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Effetto Thomson

1851

William Thomson (Lord Kelvin)

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

L'effetto Thomson descrive il riscaldamento o il raffreddamento di un conduttore percorso da corrente quando esiste un gradiente di temperatura lungo la sua lunghezza. Il calore viene prodotto o assorbito quando la corrente scorre attraverso un materiale con un gradiente di temperatura. Il tasso di produzione di calore per unità di lunghezza è dato da [latex]\frac{dQ}{dx} = -\mathcal{K} J \frac{dT}{dx}[/latex], dove [latex]\mathcal{K}[/latex] è il coefficiente di 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.

Ingegneria elettrica, Energia, Trattamento termico, Scienza dei materiali, Invecchiamento termico, Termodinamica

UNESCO Nomenclature: 2211

- Fisica dello stato solido

Tipo

Effetto fisico

Interruzione

Incrementale

Utilizzo

Nicchia/Specializzato

Precursori

scoperta dell'effetto Seebeck (1821)
scoperta dell'effetto Peltier (1834)
Il lavoro di Sadi Carnot sulla termodinamica e sulle macchine termiche
Il lavoro di James Prescott Joule sull'effetto riscaldante della corrente elettrica

Applicazioni

fornisce un quadro teorico completo per la termoelettricità
utilizzato nella modellazione accurata di generatori e refrigeratori termoelettrici
aiuta a caratterizzare i materiali mettendo in relazione i tre coefficienti termoelettrici

Brevetti:

Idee e potenziali innovazioni

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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.

Contesto storico

Ingegneri che progettano un efficiente motore termico in laboratorio, illustrando le applicazioni della termodinamica.

Seconda legge della termodinamica

La Seconda Legge introduce il concetto di entropia e definisce la direzione dei processi spontanei. Può essere enunciata in diversi modi, ma una conseguenza fondamentale è che l'entropia totale di un sistema isolato non può mai diminuire nel tempo. Questa legge spiega la "freccia del tempo" e perché i processi sono irreversibili, come il calore che fluisce spontaneamente da un corpo caldo a uno freddo.

Scena di laboratorio che illustra gli esperimenti termodinamici sul modello dei gas perfetti.

Il modello del gas perfetto

Un gas perfetto è un modello teorico di un gas in cui le forze intermolecolari sono trascurate e le capacità termiche specifiche ([latex]C_P[/latex] e [latex]C_V[/latex]) sono assunte costanti rispetto alla temperatura. Questo semplifica notevolmente i calcoli termodinamici. Si tratta di un caso specifico di gas ideale, in cui i calori specifici possono variare con la temperatura, il che lo rende un modello più vincolato.

Scena di laboratorio del XIX secolo con Ludwig Boltzmann che studia la legge del gas ideale nella termodinamica statistica.

Legge dei gas ideali (forma statistica)

La formulazione meccanica statistica della legge dei gas ideali esprime la relazione in termini di proprietà microscopiche del gas. Essa mette in relazione la pressione ([latex]P[/latex]) e il volume ([latex]V[/latex]) con il numero totale di particelle ([latex]N[/latex]) e la temperatura assoluta ([latex]T[/latex]) attraverso la costante di Boltzmann ([latex]k_B[/latex]): [latex]PV = Nk_BT[/latex].

Effetto Thomson

Apparecchio di laboratorio che dimostra l'effetto Joule-Thomson in termodinamica.

Joule-Thomson Effect

The Joule-Thomson (or Joule-Kelvin) effect describes the temperature change of a real gas when it is forced through a valve or porous plug while kept insulated (an isenthalpic process). At a given pressure, a gas has an inversion temperature. If expanded below this temperature, it cools; if expanded above it, it heats up. This cooling effect is a cornerstone of modern refrigeration and liquefaction.

Batteria al piombo con anodo di piombo e catodo di biossido di piombo in un laboratorio storico.

Chimica delle batterie al piombo-acido

La prima batteria ricaricabile di successo commerciale. Utilizza un anodo di piombo (Pb), un catodo di biossido di piombo (PbO₂) e un elettrolita di acido solforico (H₂SO₄). Durante la scarica, entrambi gli elettrodi vengono convertiti in solfato di piombo (PbSO₄) e l'acido solforico viene consumato. Questo processo è chimicamente reversibile applicando una corrente esterna, rendendolo un sistema di accumulo di energia pratico e robusto.

Set di laboratorio per la misurazione del volume molare dei gas negli esperimenti di chimica fisica.

Volume molare di un gas

Una conseguenza diretta della legge di Avogadro è il concetto di volume molare: una mole di qualsiasi gas ideale a una temperatura e pressione specificate occupa un volume fisso. A temperatura e pressione standard (STP), definite come 273,15 K (0 °C) e 1 atm, questo volume è di circa 22,4 litri. Questo principio semplifica la stechiometria consentendo la conversione diretta tra volume di gas e moli.

