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Kelvin (Thomson) Beziehungen

1854
  • William Thomson (Lord Kelvin)
Thermodynamisches Labor mit Peltier- und Seebeck-Geräten zur Veranschaulichung der Kelvin-Beziehungen.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Die Kelvin-Beziehungen sind zwei Gleichungen, die die drei thermoelektrischen Koeffizienten thermodynamisch verknüpfen: Die erste Beziehung verbindet die Peltier coefficient ([latex]Pi[/latex]) to the Seebeck coefficient ([latex]S[/latex]) via absolute temperature ([latex]T[/latex]): [latex]Pi = S cdot T[/latex]. The second relates the Thomson coefficient ([latex]mathcal{K}[/latex]) to the temperature derivative of the Seebeck coefficient: [latex]mathcal{K} = T frac{dS}{dT}[/latex].

The Kelvin relations are a cornerstone of thermoelectric theory, demonstrating that the Seebeck, Peltier, and Thomson effects are not independent phenomena but are deeply interconnected aspects of the same underlying transport process. Lord Kelvin derived these relationships by applying the laws of thermodynamics to a thermoelectric circuit, treating it as a reversible heat engine. His derivation, while insightful, predated the more rigorous framework of irreversible thermodynamics.

Later, Lars Onsager’s work on reciprocal relations for irreversible processes provided a more general and solid foundation for the Kelvin relations. The Onsager reciprocal relations, based on the principle of microscopic reversibility, confirm Kelvin’s results. The relations are immensely practical. For instance, it is often easier to measure the Seebeck coefficient (S) and its temperature dependence than it is to directly measure the Peltier ([latex]Pi[/latex]) or Thomson ([latex]mathcal{K}[/latex]) coefficients. Using the Kelvin relations, one can calculate [latex]Pi[/latex] and [latex]mathcal{K}[/latex] from measurements of S, which is critical for characterizing new materials and designing efficient devices.

UNESCO Nomenclature: 2203
- Thermodynamik

Typ

Abstraktes System

Störung

Grundlegendes

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Sadi Carnot’s theory of heat engines
  • Rudolf Clausius’s formulation of the zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
  • the individual discoveries of the Seebeck and Peltier effects
  • die Entwicklung der Differentialrechnung zur Beschreibung physikalischer Prozesse

Anwendungen

  • bietet einen selbstkonsistenten theoretischen Rahmen für die Thermoelektrizität
  • ermöglicht die experimentelle Bestimmung eines Koeffizienten durch Messung eines anderen
  • unerlässlich für die genaue Modellierung und Simulation thermoelektrischer Geräte
  • validiert die Anwendung der reversiblen Thermodynamik auf thermoelektrische Prozesse

Patente:

NA

Potenzielle Innovationsideen

  • Entwicklung fortschrittlicher Software für die rechnergestützte Materialwissenschaft, die alle thermoelektrischen Eigenschaften von Grund auf genau vorhersagt
  • Verifizierung neuer Theorien in der Nichtgleichgewichtsthermodynamik
  • Design multifunktionaler Materialien mit gekoppelten thermischen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften
  • Entwicklung standardisierter Methoden zur thermoelektrischen Materialcharakterisierung
  • Ermöglicht die Entwicklung komplexer, mehrstufiger thermoelektrischer Geräte mit optimierter Leistung über weite Temperaturbereiche
  • Unterstützung der Suche nach Materialien mit neuartigen Transportphänomenen jenseits der einfachen Thermoelektrizität
  • Bereitstellung einer theoretischen Grundlage für die Analyse thermoelektrischer Effekte in exotischen Materialien wie topologischen Isolatoren
  • Verbesserung der Genauigkeit von Wärmemanagementmodellen für komplexe elektronische Systeme
  • grundlegend für das Gebiet der Spinkaloritronik
  • Informationen zur Entwicklung thermoelektrischer Metamaterialien
Related to: Kelvin relations, Thomson relations, Onsager reciprocal relations, thermodynamics, Seebeck coefficient, Peltier coefficient, Thomson coefficient, irreversible thermodynamics, transport phenomena, solid-state physics.

Historischer Kontext

Kelvin (Thomson) Beziehungen

1850
1850
1851
1854
1859
1861
1865
1850
1850
1851
1852
1859
1860
1861
1865

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

10. Jahr Jubiläum

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