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Effet Thomson

1851

William Thomson (Lord Kelvin)

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

L'effet Thomson décrit l'échauffement ou le refroidissement d'un conducteur de courant lorsqu'un gradient de température existe sur sa longueur. La chaleur est produite ou absorbée lorsque le courant traverse un matériau présentant un gradient de température. Le taux de production de chaleur par unité de longueur est donné par [latex]\frac{dQ}{dx} = -\mathcal{K} J \frac{dT}{dx}[/latex], où [latex]\mathcal{K}[/latex] est le coefficient 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.

Génie électrique, Énergie, Traitement thermique, science des matériaux, Vieillissement thermique, Thermodynamique

UNESCO Nomenclature: 2211

- Physique de l'état solide

Taper

Effet physique

Perturbation

Incrémentale

Usage

Créneau/spécialité

Précurseurs

découverte de l'effet Seebeck (1821)
découverte de l'effet Peltier (1834)
Les travaux de Sadi Carnot sur la thermodynamique et les moteurs thermiques
Les travaux de James Prescott Joule sur l'effet thermique du courant électrique

Applications

fournit un cadre théorique complet pour la thermoélectricité
utilisé dans la modélisation précise des générateurs et refroidisseurs thermoélectriques
aide à caractériser les matériaux en reliant les trois coefficients thermoélectriques

Brevets:

Idées d'innovations potentielles

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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.

Contexte historique

Ingénieurs concevant un moteur thermique efficace dans un laboratoire, illustrant les applications de la thermodynamique.

Deuxième loi de la thermodynamique

La deuxième loi introduit le concept d'entropie et définit la direction des processus spontanés. Elle peut être formulée de plusieurs manières, mais une conséquence essentielle est que l'entropie totale d'un système isolé ne peut jamais diminuer au fil du temps. Cette loi explique la « flèche du temps » et l'irréversibilité des processus, comme la chaleur qui s'écoule spontanément d'un corps chaud vers un corps froid.

Le modèle du gaz parfait

Un gaz parfait est un modèle théorique de gaz dans lequel les forces intermoléculaires sont négligées et les capacités thermiques spécifiques ([latex]C_P[/latex] et [latex]C_V[/latex]) sont supposées constantes en fonction de la température. Cela simplifie considérablement les calculs thermodynamiques. Il s'agit d'un cas spécifique de gaz idéal, où les chaleurs spécifiques peuvent varier avec la température, ce qui en fait un modèle plus contraignant.

Scène de laboratoire du XIXe siècle avec Ludwig Boltzmann étudiant la loi des gaz idéaux en thermodynamique statistique.

Loi des gaz parfaits (forme statistique)

La formulation en mécanique statistique de la loi des gaz idéaux exprime la relation en termes de propriétés microscopiques du gaz. Elle relie la pression ([latex]P[/latex]) et le volume ([latex]V[/latex]) au nombre total de particules ([latex]N[/latex]) et à la température absolue ([latex]T[/latex]) par l'intermédiaire de la constante de Boltzmann ([latex]k_B[/latex]) : [latex]PV = Nk_BT[/latex].

Effet Thomson

Effet Joule-Thomson

L'effet Joule-Thomson (ou Joule-Kelvin) décrit la variation de température d'un gaz réel lorsqu'il traverse une vanne ou un bouchon poreux tout en étant isolé (processus isenthalpique). À une pression donnée, un gaz présente une température d'inversion. S'il est détendu en dessous de cette température, il se refroidit ; s'il est détendu au-dessus, il se réchauffe. Cet effet de refroidissement est un élément fondamental de la réfrigération et de la liquéfaction modernes.

Batterie plomb-acide avec anode en plomb et cathode en dioxyde de plomb dans un laboratoire historique.

Chimie des batteries au plomb

La première batterie rechargeable à succès commercial. Elle utilise une anode en plomb (Pb), une cathode en dioxyde de plomb (PbO₂) et un électrolyte à base d'acide sulfurique (H₂SO₄). Lors de la décharge, les deux électrodes sont converties en sulfate de plomb (PbSO₄), ce qui consomme l'acide sulfurique. Ce processus est chimiquement réversible par application d'un courant externe, ce qui en fait un système de stockage d'énergie pratique et robuste.

Installation de laboratoire pour mesurer le volume molaire des gaz dans les expériences de chimie physique.

Volume molaire d'un gaz

Une conséquence directe de la loi d'Avogadro est le concept de volume molaire : une mole de tout gaz idéal, à une température et une pression données, occupe un volume fixe. À température et pression standard (TPS), définies à 273,15 K (0 °C) et 1 atm, ce volume est d'environ 22,4 litres. Ce principe simplifie la stœchiométrie en permettant une conversion directe entre le volume du gaz et les moles.

