Efeito Termoelétrico

Quando um condutor metálico é submetido à uma diferença de temperatura entre suas extremidades surge uma força eletromotriz (f.e.m.), cujo valor não excede usualmente a ordem de grandeza de milivolts, em decorrência da redistribuição dos elétrons no condutor, quando os mesmos são submetidos a um gradiente de temperatura. A figura abaixo representa esquematicamente o fenômeno.



O valor da f.e.m. depende da natureza do material e do gradiente de temperatura entre suas extremidades. No caso de um material homogêneo o valor da f.e.m. não depende da distribuição de temperatura ao longo do condutor, mas sim, como dito anteriormente, da diferença de temperatura entre suas extremidades.

O fenômeno acima descrito é básico para o entendimento da termoeletricidade e sua aplicação na medição de temperatura.

Efeito Seebeck

Historicamente, o efeito Seebeck foi o primeiro efeito termoelétrico observado, apesar do mesmo ser uma decorrência do efeito apresentado anteriormente.

Consideremos dois metais denominados genericamente "A" e "B" submetidos à mesma diferença de temperatura entre suas extremidades. Em cada um deles surgirá uma força eletromotriz, conforme figura abaixo:


Verificou-se que quando os metais são unidos em uma das suas extremidades, conforme a figura abaixo, mede-se uma força eletromotriz entre as extremidades separadas cujo valor corresponde à diferença entre os valores da f.e.m. que surge em cada um dos metais.


Este fenômeno é conhecido como Efeito Seebeck e a configuração acima corresponde ao sensor de temperatura conhecido como termopar ou par termoelétrico. Os elementos "A" e "B" que constituem o termopar são denominados termoelementos e, em função da polaridade da força eletromotriz EAB, "A" é o termoelemento positivo e "B" o termoelemento negativo do termopar "AB".

Na configuração de um termopar a extremidade em que se faz a união dos termoelementos é denominada junção de medição, enquanto a outra é denominada junção de referência. Se a temperatura da junção de referência for fixada em 0°C, então o valor da f.e.m. dependerá somente da temperatura da junção de medição "T1", estabelecendo a relação T &Mac176; EAB(T). O conhecimento desta relação permite utilizar o termopar como um sensor de temperatura.

Uma vez que o valor da f.e.m. gerada por um termopar depende da natureza dos termoelementos que o compõem, é interessante definir uma grandeza física que caracterize a f.e.m. gerada por uma combinação específica de termoelementos. Esta grandeza recebe o nome de Potência Termoelétrica ou Coeficiente de Seebeck, definida como:


A unidade do coeficiente de Seebeck é mV/°C, e a informação que ele fornece se refere à sensibilidade do termopar, isto é, qual o valor da variação da força eletromotriz de um termopar quando o gradiente de temperatura ao qual ele está submetido varia.

Lei do Circuito Homogêneo

Esta lei ressalta o fato que, se o termopar é formado por termoelementos homogêneos, o valor da força eletromotriz gerada depende somente da diferença de temperatura entre a junção de medição e a junção de referência. Esta informação já foi citada anteriormente, no entanto ela é novamente apresentada para ressaltar que:

a) o valor da força eletromotriz não depende do comprimento do termopar;

b) O valor da força eletromotriz não depende do diâmetro dos termoelementos que compõem o termopar;

c) O valor da força eletromotriz não depende da distribuição de temperatura ao longo do termopar;

No entanto, como decorrência da utilização do termopar na medição da temperatura de um processo, é muito frequente que com o tempo o termopar passe a apresentar inomogeneidades, tendo como consequência:

a) O valor da força eletromotriz se altera (supondo que a temperatura do processo se mantenha constante), passando a depender, inclusive, do perfil da temperatura ao longo do termopar;

b) Um termopar com termoelementos de diâmetros menores torna-se inomogêneo mais rapidamente e de forma bem intensa em altas temperaturas;

Lei das Temperaturas Intermediárias






A segunda lei aqui apresentada mostra uma propriedade adicional da força eletromotriz termoelétrica em relação à diferença de temperatura entre suas extremidades. Uma aplicação imediata desta lei é permitir que o valor da força eletromotriz termoelétrica dependa unicamente da temperatura da junção de medição, com a junção de referência a 0°C.

Usualmente a junção de referência encontra-se à temperatura ambiente, e não é nada prático querer mantê-la a 0°C como, por exemplo, em um banho de gelo, estando o termopar numa planta industrial. No entanto é possível contornar essa dificuldade utilizando uma compensação da temperatura ambiente, que nada mais é do que acrescentar ao sinal do termopar uma força eletromotriz com valor correspondente àquele que o termopar geraria com sua junção de medição à temperatura ambiente e sua junção de referência a 0°C, ou seja:

Eab(T) = Eab(T-0°C) = Eab(T-Tambiente) + Eab(Tambiente-0°C)

Lei dos Materiais Intermediários

Esta terceira lei será apresentada evidenciando duas situações muito importantes.

