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Efecto Thomson

1851

William Thomson (Lord Kelvin)

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

El efecto Thomson describe el calentamiento o enfriamiento de un conductor de corriente cuando existe un gradiente de temperatura a lo largo de su longitud. El calor se produce o se absorbe cuando la corriente fluye a través de un material con un gradiente de temperatura. La tasa de producción de calor por unidad de longitud viene dada por [latex]\frac{dQ}{dx} = -\mathcal{K} J \frac{dT}{dx}[/latex], donde [latex]\mathcal{K}[/latex] es el coeficiente de Thomson.

The Thomson effect arises because the Seebeck coefficient of a material is generally dependent on temperature. As charge carriers move along a conductor from a hot region to a cold region (or vice versa), their average energy changes not only due to the temperature but also due to the changing Seebeck coefficient. When an electric current (J) flows through a conductor with a temperature gradient ([latex]frac{dT}{dx}[/latex]), this effect becomes apparent.

If the current flows in the same direction as the heat flow (from hot to cold), heat may be absorbed or released depending on the sign of the Thomson coefficient ([latex]mathcal{K}[/latex]) for that material. This heating or cooling is distinct from and superimposed upon the irreversible Joule heating ([latex]I^2R[/latex]) that always occurs. The Thomson effect is crucial for a complete thermodynamic description of thermoelectric phenomena and is linked to the Seebeck and Peltier effects through the Kelvin relations, which are foundational to the field.

Electrotecnia, Energía, Tratamiento térmico, Ciencias de los materiales, Envejecimiento térmico, Termodinámica

UNESCO Nomenclature: 2211

- Física del estado sólido

Tipo

Efecto físico

Ruptura

Incremental

Uso

Nicho/Especialización

Precursores

descubrimiento del efecto Seebeck (1821)
descubrimiento del efecto Peltier (1834)
El trabajo de Sadi Carnot sobre termodinámica y máquinas térmicas
El trabajo de James Prescott Joule sobre el efecto de calentamiento de la corriente eléctrica.

Aplicaciones

Proporciona un marco teórico completo para la termoelectricidad
Se utiliza en el modelado preciso de generadores y refrigeradores termoeléctricos.
Ayuda a caracterizar los materiales relacionando los tres coeficientes termoeléctricos

Patentes:

Ideas para posibles innovaciones

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Related to: Thomson effect, Lord Kelvin, thermoelectricity, Seebeck coefficient, temperature gradient, Joule heating, heat transport, Kelvin relations, thermodynamic relations, transport phenomena.

Contexto histórico

Ingenieros diseñando un motor térmico eficiente en un laboratorio, ilustrando las aplicaciones de la termodinámica.

Segunda ley de la termodinámica

La Segunda Ley introduce el concepto de entropía y define la dirección de los procesos espontáneos. Puede expresarse de varias maneras, pero una consecuencia clave es que la entropía total de un sistema aislado nunca puede disminuir con el tiempo. Esta ley explica la «flecha del tiempo» y por qué los procesos son irreversibles, como el calor que fluye espontáneamente de un cuerpo caliente a uno frío.

Escena de laboratorio que ilustra experimentos termodinámicos sobre el modelo de gas perfecto.

El modelo del gas perfecto

Un gas perfecto es un modelo teórico de un gas en el que se desprecian las fuerzas intermoleculares y se supone que las capacidades caloríficas específicas ([latex]C_P[/latex] y [latex]C_V[/latex]) son constantes con respecto a la temperatura. Esto simplifica considerablemente los cálculos termodinámicos. Es un caso específico del gas ideal, en el que los calores específicos pueden variar con la temperatura, lo que lo convierte en un modelo más restringido.

Escena de laboratorio del siglo XIX con Ludwig Boltzmann estudiando la ley del gas ideal en termodinámica estadística.

Ley de los gases ideales (forma estadística)

La formulación de mecánica estadística de la ley de los gases ideales expresa la relación en términos de las propiedades microscópicas del gas. Relaciona la presión ([latex]P[/latex]) y el volumen ([latex]V[/latex]) con el número total de partículas ([latex]N[/latex]) y la temperatura absoluta ([latex]T[/latex]) a través de la constante de Boltzmann ([latex]k_B[/latex]): [latex]PV = Nk_BT[/latex].

Efecto Thomson

Efecto Joule-Thomson

El efecto Joule-Thomson (o Joule-Kelvin) describe el cambio de temperatura de un gas real cuando se le fuerza a pasar a través de una válvula o tapón poroso mientras se mantiene aislado (un proceso isentálpico). A una presión dada, un gas tiene una temperatura de inversión. Si se expande por debajo de esta temperatura, se enfría; si se expande por encima de ella, se calienta. Este efecto de enfriamiento es fundamental en la refrigeración y la licuefacción modernas.

Batería de plomo-ácido con ánodo de plomo y cátodo de dióxido de plomo en un laboratorio histórico.

Química de las baterías de plomo-ácido

La primera batería recargable comercialmente exitosa. Utiliza un ánodo de plomo (Pb), un cátodo de dióxido de plomo (PbO₂) y un electrolito de ácido sulfúrico (H₂SO₄). Durante la descarga, ambos electrodos se convierten en sulfato de plomo (PbSO₄) y el ácido sulfúrico se consume. Este proceso es químicamente reversible mediante la aplicación de una corriente externa, lo que la convierte en un sistema de almacenamiento de energía práctico y robusto.

