Nhiệt điện: từ hồ quang của Alessandro Volta đến máy phát nhiệt điện chất sắt từ

Nhiệt điện:

từ hồ quang của Alessandro Volta đến máy phát nhiệt điện chất sắt từ

A. VARLAMOV, S. SHARAPOV, Y. SHIKINA

Thật khó để làm một người hiện đại ngạc nhiên với những câu hỏi về điện là gì hoặc quá trình truyền nhiệt xảy ra như thế nào - mọi người đều có quan điểm riêng về những vấn đề này. Một số mang tính lý thuyết, dựa trên nghiên cứu vật lý, trong khi phần lớn còn nhớ cảm giác khó quên khi bị điện giật trong quá trình sửa chữa ổ cắm khi điện áp trên bảng không tắt hoặc do vô tình chạm vào bàn ủi nóng. Nhưng tất nhiên, số lượng độc giả quen thuộc với hiện tượng nhiệt điện sẽ ít hơn nhiều. Trong thần thoại Hy Lạp cổ đại, một vị trí quan trọng bị chiếm giữ bởi nhân mã - những sinh vật phàm trần hoang dã với đầu và thân của một người đàn ông trên mình một con ngựa, cư dân của những ngọn núi và bụi rậm trong rừng. Hiện tượng nhiệt điện giống như một nhân mã - ở đây điện áp giữa các cạnh của mẫu phát sinh do nó nóng lên không đều.

Cuộc tranh luận giữa Luigi Galvani và Alessandro Volta Lịch sử phát hiện và nghiên cứu tiếp theo về nhiệt điện đã có hơn hai thế kỷ và bắt đầu bằng cuộc tranh luận giữa Luigi Galvani và Alessandro Volta. Vào giữa thế kỷ 18, việc nghiên cứu các hiện tượng điện, bao gồm cả điện động vật, chẳng hạn như điện do cá đuối điện tạo ra, đã trở thành một chủ đề phổ biến trong khoa học. Theo quan điểm này, nhà sinh lý học Luigi Galvani, giáo sư tại Đại học Bologna, bắt đầu nghiên cứu điều gì xảy ra với một con ếch bị mổ xẻ khi có dòng điện chạy qua nó. Kết quả là, nhiều

DOI: https://doi.org/10.4213/kvant20210702

Thông qua các thí nghiệm số, Galvani tin chắc rằng mỗi khi ông chạm vào dây thần kinh của một con ếch bằng dây dẫn nối với máy điện và tạo ra tia lửa từ nó, con ếch sẽ bị co giật. Sau đó Galvani tiếp tục thí nghiệm của mình và phát hiện ra những cơn co thắt tương tự khi nối các cơ và dây thần kinh của một con ếch mới được chuẩn bị bằng một vòng cung kim loại (Hình 1). Đồng thời, sự chú ý đặc biệt của Galvani bị thu hút bởi thực tế là sự co cơ của ếch hóa ra mạnh hơn nhiều nếu hồ quang kim loại được tạo thành từ hai kim loại khác nhau: ví dụ như sắt và đồng (hoặc bạc tốt hơn nhiều). Những thí nghiệm này đã khiến nhà nghiên cứu người Ý nổi tiếng kết luận rằng điện vốn có trong bản thân động vật: một chất lỏng chảy từ dây thần kinh đến cơ bắp và một mạch điện được hình thành (như khi một chiếc lọ Leyden được xả ra).

Hình 1. Luigi Galvani phát hiện ra sự co cơ của một con ếch bị mổ xẻ khi chúng được nối với nhau bằng một vòng cung kim loại

9

NHIỆT ĐIỆN:

TỪ

Hình 2. Bản phác thảo các dụng cụ được Alessandro Volta sử dụng trong thí nghiệm với ếch. Hồi ký về điện động vật, ngày 14 tháng 5 năm 1792 (Lưu trữ của A. Volta, tờ K13, Viện Hàn lâm Khoa học và Thư tín Lombard)

