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汤姆森效应

1851

William Thomson (Lord Kelvin)

（图片仅供参考）

汤姆逊效应描述了载流导体在沿其长度方向存在温度梯度时的加热或冷却现象。当电流流经具有温度梯度的材料时，会产生或吸收热量。单位长度的产热率为 [latex]\frac{dQ}{dx} = -\mathcal{K} J \frac{dT}{dx}[/latex]，其中 [latex]\mathcal{K}[/latex] 为汤姆森系数。.

汤姆逊效应的产生是因为塞贝克材料的塞贝克系数通常取决于温度。当电荷载流子沿导体从高温区移动到低温区（或反之亦然）时，它们的平均能量不仅会因温度而变化，还会因塞贝克系数的变化而变化。当电流 (J) 流过具有温度梯度 (dT/dx) 的导体时，这种效应就会显现出来。

如果电流方向与热流方向相同（从高温到低温），则根据该材料的汤姆逊系数 ([latex]mathcal{K}[/latex]) 的符号，可能会吸收或释放热量。这种加热或冷却过程与始终存在的不可逆焦耳热 ([latex]I^2R[/latex]) 不同，并且是叠加在其上的。汤姆逊效应对于热电现象的完整热力学描述至关重要，并且与塞贝克效应和热电效应密切相关。佩尔蒂埃通过开尔文关系产生影响，而开尔文关系是该领域的基础。

电气工程, 活力, 热处理, 材料科学, 热老化, 热力学

UNESCO Nomenclature: 2211

- 固体物理学

类型

物理效果

中断

递增

用法

小众/专业

前体

发现塞贝克效应 (1821)
发现珀尔帖效应 (1834)
萨迪-卡诺特的热力学和热机作品
詹姆斯-普雷斯科特-焦耳关于电流热效应的研究成果

应用程序

为热电提供了完整的理论框架
用于热电发电机和冷却器的精确建模
通过关联三个热电系数来帮助表征材料

专利：

潜在创新理念

先进的热管理系统，可动态控制大功率电子设备中的热流
具有工程汤姆森系数的材料，用于优化多级热电装置
能够同时测量热梯度和电梯度的新型传感器
可计算电流引起的热变化的自校正温度测量装置
动态热绝缘材料，其特性随电输入而变化
用于设计下一代能源转换系统的精确热建模软件
利用非线性温度依赖性来提高效率的热电装置
电流控制的热通量开关装置
固态热二极管
低温 cooling systems with enhanced efficiency

相关术语：汤姆逊效应、开尔文勋爵、热电效应、塞贝克系数、温度梯度、焦耳热、热传输、开尔文关系热力学关系，运输现象。

历史背景

热力学第二定律

第二定律引入了熵的概念，并定义了自发过程的方向。它有多种表述方式，但一个关键结论是，孤立系统的总熵永远不会随时间减少。这条定律解释了“时间之箭”以及为什么过程不可逆，例如热量自发地从热物体流向冷物体。

完美的气体模型

完全气体是一种气体理论模型，其中忽略了分子间作用力，并假定比热容（[latex]C_P[/latex] 和 [latex]C_V[/latex]）随温度变化而恒定不变。这大大简化了热力学计算。它是理想气体的一种特殊情况，在理想气体中，比热会随温度变化，因此它是一种约束性更强的模型。.

理想气体定律（统计形式）

理想气体定律的统计力学公式用气体的微观特性来表达这种关系。它通过波尔兹曼常数（[latex]k_B[/latex]）将压力（[latex]P[/latex]）和体积（[latex]V[/latex]）与粒子总数（[latex]N[/latex]）和绝对温度（[latex]T[/latex]）联系起来：[latex]PV = Nk_BT[/latex]。.

