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Relações Kelvin (Thomson)

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

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

As relações de Kelvin são duas equações que relacionam termodinamicamente os três coeficientes termoelétricos: a primeira relação conecta o Peltier coeficiente ([latex]Pi[/latex]) para o Seebeck coeficiente ([latex]S[/latex]) via temperatura absoluta ([latex]T[/latex]): [latex]Pi = S cdot T[/latex]. O segundo relaciona o coeficiente de Thomson ([latex]mathcal{K}[/latex]) à derivada da temperatura do coeficiente de Seebeck: [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.

Posteriormente, o trabalho de Lars Onsager sobre relações recíprocas para processos irreversíveis forneceu uma base mais geral e sólida para as relações de Kelvin. Onsager As relações recíprocas, baseadas no princípio da reversibilidade microscópica, confirmam os resultados de Kelvin. Essas relações são extremamente práticas. Por exemplo, muitas vezes é mais fácil medir o coeficiente de Seebeck (S) e sua dependência da temperatura do que medir diretamente os coeficientes de Peltier (π) ou de Thomson (K). Usando as relações de Kelvin, é possível calcular π e K a partir de medições de S, o que é crucial para caracterizar novos materiais e projetar dispositivos eficientes.

UNESCO Nomenclature: 2203
Termodinâmica

Tipo

Sistema abstrato

Interrupção

Fundamentais

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • A teoria das máquinas térmicas de Sadi Carnot
  • A formulação de Rudolf Clausius sobre segunda lei da termodinâmica
  • the individual discoveries of the Seebeck and Peltier effects
  • o desenvolvimento do cálculo diferencial para descrever processos físicos

Aplicações

  • fornece uma estrutura teórica autoconsistente para a termoeletricidade
  • permite a determinação experimental de um coeficiente através da medição de outro.
  • essencial para a modelagem e simulação precisas de dispositivos termoelétricos
  • valida a aplicação da termodinâmica reversível a processos termoelétricos.

Patentes:

NA

Ideias de Inovação Potencial

  • development of advanced computational material science software that accurately predicts all thermoelectric properties from first principles
  • verification of new theories in non-equilibrium thermodynamics
  • design of multi-functional materials with coupled thermal, electrical, and magnetic properties
  • creation of standardized methods for thermoelectric material characterization
  • enabling the design of complex, multi-stage thermoelectric devices with optimized performance across wide temperature ranges
  • aiding the search for materials exhibiting novel transport phenomena beyond simple thermoelectricity
  • providing a theoretical basis for analyzing thermoelectric effects in exotic materials like topological insulators
  • improving the accuracy of thermal management models for complex electronic systems
  • foundational for the field of spin caloritronics
  • informing the development of thermoelectric metamaterials
Relacionado a: relações de Kelvin, relações de Thomson, relações recíprocas de Onsager, termodinâmica, coeficiente de Seebeck, coeficiente de Peltier, coeficiente de Thomson, termodinâmica irreversível, fenômenos de transporte, física do estado sólido.

Contexto histórico

Relações Kelvin (Thomson)

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1865
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1860
1861
1865

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

10º ano aniversário

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