara caliente con una
pequeña corriente de agua, de modo que evacuemos la energía que absorbe.
El objetivo es determinar la capacidad de enfriamiento de la bomba en función de la corriente que la atraviesa
y así calcular el ratio de eficiencia de la bomba en el momento de máxima producción.
Vamos a comparar la potencia que usamos para calentar el agua del pequeño depósito, con la que consume la
bomba en el momento en el que la temperatura de las dos placas se iguala y permanece en equilibrio. En ese
momento el calor absorbido por una placa es eliminado por la otra en su totalidad y coincide con la energía
disipada por la resistencia.
Por otro lado la potencia eléctrica suministrada a la bomba corresponde a la máxima capacidad de
enfriamiento de la bomba.
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Tras varias oscilaciones de las temperaturas de las placas del dispositvo, llegamos al equilibrio a la
temperatura de 34,5ºC
En ese momento los valores de la corriente en la resistencia eran 2,8 A y los de la tensión 5,54 v. La potencia
en la resistencia era 15,512 w que coincide con la capacidad de enfriamiento de la bomba.
Los valores de la corriente de la Bomba de Peltier eran 3,44 A. Los de la tensión eran 16,7 v, siendo la
potencia de la bomba 57,44 W.
El rendimiento de la bomba es el resultado de comparar la capacidad de enfriamiento de la bomba, con la
potencia eléctrica que consume para ello. Así:
Pc
c = −−−−−−−−−−− = 0.27
Pele
PRACTICA Nº2
PANEL SOLAR: DEPENDENCIA DE LA INTENSIDAD FRENTE
AL CUADRADO DE LA DISTANCIA
Si un foco puntual emite ondas uniformemente en todas direcciones, la energía a una distancia r del mismo
estará uniformemente distribuida sobre una corteza esférica de radio r y superficie 4r2. Si la potencia
emitida por el foco es P, la potencia por unidad de área que está incidiendo perpendicularmente a la dirección
de propagación la denominamos intensidad.
Colocamos la fuente de luz frente al panel solar perpendicularmente al haz luminoso, a una distancia inicial de
25 cm, para la cual en nuestro aparato de medida se nos indicara una lectura. Es y la intensidad de corriente
que genera. Como la potencia de una corriente eléctrica es proporcional a la intensidad, existirá una
proporcionalidad entre la intensidad del haz y la intensidad de corriente. Repitiendo esta operación obtenemos
una tabla de medidas de intensidad frente a cada distancia, entre el panel solar y la lámpara en intervalos de 5
cm. Mediante un ajuste por mínimos cuadrados obtenemos una recta como se indica.
Datos
Distancia (
mm )
300
350
Datos Intensidades (
mA )
10,5
8,1
3
400
450
500
550
600
650
700
750
6,2
5
4,1
3,4
2,9
2,5
2,2
1,9
I= −0,1748*D + 13,856
R = 0,7710
Para una segunda captación de datos variamos el ángulo (0', 30', 45', 60') que la normal al panel solar forma
con el haz luminoso. Representando los valores obtener una recta.
Datos
Datos Grados Intensidades (
mA )
90
0,2
60
1,3
50
1,9
40
3,6
20
5,7
0
6,2
I= −0,075*G + 6,4
R = 0,9666
PRACTICA Nº3
DETERMINACIÓN DEL CALOR ESPECÍFICO DE UN SÓLIDO
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El objetivo de la práctica es determinar el calor específico de un sólido. El modo de hacerlo es calentar el
sólido hasta una temperatura determinada y ponerlo en contacto con un sistema a menor temperatura que le
robe parte de la energía que contiene, hasta que la temperatura se iguale. La energía que cederá será
proporcional a su masa, a su calor específico y a la diferencia entre la temperatura inicial y la final. msolido x
cs x (Tf − Ti ). Pero en principio no sabemos no sabemos cual es cs que buscar otro método.
Fácilmente se ve que el calor que cede el cuerpo sólido será igual que el que absorba el sistema con el que lo
pongamos en contacto. Solo tendremos que buscar el modo de conocer esa energía que absorbida por el
sistema. Esto podemos hacerlo conociendo la capacidad calorífica del sistema con el que entre el contacto el
sólido, la temperatura inicial y la temperatura final a la que llega. Así la energía que captará el sistema será C
( Ti − Tf). Pero para esto tendremos que cuidarnos de que el sistema no interaccione con el ambiente ya que
de otro modo no estaríamos seguros de que la energía que aumenta la temperatura del sistema venga del
sólido y no del ambiente o por otro lado que el sistema no ceda al ambiente parte de la energía que absorbe del
cuerpo sólido que pretendemos analizar. Para que esto no ocurra usaremos un vaso Dewar, que es lo que
normalmente se conoce como termo, y que como lo vamos a usar para calcular intercambio de calor se llama
calorímetro.