Configuración de laboratorio para medir el volumen molar de gas en experimentos de química física.

Volumen molar de un gas

Una consecuencia directa de la ley de Avogadro es el concepto de volumen molar: un mol de cualquier gas ideal, a una temperatura y presión específicas, ocupa un volumen fijo. A temperatura y presión estándar (TPE), definidas como 273,15 K (0 °C) y 1 atm, este volumen es de aproximadamente 22,4 litros. Este principio simplifica la estequiometría al permitir la conversión directa entre el volumen del gas y los moles.

1850

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1859

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Primera ley de la termodinámica

La Primera Ley es un enunciado de la conservación de la energía. Postula que el cambio en la energía interna de un sistema cerrado ([latex]\Delta U[/latex]) es igual al calor suministrado al sistema ([latex]Q[/latex]) menos el trabajo realizado por el sistema sobre su entorno ([latex]W[/latex]). La ecuación rectora es [latex]\Delta U = Q - W[/latex]. Esta ley relaciona el calor, el trabajo y la energía interna, estableciendo el calor como una forma de transferencia de energía.

Químico realizando experimentos con catalizadores en un laboratorio de época, 1850.

Catalizador en equilibrio químico

Un catalizador aumenta la velocidad de las reacciones directa e inversa por igual al proporcionar una vía de reacción alternativa con menor energía de activación. Si bien un catalizador permite que un sistema alcance el equilibrio mucho más rápido, no altera la posición del equilibrio en sí. Las concentraciones de equilibrio de reactivos y productos, así como el valor de la constante de equilibrio K, permanecen inalterados.

Químico del siglo XIX que mide el volumen de los gases para ilustrar la ley de los gases ideales en termodinámica.

Ley de los gases ideales (forma molar)

La ley de los gases ideales es la ecuación de estado de un gas ideal hipotético, que aproxima el comportamiento de muchos gases en diversas condiciones. La forma molar relaciona la presión ([latex]P[/latex]), el volumen ([latex]V[/latex]), la cantidad de sustancia en moles ([latex]n[/latex]) y la temperatura absoluta ([latex]T[/latex]) mediante la constante universal de los gases ([latex]R[/latex]): [latex]PV = nRT[/latex].

Aparatos de laboratorio para medir la presión de vapor y la temperatura en termodinámica.

Relación de Clausius-Clapeyron

La relación Clausius-Clapeyron describe la relación entre presión y temperatura para una sustancia en una transición de fase, como líquido y vapor. Para el vapor de agua, muestra que la presión de vapor de saturación aumenta exponencialmente con la temperatura. La forma aproximada es [latex]\frac{dp}{dT} = \frac{L}{T(V_v - V_l)} \approx \frac{L p}{R_v T^2}[/latex], donde L es el calor latente.

Sistema de frenado por corrientes de Foucault en un entorno industrial que demuestra las aplicaciones del electromagnetismo.

Corrientes de Foucault (Corrientes de Foucault)

Las corrientes de Foucault son bucles de corriente eléctrica inducidos en conductores masivos por un campo magnético variable, de acuerdo con la ley de Faraday. Fluyen en bucles cerrados en planos perpendiculares al campo magnético. Según la ley de Lenz, estas corrientes crean su propio campo magnético que se opone al cambio en el flujo externo, provocando una fuerza de repulsión o arrastre y un calentamiento resistivo.

Laboratorio termodinámico con aparatos Peltier y Seebeck que ilustran las relaciones Kelvin.

Relaciones con Kelvin (Thomson)

Las relaciones Kelvin son dos ecuaciones que relacionan termodinámicamente los tres coeficientes termoeléctricos: la primera relación conecta el coeficiente Peltier ([latex]\Pi[/latex]) con el coeficiente Seebeck ([latex]S[/latex]) a través de la temperatura absoluta ([latex]T[/latex]): [latex]Pi = S \cdot T[/latex]. El segundo relaciona el coeficiente de Thomson ([latex]\mathcal{K}[/latex]) con la derivada de temperatura del coeficiente de Seebeck: [latex]\mathcal{K} = T \frac{dS}{dT}[/latex].

Batería de plomo-ácido

La batería de plomo-ácido es la primera batería recargable, inventada por Gaston Planté en 1859. Funciona con un ánodo de plomo (Pb) y un cátodo de dióxido de plomo (PbO₂) sumergidos en un electrolito de ácido sulfúrico (H₂SO₄). Durante la descarga, ambos electrodos se convierten en sulfato de plomo (PbSO₄), un proceso que se invierte durante la carga, lo que permite el almacenamiento y la reutilización de energía.

Montaje de laboratorio que ilustra la ecuación Maxwell-Faraday en electromagnetismo.

Ecuación de Maxwell-Faraday

Es la forma diferencial de la ley de inducción de Faraday, una de las cuatro ecuaciones de Maxwell. Establece que un campo magnético variable en el tiempo ([latex]\mathbf{B}[/latex]) siempre acompaña a un campo eléctrico variable espacialmente y no conservativo ([latex]\mathbf{E}[/latex]). La relación se expresa como [latex]\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\parcial \mathbf{B}}{\parcial t}[/latex]. Esta ecuación gobierna cómo los campos magnéticos cambiantes crean campos eléctricos en un punto específico del espacio.

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)