Johdanto
Lämpösähköiset aineet ovat lupaavia materiaaleja hukkalämmön talteenottoon. Esimerkkinä tästä olisi sähköenergian tuottaminen muuntamalla autojen pakokaasujen lämpöä tai voimalaitoksissa käytettävien jäähdytyslaitteiden lämpöä. Tärkeitä fysikaalisia ominaisuuksia, jotka on otettava huomioon, ovat niin sanottu Seebeckin kerroin (S) ja LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus δ). Tunnettu lämpökerroin (Z) kuvaa tällaisten materiaalien hyötysuhdetta:
ZT = (S2 λ-1)
ja
σ= TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys
T = lämpötila
Kaavasta voidaan päätellä, että korkean Z-arvon saavuttamiseksi materiaalilla on oltava korkea Seebeckin vaikutus ja alhainen lämmönjohtavuusarvo.
PbTe on potentiaalinen ehdokas tällaisiin sovelluksiin, koska sillä on kohtalainen Seebeck-kerroinSeebeck-kerroin on indusoidun lämpösähköisen jännitteen ja sähköjohtimen kahden pisteen välisen lämpötilaeron suhde.Seebeck-kerroin ja suhteellisen alhainen LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus
Tulokset ja keskustelu
PbTe-näytteiden ominaislämpö mitattiin NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix® -laitteella lämpötilavälillä RT-300 °C käyttäen suhdelukumenetelmää.
Kuvassa 1 esitetään PbTe-näytteen Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp-käyrä. Ominaislämpöarvot ovat välillä 0,15 J/(g*K) - 0,16 J/(g*K), mikä on tyypillistä tälle materiaalille.
PbTe:n lämpödiffuusiokyky mitattiin NETZSCH LFA 457 MicroFlash®. LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.Lämmönjohtavuus voidaan laskea seuraavan kaavan avulla:
λ(T) = a(T) ∙ Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp(T) ∙ ρ(T) ∙ ρ(T)
jossa
Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp = ominaislämpö
ρ = TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys
λ = lämpödiffuusiokyky
Kuvassa 2 esitetään lämpödiffuusiokäyrät, ominaislämpö- ja lämmönjohtavuuskäyrät.
Yhteenveto
PbTe:n lämpödiffuusiokyky ja ominaislämpö mitattiin LFA- ja DSC-laitteilla. LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.Lämmönjohtavuus, joka on erittäin tärkeä fysikaalinen ominaisuus lämpösähköisten materiaalien tehokkuuden arvioinnissa, laskettiin käyttämällä näitä tietoja yhdessä materiaalin tiheyden kanssa. PbTe:n LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus laski odotetusti lämpötilan noustessa, kuten yleensä havaitaan muilla puolijohdemateriaaleilla.