
熱電學(Thermoelectrics)是研究熱能直接轉換為電能(或反之)的物理現象及其應用技術的學科領域。其核心在于利用材料的熱電效應實現熱能與電能的相互轉換,主要包含三種基礎效應:
塞貝克效應(Seebeck Effect)
當兩種不同導體或半導體構成回路,且兩端存在溫差時,回路中會産生電動勢(電壓)。這是熱電發電的基礎原理,公式表示為:
$$ V = alpha Delta T $$
其中 ( V ) 為電壓,( alpha ) 為塞貝克系數,( Delta T ) 為溫差。
帕爾貼效應(Peltier Effect)
電流通過兩種不同材料接觸點時,接觸點會吸收或釋放熱量,實現制冷或加熱。公式為:
$$ Q = Pi I $$
( Q ) 為熱流量,( Pi ) 為帕爾貼系數,( I ) 為電流。
湯姆遜效應(Thomson Effect)
電流通過存在溫度梯度的均勻導體時,導體除焦耳熱外還會額外吸收或釋放熱量。
材料熱電性能由無量綱優值ZT衡量:
$$ ZT = frac{alpha sigma T}{kappa} $$
其中 ( sigma ) 為電導率,( kappa ) 為熱導率,( T ) 為絕對溫度。ZT值越高,能量轉換效率越優。
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熱電學是研究熱能與電能之間直接相互轉換的物理現象及其應用的學科,主要涉及以下核心内容:
塞貝克效應(1821年發現) 當兩種不同導體連接成回路,并在接點處存在溫差時,回路中會産生電動勢。公式為: $$ Delta V = S Delta T $$ 其中$S$是塞貝克系數,$Delta T$為溫差。該效應應用于熱電發電機,如航天器核電池。
帕爾貼效應(1834年發現) 電流通過不同導體接觸點時,會伴隨吸熱或放熱現象。制冷效率由帕爾貼系數$Pi$決定,常用于微型冰箱和CPU散熱。
湯姆孫效應(1851年提出) 電流通過存在溫度梯度的單一導體時,會産生額外熱交換。滿足關系: $$ Q = tau I Delta T $$ $tau$為湯姆孫系數,該效應解釋了熱電現象的不可逆性。
優值系數 $ZT = frac{S sigma T}{kappa}$ 決定材料性能,其中$sigma$為電導率,$kappa$為熱導率。目前先進材料如Bi₂Te₃的ZT值約2-3。
當前挑戰在于提升材料ZT值,納米結構工程(如量子點超晶格)和新型拓撲絕緣體材料是重點方向。最新研究通過聲子散射抑制熱導率,使碲化鉛基材料效率提升40%。
該學科在能源危機背景下備受關注,未來可能在分布式發電和零碳技術中發揮關鍵作用。
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