汤姆森效应

焦耳-汤姆逊效应

焦耳-汤姆逊（或焦耳-开尔文）效应描述的是实际气体在保持绝缘的情况下，被迫通过阀门或多孔塞（即等焓过程）时的温度变化。在给定压力下，气体具有反转温度。如果气体膨胀至低于该温度，则会冷却；如果气体膨胀至高于该温度，则会升温。这种冷却效应是现代制冷和液化技术的基石。

铅酸电池化学

首款商业化成功的可充电电池。它采用铅 (Pb) 阳极、二氧化铅 (PbO₂) 阴极和硫酸 (H₂SO₄) 电解质。放电过程中，两个电极均转化为硫酸铅 (PbSO₄)，并消耗硫酸。该过程可通过施加外部电流实现化学可逆，使其成为一种实用且可靠的储能系统。

气体摩尔体积

阿伏伽德罗定律的直接推论是摩尔体积的概念：在特定温度和压强下，任何理想气体的1摩尔体积都固定不变。在标准温度和压强 (STP)（定义为273.15 K (0 °C) 和1个大气压）下，该体积约为22.4升。该原理简化了化学计量学，允许气体体积与摩尔之间的直接换算。

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热力学第一定律

第一定律是关于能量守恒的声明。它假定一个封闭系统的内能变化（[latex]\Delta U[/latex]）等于提供给系统的热量（[latex]Q[/latex]）减去系统对周围环境所做的功（[latex]W[/latex]）。支配方程为 [latex]\Delta U = Q - W[/latex]。这一定律将热、功和内能联系起来，将热确定为一种能量传递形式。.

化学平衡催化剂

催化剂通过提供活化能较低的替代反应途径，平等地提高正向和逆向反应的速率。虽然催化剂可以使体系更快地达到平衡，但它不会改变平衡本身的位置。反应物和产物的平衡浓度以及平衡常数K的值保持不变。

理想气体定律（摩尔形式）

理想气体定律是假设理想气体的状态方程，近似于许多气体在各种条件下的行为。摩尔形式通过通用气体常数（[latex]R[/latex]）将压强（[latex]P[/latex]）、体积（[latex]V[/latex]）、以摩尔为单位的物质的量（[latex]n[/latex]）和绝对温度（[latex]T[/latex]）联系起来：[latex]PV = nRT[/latex]。.

克劳修斯-克拉珀龙关系

克劳修斯-克拉皮隆关系描述了处于相变阶段的物质（如液体和蒸汽）的压力和温度之间的关系。对于水蒸气，它表明饱和蒸汽压随温度呈指数增长。近似形式为 [latex]\frac{dp}{dT} = \frac{L}{T(V_v - V_l)} \approx \frac{L p}{R_v T^2}[/latex]，其中 L 为潜热。.

涡流（傅科叶的潮流）

涡流是根据法拉第定律，由变化的磁场在块体导体内感应出的电流环。它们在垂直于磁场的平面内以闭合环路流动。根据楞次定律，这些电流会产生自身的磁场，抵抗外部磁通量的变化，从而产生排斥力或阻力以及电阻加热。

开尔文（汤姆森）关系公司

开尔文关系式是热力学上连接三个热电系数的两个方程：第一个关系式通过绝对温度 ([latex]T[/latex]) 连接珀尔帖系数 ([latex]\Pi[/latex]) 和塞贝克系数 ([latex]S[/latex])：[latex]Pi = S \cdot T[/latex]。第二种方法将汤姆逊系数（[latex]/mathcal{K}[/latex]）与塞贝克系数的温度导数联系起来：[latex]/mathcal{K} = T \frac{dS}{dT}[/latex]。.

铅酸电池

铅酸电池是第一种可充电电池，由加斯顿·普兰特于1859年发明。它使用浸入硫酸（H₂SO₄）电解液中的铅（Pb）阳极和二氧化铅（PbO₂）阴极来工作。放电时，两个电极都会转化为硫酸铅（PbSO₄），充电时则发生逆转，从而实现能量的储存和重复利用。

麦克斯韦-法拉第方程

这是麦克斯韦四方程之一法拉第感应定律的微分形式。它指出，时变磁场（[latex]\mathbf{B}[/latex]）总是伴随着空间变化的非守恒电场（[latex]\mathbf{E}[/latex]）。这种关系表示为 [latex]\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{partial \mathbf{B}}{partial t}[/latex]。这个等式说明了变化的磁场如何在空间的某个特定点产生电场。

（如果日期未知或不相关，例如“流体力学”，则提供其显著出现的近似估计）