Giáo sư tại Đại học Pavia, nhà vật lý và hóa học Alessandro Volta, không tin tưởng vào cái gọi là điện động vật. Chưa hết, trước sự nài nỉ của các đồng nghiệp, anh lặp lại các thí nghiệm được mô tả trong tác phẩm của Galvani (Hình 2). Kết quả là, sự hoài nghi của anh ấy bắt đầu tan biến, và vào năm $3 апреля^{1792}$, anh ấy viết cho Galvani: “Vì vậy, ở đây cuối cùng tôi đã cải đạo. Vì bản thân tôi đã trở thành nhân chứng và quan sát thấy những phép lạ này, nên có lẽ tôi đã chuyển từ nghi ngờ sang cuồng tín.” Trong một bài giảng trước công chúng $5 мая^{1792}$, Volta nói về các thí nghiệm của Galvani, ca ngợi chúng, nhưng đồng thời bày tỏ quan điểm rằng con ếch chỉ có thể là một thiết bị đo lường, một điện kế, nhạy hơn hàng chục lần so với điện kế có lá vàng lâu đời. Volta liên tục thu hút sự chú ý đến một đặc điểm vật lý trong các thí nghiệm của Galvani: để gây ra sự co cơ, các kim loại tạo thành hồ quang phải khác nhau. Ông hỏi: Có phải các dây dẫn kim loại thực sự chỉ có tác dụng, bằng cách chạm vào nhau, thiết lập một kết nối, cung cấp cho chất lỏng điện một đường đi mà nó có xu hướng truyền từ nơi này sang nơi khác một cách tự nhiên? Vai trò của chúng hoàn toàn thụ động hay chúng là tác nhân tích cực làm cho điện tích chuyển động? Vào khoảng cách

ARC

ALESSANDRO

VOLTA…

Hình 3. Alessandro Volta sử dụng một dây dẫn kim loại duy nhất làm vòng cung, nhưng đặt các đầu của cơ ếch và các đầu của dây dẫn vào các bình chứa nước nóng và lạnh. Trong hình bên phải, thay vì cơ ếch là một chiếc vôn kế

Trong những thí nghiệm đầu tiên của mình, Volta cho thấy rằng về bản chất, cơ không tham gia vào việc tạo ra hiện tượng; sự co lại của nó là tác động của dòng điện tích được tạo ra khi tiếp xúc với hai kim loại khác nhau. Vì vậy, trên thực tế, anh ta phát hiện ra một hiện tượng có liên quan đến sự chênh lệch điện thế tiếp xúc. Volta còn nghi ngờ hơn nữa. Anh ta cố gắng sử dụng một dây dẫn kim loại duy nhất làm vòng cung, nhưng đặt các đầu của cơ ếch và các đầu của vòng cung vào các bình chứa nước lạnh và nóng (Hình 3). Cơ cũng co lại trong thí nghiệm này, điều này cho phép nhà khoa học giải thích dòng chất lỏng điện (điện tích) bằng cách làm nóng không đều dây dẫn kim loại. Mối liên hệ giữa dòng điện và chênh lệch nhiệt độ đã được phát hiện! Trong quá trình thí nghiệm với hồ quang kim loại, Volta nhận ra rằng dòng điện chạy qua cơ ếch không gì khác hơn là dòng điện của nó trong môi trường axit. Kết quả là ông đã tạo ra loại pin nổi tiếng của mình, cái gọi là cột volta - một chuỗi các tấm xen kẽ gồm hai kim loại (ví dụ như chì và đồng), được ngăn cách bằng một miếng vải ngâm trong axit (giấm). Pin vẫn hoạt động theo nguyên tắc tương tự ngày nay.

Trường Jena và sự khám phá của Johann Seebeck Thomas Johann Seebeck, một nhà vật lý, nhà hóa học và bác sĩ người Đức gốc Estonia, sinh ra $в^{1770}$ tại thị trấn Revel của Hanseatic (nay là

11

NHIỆT ĐIỆN:

TỪ

Trong bảng, vị trí dẫn đầu là bismuth $( S_{B} 73$ µV K), đứng thứ hai là antimon $( S_{A} 47$ µV K), điện áp tạo ra sẽ vào khoảng 36 mV. Do đó, để thay thế hai pin AA thông thường được sử dụng trong chuột máy tính, điều khiển từ xa và nhiều thiết bị khác, người ta sẽ phải kết nối 80 cặp nhiệt điện này và duy trì chênh lệch nhiệt độ 300°C giữa các điện cực của chúng. Điều này là quá nhiều!

