A importância dos materiais termoelétricos e suas possibilidades de aplicação
A otimização da eficiência energética é um dos maiores desafios do séculoXXI. Em muitas aplicações industriais, são geradas enormes quantidades de energia térmica não utilizada. Esse calor residual é produzido por fornos deTemperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão, usinas de incineração, usinas de energia e até mesmo veículos automotores - e todos poderiam ser usados para a geração de energia elétrica. Além de ter um impacto ambiental positivo, isso também contribuiria significativamente para aumentar a eficiência geral e a lucratividade das plantas industriais. É aí que a termoelétrica entra em ação.
os "geradores termoelétricos", como são conhecidos, são desenvolvidos e podem ser empregados em todas as áreas em que há diferenças de temperatura utilizáveis. Essas aplicações exigem o desenvolvimento de materiais termoelétricos com alta eficiência.
Determinação das propriedades termofísicas e termoelétricas
Para o desenvolvimento e a otimização de materiais termoelétricos, o conhecimento das propriedades termofísicas e termoelétricas é essencial. Para avaliar a eficiência, é usada a figura de mérito (valor ZT). Essa figura termoelétrica descreve o quanto um material especial é adequado ou não para uso em um gerador termoelétrico. O valor ZT, portanto, fornece informações sobre a eficiência do material.
Com oCondutividade elétrica (SBA)A condutividade elétrica é uma propriedade física que indica a capacidade de um material de permitir o transporte de uma carga elétrica. SBA 458 Nemesis®, o Coeficiente SeebeckO coeficiente Seebeck é a razão entre a tensão termoelétrica induzida e a diferença de temperatura entre dois pontos em um condutor elétrico.coeficiente Seebeck, S, e a Condutividade elétrica (SBA)A condutividade elétrica é uma propriedade física que indica a capacidade de um material de permitir o transporte de uma carga elétrica.condutividade elétrica, σ, podem ser determinados simultaneamente. Usando o LFA, a capacidade de calor específica, Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade de calor específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.cp, e a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica, a, podem ser medidas diretamente. Juntamente com a DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade, ρ, a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica, λ, pode ser calculada.
Com oCondutividade elétrica (SBA)A condutividade elétrica é uma propriedade física que indica a capacidade de um material de permitir o transporte de uma carga elétrica. SBA 458 Nemesis® e os aparelhos de flash a laser LFA 427, LFA 457 e LFA 467, o NETZSCH oferece uma solução completa para a determinação do valor ZT.
Skutterudite como um material adequado para aplicações termoelétricas
Atualmente, os enormes custos de desenvolvimento e a baixa eficiência dos materiais termoelétricos muitas vezes impedem sua aplicação. Para superar isso, a eficiência dos materiais termoelétricos deve ser significativamente aumentada por meio de novos desenvolvimentos e modificações.
O objetivo é desenvolver materiais que exibam baixa Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica, λ, com alta condutividade simultânea, σ, e um alto Coeficiente SeebeckO coeficiente Seebeck é a razão entre a tensão termoelétrica induzida e a diferença de temperatura entre dois pontos em um condutor elétrico.coeficiente Seebeck, S. A dificuldade aqui está no fato de que essas três propriedades só podem ser influenciadas independentemente uma da outra sob certas condições.
A skutterudita, em particular, tem potencial para excelentes propriedades elétricas. A skutterudita é um material composto de cobalto e arsênio, muitas vezes contaminado por terras raras. Ele pertence à classe dos sulfetos. Seu nome deve-se à cidade de Skutterud, na Noruega, onde esse mineral de ocorrência natural, CoAs3, foi descoberto pela primeira vez em 1928. Foi somente em meados da década de 50 que suas excelentes propriedades elétricas foram reconhecidas. A skutterudita apresenta uma mobilidade de portadores de carga muito alta e um coeficiente de Seebeck do tamanho de medium. Sua Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica, por outro lado, é alta demais para possibilitar seu uso eficiente em aplicações termoelétricas naquele momento. Na década de 70, foi descoberta a estrutura cristalina típica da skutterudita, que pode ser modificada de forma otimizada. Dois espaços vazios na célula elementar podem ser preenchidos pela inserção de átomos estranhos. Dessa forma, a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica da skutterudita pode ser reduzida. Desde então, a skutterudita tem sido uma candidata em potencial para conversores termoelétricos mais eficientes, com os quais, por exemplo, o calor residual dos sistemas de exaustão dos automóveis poderia ser convertido diretamente em eletricidade. Os exemplos de medição a seguir mostram como o valor ZT da skutterudita pode ser determinado por meio de uma única amostra.
Medições LFA
Para o cálculo do valor ZT sem dimensão da skutterudita, a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica (figura 1, curva vermelha) e a capacidade térmica específica (figura 1, curva preta) foram determinadas com o LFA 467 HyperFlash® em uma amostra com diâmetro de 12,7 mm. As medições foram realizadas entre a temperatura ambiente e 400°C.
O cálculo da Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica é baseado nos resultados obtidos por meio da seguinte equação: λ = a-Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade de calor específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.cp-ρ(consulte a figura 2).
Medição da SBA
Com oCondutividade elétrica (SBA)A condutividade elétrica é uma propriedade física que indica a capacidade de um material de permitir o transporte de uma carga elétrica. SBA 458 Nemesis®, o Coeficiente SeebeckO coeficiente Seebeck é a razão entre a tensão termoelétrica induzida e a diferença de temperatura entre dois pontos em um condutor elétrico.coeficiente Seebeck e a Condutividade elétrica (SBA)A condutividade elétrica é uma propriedade física que indica a capacidade de um material de permitir o transporte de uma carga elétrica.condutividade elétrica da amostra já usada para a medição do LFA foram determinados entre RT e 350°C. O Coeficiente SeebeckO coeficiente Seebeck é a razão entre a tensão termoelétrica induzida e a diferença de temperatura entre dois pontos em um condutor elétrico.coeficiente Seebeck aumentou de 100 μV/K para quase 160 μV/K, enquanto a Condutividade elétrica (SBA)A condutividade elétrica é uma propriedade física que indica a capacidade de um material de permitir o transporte de uma carga elétrica.condutividade elétrica diminuiu de aproximadamente 1.300 S/cm para 1.000 S/cm. Os resultados da medição exibem excelente reprodutibilidade (± 2%) para ambos os parâmetros (consulte a figura 3).
Valor ZT
O valor ZT é calculado por meio dos resultados obtidos com o LFA e oCondutividade elétrica (SBA)A condutividade elétrica é uma propriedade física que indica a capacidade de um material de permitir o transporte de uma carga elétrica. SBA na mesma amostra (veja a figura 4) usando a seguinte equação:
O gráfico da figura 5 representa o aumento do valor de ZT entre a temperatura ambiente e 400 °C, com um máximo de 0,75.
Resumo
Foi demonstrado que as propriedades termofísicas - incluindo difusividade e condutividade térmicas, capacidade de calor específica, coeficiente Seebeck e Condutividade elétrica (SBA)A condutividade elétrica é uma propriedade física que indica a capacidade de um material de permitir o transporte de uma carga elétrica.condutividade elétrica - podem ser determinadas usando apenas uma amostra. Assim, o usuário economiza um tempo precioso, já que não é necessária a preparação de amostras adicionais para o ajuste da geometria da amostra.