Situação 1:









As configurações acima mostram que a inserção de um material "C" no termopar "AB" não altera o valor da força eletromotriz gerada pelo termopar, desde que não haja diferença de temperatura entre as extremidades de contato do material "C" com o termopar.

Situação 2:






As figuras acima apresentam uma relação entre as forças eletromotrizes geradas pelos termpares "AC", "BC" e "AB". Uma aplicação de grande importância deste fenômeno é a possibilidade de se conhecer o comportamento termoelétrico de qualquer termoelemento em relação a um termoelemento de referência. E isto é feito no controle de produção de ligas termoelétricas que irão constituir os diversos tipos de termopares utilizados. O termoelemento adotado como referência é o de platina com alto teor de pureza (no mínimo 99,999%).

Associação de Termopares

É possível montar alguns circuitos termoelétricos com finalidades práticas. Os casos aqui apresentados se limitam a circuitos formados com termopares iguais.

Associação de Termopares em Série


A figura representa uma associação de dois termopares em série, e o que se verifica nesta configuração é que o valor da força eletromotriz termoelétrica entre as extremidades do circuito é a soma das forças eletromotrizes geradas em cada um dos termopares. Esta associação pode ser feita com qualquer número de termopares e se T1 = T2. Esta também pode ser utilizada como um "amplificador". Uma aplicação muito frequente consiste na utilização de termopilhas, que nada mais são que vários termopares associados em série, como detetor de energia radiante.

Associação de Termopares em Oposição


Na ligação de termopares em oposição o valor da força eletromotriz termoelétrica entre as extremidades é igual à diferença entre os valores das forças eletromotrizes geradas em cada um dos termopares, e sua maior utilidade é medir a diferença de temperatura entre dois pontos.

Associação em Paralelo


Na associação de termopares em paralelo o valor da força eletromotriz da associação é igual à média aritmética das forças eletromotrizes geradas em cada um dos termopares, e este resultado corresponde à temperatura média das temperaturas T1 e T2.

Efeito Peltier

Um outro efeito que surge em circuitos formados por materiais distintos, quando percorridos por uma corrente elétrica, é o Efeito Peltier, cuja descrição fenomenológica é feita a seguir:






De acordo com as figuras acima, quando se introduz um gerador em um circuito formado por um par termoelétrico com ambas extremidades unidas e à mesma temperatura inicial, ao circular uma corrente elétrica "I" pelo circuito, observa-se que em uma das junções ocorre um resfriamento T, enquanto na outra junção ocorre um aquecimento de mesmo valor. Ao se inverter o sentido da corrente elétrica inverte-se também o efeito de aquecimento e resfriamento nas junções.

O principal dado na interpretação do efeito Peltier é a diferença entre o número de elétrons livres por unidade de volume nos vários metais. Quando se introduz um gerador em um circuito formado por um par termoelétrico, irá circular uma corrente elétrica pelo mesmo, que pela lei de Ohm será dada por:


l:
Intensidade da corrente elétrica;
U:
Diferença de potencial nos terminais do gerador;
R:
Resistência elétrica do par termoelétrico;

A intensidade de corrente elétrica é definida como a quantidade de carga elétrica que passa por uma seção do condutor por unidade de tempo, ou seja:


N:
Número de elétrons que atravessam uma seção do condutor;
e:
Carga elétrica do elétron (1,6 x 10-19 Coulomb)
:
Intervalo de tempo;


Considere agora a figura abaixo:


Observa-se que uma corrente elétrica de mesma intensidade, circulando em metais diferentes, proporciona velocidades diferentes de deslocamento dos elétrons. Isto significa que os elétrons nos metais "A" e "B" têm uma energia dada por:





: Energia cinética do elétron no metal "A";



: Energia cinética do elétron no metal "B";



: Energia potencial adquirida pelo elétron ao se
desligar da estrutura cristalina no metal "A";



: Energia potencial adquirida pelo elétron ao se
desligar da estrutura cristalina no metal "B";

Como "ja" é diferente de "jb", há fluxos de energia diferentes nos metais "A" e "B". Se ja é maior que "jb", ocorre uma liberação de energia na forma de calor, aquecendo a união entre os metais. Se "ja" é menor que "jb", ocorre uma absorção de energia na forma de calor, resfriando a união.

Uma aplicação recente do efeito Peltier é a refrigeração termoelétrica que produz redução de temperatura e que em algumas situações é mais conveniente do que os processos convencionais.



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