El calentamiento de un componente de circuito sólido en un circuito eléctrico (para el cual no tienen lugar reacciones químicas, cambios de fase u otros cambios estructurales) puede incluir:
Debería poder juntarlos en una ecuación combinada del flujo de calor total en el extremo más frío:
Todos estos expresan efectos de calentamiento interno (y aquí incluyo no solo la generación de calor sino también el calor que se mueve de un extremo al otro).
¿Estos tres constituyen todos los posibles efectos de calentamiento interno en cualquiera de estos materiales? ¿O hay más a considerar?
La respuesta corta es que no, estos no son los únicos procesos de calentamiento interno. Además, el efecto Peltier es más una superficie que un efecto de volumen, como discutiré más adelante. Existe un análogo de volumen, pero comúnmente se denomina "efecto Thomson extrínseco", pero existe solo en materiales no homogéneos.
La respuesta más larga es que el número de calores internos depende de las características del material. Para simplificar las cosas, considero una muestra macroscópica (en muestras muy pequeñas, la ley de Fourier no se cumple necesariamente. Consulte Conducción térmica/eléctrica en sistemas mesoscópicos para obtener más información). El caso más general sería un material anisotrópico no homogéneo. En tal caso, existen los efectos Fourier, Joule, Thomson, así como un efecto Bridgman. Tenga en cuenta que hay dos "efectos Thomson". Uno se debe al cambio en el coeficiente de Seebeck con respecto a la temperatura (el comúnmente llamado "efecto Thomson", pero también menos conocido como "efecto Thomson intrínseco"), el otro se debe al cambio en el coeficiente de Seebeck con respecto a la posición (que se conoce como el "efecto Thomson extrínseco" o " bien puede depender de la posición incluso si la muestra se mantiene a una temperatura bien definida).
Si elimina la anisotropía, el efecto Bridgman desaparece. Si tiene un material homogéneo, el efecto Thomson extrínseco desaparece, aunque no el efecto Thomson habitual/común.
Nota: El efecto Peltier común (para distinguirlo del "efecto Peltier distribuido") solo tiene lugar si la muestra se pone en contacto con un material con un coeficiente de Seebeck diferente. Y sería más un efecto de superficie que de volumen. Entonces, si está resolviendo una ecuación de calor, se incluiría como una condición límite; no es realmente un efecto de volumen.
Fuentes: El artículo "Irreversible Thermodynamics of Themoelectric Effects in Inhomogeneous, Anisotropic Media", de Domenicali. El libro "Continuum Theory and Modeling of Thermoelectric Elements" de Goupil et al.
Hay más en todo esto. Si tiene mucho cuidado y tiene en cuenta la expansión/contracción del volumen de un material calentado, entonces hay otro calentamiento/enfriamiento interno que es proporcional al cambio en el coeficiente de Seebeck con respecto al volumen y a la temperatura absoluta. Esto se puede ver si sigue el artículo de Domenicali citado anteriormente y no descuida el cambio de volumen del material.
Nota al margen: no entiendo la relevancia de los comentarios de CuriousOne que inmortalizo aquí:
CuriousOne: Está abordando este problema de transporte no clásico desde el extremo equivocado (clásico). Si desea comprender el transporte de calor en materiales cristalinos (incluidos los semiconductores), debe observar los fonones. –
Steeven: sí, pero el transporte de fonones es una forma de conducción de calor y puede considerarse incluido en la ley de Fourier si no me equivoco.
CuriousOne: la ley de Fourier es una fórmula ad-hoc clásica y las conducciones de calor no funcionan de esa manera, por un lado, todas las fórmulas clásicas de conducción de calor asumen una velocidad de conducción infinita mientras que en realidad los fonones tienen una relación de dispersión que está más cerca de la velocidad de sonido en el material que el infinito.
Claro, la ley de Fourier tiene limitaciones (ni siquiera necesita ir a la relatividad para eso), pero aún puede aplicarla con una precisión inmensa en los materiales cotidianos. Además, los críticos no tienen nada que ver con la pregunta "¿Estos tres constituyen todos los posibles efectos de calentamiento interno en dicho material? ¿O hay más que considerar?".
curioso
Steven
curioso