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Prima legge della termodinamica

La Prima Legge è una dichiarazione sulla conservazione dell'energia. Essa stabilisce che la variazione dell'energia interna di un sistema chiuso ([latex]\Delta U[/latex]) è uguale al calore fornito al sistema ([latex]Q[/latex]) meno il lavoro compiuto dal sistema sull'ambiente circostante ([latex]W[/latex]). L'equazione di governo è [latex]\Delta U = Q - W[/latex]. Questa legge collega calore, lavoro ed energia interna, stabilendo che il calore è una forma di trasferimento di energia.

Chimico che conduce esperimenti con catalizzatori in un laboratorio d'epoca, 1850.

Catalizzatore in equilibrio chimico

Un catalizzatore aumenta la velocità sia della reazione diretta che di quella inversa in egual misura, fornendo un percorso di reazione alternativo con un'energia di attivazione inferiore. Sebbene un catalizzatore consenta a un sistema di raggiungere l'equilibrio molto più rapidamente, non modifica la posizione dell'equilibrio stesso. Le concentrazioni di equilibrio di reagenti e prodotti, e il valore della costante di equilibrio K, rimangono invariati.

Chimico del XIX secolo che misura i volumi dei gas illustrando la legge dei gas ideali in termodinamica.

Legge dei gas ideali (forma molare)

La legge dei gas ideali è l'equazione di stato per un ipotetico gas ideale, che approssima il comportamento di molti gas in varie condizioni. La forma molare mette in relazione la pressione ([latex]P[/latex]), il volume ([latex]V[/latex]), la quantità di sostanza in moli ([latex]n[/latex]) e la temperatura assoluta ([latex]T[/latex]) attraverso la costante universale dei gas ([latex]R[/latex]): [latex]PV = nRT[/latex].

Apparecchiatura di laboratorio per la misurazione della pressione di vapore e della temperatura in termodinamica.

Relazione di Clausius-Clapeyron

La relazione Clausius-Clapeyron descrive il rapporto tra pressione e temperatura per una sostanza in transizione di fase, come liquido e vapore. Per il vapore acqueo, mostra che la pressione di saturazione del vapore aumenta esponenzialmente con la temperatura. La forma approssimata è [latex]\frac{dp}{dT} = \frac{L}{T(V_v - V_l)} \approx \frac{L p}{R_v T^2}[/latex], dove L è il calore latente.

Sistema frenante a correnti parassite in un ambiente industriale che dimostra le applicazioni dell'elettromagnetismo.

Correnti indotte (Correnti di Foucault)

Le correnti parassite sono circuiti di corrente elettrica indotti all'interno di conduttori di massa da un campo magnetico variabile, secondo la legge di Faraday. Fluiscono in circuiti chiusi lungo piani perpendicolari al campo magnetico. Seguendo la legge di Lenz, queste correnti creano un proprio campo magnetico che si oppone alla variazione del flusso esterno, causando una forza repulsiva o di trascinamento e un riscaldamento resistivo.

Laboratorio di termodinamica con apparecchi Peltier e Seebeck che illustrano le relazioni Kelvin.

Relazioni Kelvin (Thomson)

Le relazioni di Kelvin sono due equazioni che collegano termodinamicamente i tre coefficienti termoelettrici: la prima relazione collega il coefficiente di Peltier ([latex]\Pi[/latex]) al coefficiente di Seebeck ([latex]S[/latex]) attraverso la temperatura assoluta ([latex]T[/latex]): [latex]Pi = S \cdot T[/latex]. Il secondo mette in relazione il coefficiente di Thomson ([latex]\mathcal{K}[/latex]) con la derivata della temperatura del coefficiente di Seebeck: [latex]\mathcal{K} = T \frac{dS}{dT}[/latex].

Batteria al piombo con elettrodi di piombo e biossido di piombo in elettrolita di acido solforico, elettrochimica.

Batteria al piombo-acido

La batteria al piombo-acido è la prima batteria ricaricabile, inventata da Gaston Planté nel 1859. Funziona utilizzando un anodo di piombo (Pb) e un catodo di biossido di piombo (PbO₂) immersi in un elettrolita di acido solforico (H₂SO₄). Durante la scarica, entrambi gli elettrodi si convertono in solfato di piombo (PbSO₄), un processo che si inverte durante la carica, consentendo l'accumulo e il riutilizzo dell'energia.

Equazione di Maxwell-Faraday

È la forma differenziale della legge di Faraday sull'induzione, una delle quattro equazioni di Maxwell. Essa afferma che un campo magnetico variabile nel tempo ([latex]\mathbf{B}[/latex]) accompagna sempre un campo elettrico spazialmente variabile e non conservativo ([latex]\mathbf{E}[/latex]). La relazione è espressa come [latex]\nabla \tempi \mathbf{E} = -\frac{parziale \mathbf{B}}{parziale t}[/latex]. Questa equazione regola il modo in cui i campi magnetici variabili creano campi elettrici in un punto specifico dello spazio.

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)