Comenzando con la práctica, tenemos que calcular primero la capacidad calorífica del sistema.
Llenamos totalmente el calorímetro de agua para conocer su capacidad (280 ml). Posteriormente lo vaciamos
y echamos la mitad (140 ml) en el calorímetro a temperatura ambiente (20,2ºC). En un matraz, echamos la
otra mitad de la capacidad del calorímetro y la calentamos un poco, en este caso hasta 71ºC. que verteremos
en el calorimetro.
Cuando la temperatura se equilibre, entonces sabremos que la energía que ha cedido el agua caliente es igual a
la energía que absorve el sistema formado por el agua a temperatura ambiente y el calorímetro. Así, la energía
que capta es
magua x cagua (Tf − Ti ) + m calorimetro x c calorimetro x (Tf − Ti)
Pero como el c calorimetro es difícil de conocer, por estar hecho de varios materiales, vamos a buscar que
cantidad de masa de agua se comportaría igual que el calorímetro ante una cantidad igual de energía, o lo que
es lo mismo que cantidad de agua variaría su temperatura desde (Tf − Ti) con la misma energía que
empleamos para elevar la temperatura del calorímetro de (Tf − Ti). Es lo que se llama equivalente agua del
calorímetro(K). Así: (m1 + K ) cagua (Tf − Ta ) = m2 cagua (Tc − Tf) .
Tc − Tf 28,9
K = m2 −−−−−−−−−−−−−−−− − m1 ; K = 140 −−−−−−−−−−−−−−−−− − 140 = 44,75 grs de agua
Tf − Ta 21,9
Ahora calentamos un sólido en un Calentador de Noack. Es un aparato calentador con una camisa hueca
cilíndrica en cuyo interior hay un tubo cilíndrico que se cierra por la parte inferior con una corredera que
permitirá vaciarlo, se llenará con el sólido que vamos a analizar que pesaremos anteriormente ( 22,9 grs) y que
por arriba se tapa con un tapón, a través del cual se pasa un termómetro que medirá la temperatura del sólido
en su interior. Por la camisa se hace pasar vapor de agua que calentará el interior del tubo de un modo seco, ya
que las gotas de agua podrían falsear el resultado. Pasados 15 minutos, se toma la temperatura del sólido, y se
vierte en el calorímetro que habremos llenado de agua ( 280 ml) . la temperatura de equilibrio a la que se llega
es 20,8 ºC
La Tc = 92 ºC, Ta = 20,4 ºC , Tf = 20,6ºC
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(m1 + K ) cagua (Tf − Ta ) = msolido csolido (Tc − Tf)
(280g + 44,75) cagua ( 20,6ºC − 20,4ºC) = 22,9g csolido ( 92ºC − 20,6ºC) ;
cagua =1
despejando obtenemos un csolido = 0,039 cal/ºC
PRACTICA Nº4
CUBO DE LESLIE
Descripción :
El cubo de Leslie sirve para demos-trar las radiaciones térmicas de un cuerpo en función de su temperatura y
de su calor, es decir, de su capacidad de absorción. Este cubo es hueco, de latón y tiene 10 cm de lado. En su
parte superior tiene dos aberturas para poder verter un líquido. las cuatro caras laterales ofrecen condiciones
diferentes: metal opaco, metal pulido, lacado en blanco y lacado en negro. Para nuestra experiencia, nos
hemos ceñido a las caras lacada en blanco y lacada en negro.
Para el experimento se llena el cubo con con aceite caliente, llevando esta a temperaturas de próximas a los
150 ºC. Midiendo la temperatura introduciendo un termómetro por uno de los orificios. Para medir la
radiación se emplea una pila ter-moeléctrica de Moll. Para el llenado con aceite caliente se coloca la pila
termoeléctrica convenientemente a una distancia de 20 cm, Para evitar que la radiación calorífica que emite el
experimentador, tome in-fluencia sobre la medida, se co-loca en un extremo de la pila termoeléctrica un tubo
de la medida de la distancia, y se dirigido a una de las caras del cubo de Leslie, alternativamente la cara
ennegrecida y la cara metálica.
Una observación que hemos podido comprobar es la apreciación de la emisión de radiación de las distintas
caras del cubo, en mayor o menor medida dependiendo de las caras, con tan solo aproximando a las distintas
caras dos termómetro digitales y comparando la medida, entorno a los 2 grados. No podemos dar por
experiencia valida ya que no se puede aislar el sistema exterior al cubo. Pero si es valida en el ámbito
intuitivo. Los ordenes de variación reflejadas en las aportaciones teóricas no se nos aproximan a los resultados
para los dos cuerpos
20:1.
El experimento demuestra que el poder de radiación de un cuerpo
es tan más grande cuanto mayor sea su poder de absorción para una misma longitud de onda.
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Montaje de la practica
Distribución de la energía en el espectro.
