热电效应?

热电效应?

电热和热电明显是有关联的。用热力学语言来说,他们都是热流动力、粒子流动力耦合项的效应。

可以看一下这篇文章:不可逆过程热力学 - 知乎 (zhihu.com)

摘录一段文章中介绍热电效应的内容:

电路中同时存在温度梯度和化学势梯度时,将同时产生热流和粒子流(电流),从而产生以下五种效应:

泽贝克(Seebeck)效应;佩尔捷(Peltier)效应;汤姆逊(Thomson)效应;焦耳(Joule)热效应;热传导过程

注:由于我们现在考虑的都是均匀导体,所以可以认为除了和温度相关的化学势以外,只有电势;也即 。

1、泽贝克效应

两个不同金属接成热电偶,在接头处保持不同温度。这样,A金属内有温度梯度;由于在不同温度下和A接触,B(左)和B(右)的化学势不同。于是,在两端口之间产生电动势:

直接分析端口,可以知道 。

对于金属A分析:A的热流动力被限制。 ; ,

从而 ; 。由于A与B的动理系数不同,会导致积累的 也不同,是即泽贝克效应。

在泽贝克效应的唯象理论中,我们通常写成 , 为泽贝克系数。可以看出 就是 。需要注意的是,泽贝克系数和动理系数通常是和温度相关的。

2、佩尔捷效应

两个不同金属相连接,保持两金属温度相同且不变,并通电流。这样,金属内有化学势梯度;由于耦合,也会产生热流。

;没有热流动力(控制了温度不变且均匀)。从而反解得粒子流动力 ; 。对比得到 。

3、汤姆逊效应

当电流通过具有温度梯度的均匀导体时,导体除了放出焦耳热,还要放出或吸收另外的热量,称之为汤姆逊热。汤姆逊热功率密度为 。

产热的本质应该是一种熵产生,也即应有 。我们可以看到,焦耳热对应的是粒子流动力和粒子流的熵产生;而这里的汤姆逊热就应该对应热流动力和粒子流耦合项的熵产生。

然而此时的 还有和温度相关的项,这和电子化学势的具体形式有关。所以我们会在后面介绍开尔文关系的时候把 算出来。

4、焦耳热效应

我们熟知 。

我们考虑的情形下温度均匀,没有热流动力;粒子流动力被限制为 。再结合 ,知道: 。

5、热传导过程

傅立叶热传导定律 。此处热流动力被限制为常数;粒子流动力无限制。

,直接带入 , ,从而 。

另一种唯象的理论(从微观角度入手)可以参考这篇文章:

★、开尔文关系

我们刚才求出了其中四个热电系数。我们可以它们用来解出动理系数:

并且容易观察出, (是即开尔文第二关系)。

写出各个流,并且把我们不希望看见的 消去,可以得到:

,并注意到 ,可以写成 。

顺便写出用温度和电流表示的化学势梯度: (后面会用到)。

考察一下熵流: ,可以明显地看出后一项是热传导引起的熵流;而前一项就是电流携带的熵流。

我们再来看汤姆逊系数:

注意到能量的连续性定理: ,在这里因为电流是衡常的, 不对 作用:

全部写成温度和电流的形式:

分析一下各个项的物理意义:第二项应该是由于热传导过程而在局部积累的热;第三项就是焦耳热。那么余下的第一项就是汤姆逊热了。

注意到 ,那么汤姆逊热 ,对比可知 。

开尔文第一关系: ,或者写成当年开尔文写的形式: 。

里面的热力学原理比较复杂,还是建议看文章里的推导。