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Relaciones con Kelvin (Thomson)

1854
  • William Thomson (Lord Kelvin)
Thermodynamic laboratory with Peltier and Seebeck apparatus illustrating Kelvin relations.

The Kelvin relations are two equations that thermodynamically link the three thermoelectric coefficients: the first relation connects the 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 estructura 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 ([látex]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
- Termodinámica

Tipo

Sistema abstracto

Disrupción

Fundacional

Utilización

Uso generalizado

Precursores

  • Sadi Carnot’s theory of heat engines
  • Rudolf Clausius’s formulation of the second law of thermodynamics
  • Los descubrimientos individuales de los efectos Seebeck y Peltier
  • El desarrollo del cálculo diferencial para describir procesos físicos

Aplicaciones

  • Proporciona un marco teórico autoconsistente para la termoelectricidad.
  • Permite la determinación experimental de un coeficiente midiendo otro
  • Esencial para el modelado y simulación precisos de dispositivos termoeléctricos.
  • Valida la aplicación de la termodinámica reversible a los procesos termoeléctricos.

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