Un sencillo montaje óptico basta para hacer un convincente ex-perimento. El filamento de la bom-billa
incandescente, se proyecta sobre la rendija variable por medio de la lente condensadora sujeta a la lámpara
Ley-bold .La rendija a su vez se proyecta sobre una pantalla colocado a 1,5 − 2 m de distan-cia, por medio de
una lente de entre 150 a 200 mm de distancia focal. Inmediatamente detrás de la lente, se coloca un prismas
hueco con cinamato de etilo, ajustándolo a una des-viación mínima. De esta forma se produce un espectro
muy lu-minoso. Si a la pila termoeléctrica, se la hace pasar a través del espectro, se podrá observar que la
indicación del galvanómetro es pequeño, frente a la parte azul y va aumen-tando, mientras más se acerque al
extremo rojo del espectro. Al terminar el espectro, la desviación no se interrumpe, sino que, por el contrario,
es mucho mayor y al-canza un máximo mucho más allá de la zona visible.
Al hacer este experimento, hay que tener cuidado que la pila termoeléctrica no reciba radia-ciones
perturbadoras directos, ta-les como las provenientes de la lámpara caliente o de nosotros mismos. Esto es
consecuencia de poner un tubo entre la pila termoeléctrica y una de las caras del cubo de Leslie.
Ley de desplazamiento de Wien.
Usando la misma disposición se puede demostrar, cualitativa mente, que la distribu-ción de la energía
depende de la temperatura del cuerpo radiante. Con idéntico montaje pero modificado la bom-billa
incandescente, se puede medir la distribución de la energía correspondiente a las diferentes temperaturas, no
sólo se comprueba el extraordinario aumento de la radiación junto con la temperatura, sino que se de-muestra,
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también, que el máximo de la radiación se desplaza tanto más hacia el espectro visible, cuanto mayor sea la
temperatura. La consecuencia que se deriva de esto es que un cuerpo tiene una radiación tanto más blanca,
cuanto mayor sea su tempera-tura.
Las caras del cubo lacadas en blanco y negro tienen en el campo de las ondas calóricas largas aquí
conside-radas, mas o menos la misma intensi-dad de radiación, mientras que las caras metálicas tienen
radiaciones sensiblemente más débiles. Se puede observar igualmente la dependencia entre la radiación
calórica y la tem-peratura.
La pila termoeléctrica de Moll
La pila termoeléctrica es un aparato destinado a medir la radiación calorífica, compuesto de un número de
termo elementos conectados en serie. Al ponerse bajo la acción de una radiación, se produce una ten-sión
termoeléctrica, que es posible de medir con un galvanómetro de alta sensi-bilidad. Está constituido por una
caja metálica maciza de 34 mm de " y unos 80 mm de longitud, con un mango de 10 mm de ", en la cual se
encuentra montado un embudo metálico pulido con un ángulo de abertura de 220 y un pequeño paso de 10
mm de ". Detrás se encuentra un disco enne-grecido de 10 mm de ", que con-tiene 16 termo elementos. Estos
son cintillas de constantán y de man-ganina soldadas entre sí con plata, cuya superficie delantera se ha
en-negrecido con hollín. Cada cinta tiene, aproximadamente 0,5mm de ancho y 5 m de espesor. Los puntos
de soldadura se encuentran situados sobre el diámetro vertical de la su-perficie y los extremos de las cintas
están soldados a barras de cobre más gruesas, de tal manera que su temperatura es constante y bien definida.
La resistencia interior de la pila termoeléctrica es de unos 10 y su sensibilidad de unos 0,16 mV/mW. La
pila termoeléctrica está protegida para el transporte y su conservación por un disco de vidrio que se sujeta con
un anillo de metal. El disco de vidrio se retira durante la medición.
La pila termoeléctrica es muy sensible, debido a que la gran con-ductibilidad térmica de las cintas permite que
bajo el efecto de una radiación su aumento de tempera-tura sea relativamente alto. Además, a causa de la
pequeña dimensión de los elementos, se establece el equi-librio de la temperatura en alrededor de 2 segundos.
Por esta razón, la pila termoeléctrica se puede usar también con galvanómetros de indicación rápida.
Al hacer los experimentos, se debe tener cuidado, además, que no exista ninguna radiación que interfiera a la
que se va a medir. En muchos casos, y con este objeto, es muy útil un tubo de cartón, colocado delante de la
pila termoeléctrica.
En nuestro experimento, calentamos una cantidad de aceite a una temperatura de unos 150 ºC. Con los
componentes de la practica totalmente montados, vertemos el aceite en el interior del cubo de Lesie. Debido a
las perdidas de calor, tomamos una temperatura de inicio. En nuestro caso 100 ºC. Tomamos medidas de
temperatura y radiación dados por nuestro aparato. Esta operación se realiza igualmente para cada cara del
cubo, procurando ser minucioso con todo los datos obtenidos.
Temperaturas ( ºC )
Cuerpo Negro
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