1850

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1859

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Première loi de la thermodynamique

La première loi est un énoncé de la conservation de l'énergie. Elle postule que la variation de l'énergie interne d'un système fermé ([latex]\Delta U[/latex]) est égale à la chaleur fournie au système ([latex]Q[/latex]) moins le travail effectué par le système sur son environnement ([latex]W[/latex]). L'équation directrice est [latex]\Delta U = Q - W[/latex]. Cette loi relie la chaleur, le travail et l'énergie interne, établissant la chaleur comme une forme de transfert d'énergie.

Chimiste réalisant des expériences avec des catalyseurs dans un laboratoire d'époque, 1850.

Catalyseur sur l'équilibre chimique

Un catalyseur augmente la vitesse des réactions directes et inverses de manière équivalente en proposant une voie de réaction alternative avec une énergie d'activation plus faible. Bien qu'un catalyseur permette à un système d'atteindre l'équilibre beaucoup plus rapidement, il ne modifie pas la position de l'équilibre lui-même. Les concentrations à l'équilibre des réactifs et des produits, ainsi que la valeur de la constante d'équilibre K, restent inchangées.

Chimiste du XIXe siècle mesurant les volumes de gaz et illustrant la loi des gaz idéaux en thermodynamique.

Loi des gaz parfaits (forme molaire)

La loi des gaz idéaux est l'équation d'état d'un gaz idéal hypothétique, qui donne une approximation du comportement de nombreux gaz dans diverses conditions. La forme molaire relie la pression ([latex]P[/latex]), le volume ([latex]V[/latex]), la quantité de substance en moles ([latex]n[/latex]) et la température absolue ([latex]T[/latex]) par l'intermédiaire de la constante universelle des gaz ([latex]R[/latex]) : [latex]PV = nRT[/latex].

Appareil de laboratoire pour mesurer la pression de vapeur et la température en thermodynamique.

Clausius-Clapeyron Relation

La relation de Clausius-Clapeyron décrit la relation entre la pression et la température pour une substance à une transition de phase, comme un liquide et une vapeur. Pour la vapeur d'eau, elle montre que la pression de vapeur saturante augmente de manière exponentielle avec la température. La forme approximative est [latex]\frac{dp}{dT} = \frac{L}{T(V_v - V_l)} \approx \frac{L p}{R_v T^2}[/latex], où L est la chaleur latente.

Système de freinage par courants de Foucault dans un environnement industriel démontrant les applications de l'électromagnétisme.

Courants de Foucault (Foucault's Currents)

Eddy currents are loops of electrical current induced within bulk conductors by a changing magnetic field, in accordance with Faraday's law. They flow in closed loops in planes perpendicular to the magnetic field. Following Lenz's law, these currents create their own magnetic field that opposes the change in the external flux, causing a repulsive or drag force and resistive heating.

Laboratoire de thermodynamique avec appareils Peltier et Seebeck illustrant les relations de Kelvin.

Relations de Kelvin (Thomson)

Les relations de Kelvin sont deux équations qui relient thermodynamiquement les trois coefficients thermoélectriques : la première relation relie le coefficient de Peltier ([latex]\Pi[/latex]) au coefficient de Seebeck ([latex]S[/latex]) via la température absolue ([latex]T[/latex]) : [latex]Pi = S \cdot T[/latex]. La seconde relie le coefficient de Thomson ([latex]\mathcal{K}[/latex]) à la dérivée de température du coefficient de Seebeck : [latex]\mathcal{K} = T \frac{dS}{dT}[/latex].

Batterie plomb-acide avec électrodes en plomb et en dioxyde de plomb dans un électrolyte d'acide sulfurique, électrochimie.

Batterie au plomb-acide

La batterie plomb-acide est la première batterie rechargeable, inventée par Gaston Planté en 1859. Elle fonctionne avec une anode en plomb (Pb) et une cathode en dioxyde de plomb (PbO₂) immergées dans un électrolyte d'acide sulfurique (H₂SO₄). Lors de la décharge, les deux électrodes se transforment en sulfate de plomb (PbSO₄), un processus inversé lors de la charge, permettant ainsi le stockage et la réutilisation de l'énergie.

Équation de Maxwell-Faraday

Il s'agit de la forme différentielle de la loi d'induction de Faraday, l'une des quatre équations de Maxwell. Elle stipule qu'un champ magnétique variable dans le temps ([latex]\mathbf{B}[/latex]) accompagne toujours un champ électrique variable dans l'espace et non conservatif ([latex]\mathbf{E}[/latex]). La relation s'exprime comme suit : [latex]\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t}[/latex]. Cette équation régit la manière dont les champs magnétiques changeants créent des champs électriques en un point spécifique de l'espace.

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)