Số phận xa hơn của khám phá của Seebeck Nhiệt điện nhanh chóng được ứng dụng, ít nhất là trong các phòng thí nghiệm vật lý. Do đó, định luật Ohm nổi tiếng đã được Georg Simon Ohm phát hiện và mô tả sau hai $статьях,^{1826} и^{1827}$ năm. Sau khi xuất bản bài báo đầu tiên, Ohm được khuyên nên từ bỏ pin điện, vì suất điện động của nguồn như vậy thay đổi đáng kể trong quá trình đo. Các kết quả đo chính xác hơn cho bài viết thứ hai đã thu được thông qua việc sử dụng nguồn dòng nhiệt điện (cặp đồng-bismuth) có khả năng duy trì điện áp không đổi. Nghiên cứu sâu hơn về hiện tượng do Seebeck phát hiện tiếp tục trong $в^{1830-е}$ năm trong các tác phẩm của Jean Peltier, nơi phát hiện ra hiệu ứng nhiệt điện nghịch đảo: làm nóng hoặc làm mát điểm nối của hai dây dẫn khi có dòng điện chạy qua nó. Bản chất của nó đã được khám phá vài năm sau đó bởi nhà vật lý người Nga gốc Đức, một trong những người sáng lập ngành kỹ thuật điện, Heinrich Friedrich Emil Lenz. Ông đặt một giọt nước vào một hốc ở chỗ tiếp giáp của hai thanh bismuth và antimon (có điện trở R) và phát hiện ra rằng khi một dòng điện (I) chạy theo một chiều thì giọt nước biến thành băng, và khi đổi chiều thì băng tan. Thí nghiệm đơn giản và ấn tượng này cho thấy rằng khi một dòng điện chạy qua tiếp điểm của hai kim loại khác nhau, ngoài nhiệt Joule đã biết $( I^{2} R ),$,

ARC

ALESSANDRO

VOLTA…

Có nhiệt bổ sung tỷ lệ thuận với công suất đầu tiên của dòng điện. Cái sau được gọi là nhiệt Peltier. Đúng, nhưng còn nhiệt điện thì sao? Cho đến giữa những năm 1930, người ta vẫn chưa hiểu rõ về các thiết bị và kim loại ở cấp độ vi mô. Để tạo ra một lý thuyết phù hợp, trước tiên cần phải hiểu ít nhất cấu trúc của các nguyên tử cấu thành của chúng, và bộ máy toán học và khái niệm cần thiết cho việc này - cơ học lượng tử - chỉ được hình thành vào cuối những năm 20. Tuy nhiên, ở cấp độ hiện tượng học, sự hiểu biết về hiện tượng nhiệt điện đã được nâng cao. Vào nửa sau thế kỷ 19, trong các công trình của Gibbs, Boltzmann và các nhà khoa học khác, một lĩnh vực vật lý mới đã phát triển - cơ học thống kê, nghiên cứu các hệ thống gồm một số lượng lớn các hạt. Khả năng mô tả các tính chất của chúng bằng cơ học cổ điển là viển vông: không những không thể giải được mà thậm chí còn có thể viết ra các phương trình cơ học cổ điển cho một số lượng lớn các hạt. Đổi lại, các nhà khoa học khám phá ra những mô hình thống kê hoàn toàn mới cho những hệ thống như vậy. Họ hiểu rằng để mô tả những tính chất cần thiết thì những thông tin không cần thiết (tọa độ, vận tốc của tất cả các hạt) đơn giản là không cần thiết. Bạn nên học cách đặt những câu hỏi mới cho Tự nhiên và hiểu cách đạt được đáp số cho chúng. Trong số các khái niệm mới khác, Josiah Willard Gibbs $в^{1875}$ giới thiệu thế năng hóa học P - năng lượng cần phải tiêu hao để thêm một hạt nữa vào hệ thống gồm một số lượng lớn hạt. Trong điều kiện cân bằng, giá trị này không đổi trong toàn bộ thể tích của hệ thống - nếu không thì các hạt sẽ chảy từ nơi này sang nơi khác. Khái niệm thế hóa học dễ dàng khái quát hóa cho trường hợp một hệ nằm trong trường ngoài, theo đó chúng ta sẽ hiểu sâu hơn là điện trường có thế M. Để làm được điều này, với thế năng hóa học P bạn chỉ cần cộng thế năng tương ứng của hạt với

17

NHIỆT ĐIỆN:

TỪ

ARC

ALESSANDRO

VOLTA…

không có hiệu quả trong việc sử dụng nhiệt tiêu tán. Gần đây hơn, nghiên cứu về chất lỏng ion đã mang lại động lực mới cho việc tìm kiếm các vật liệu nhiệt điện phù hợp cho các ứng dụng thực tế. Loại thứ hai là muối nóng chảy, ở dạng lỏng ở nhiệt độ phòng và ở nhiệt độ trên 100 q C (một số có thể vượt quá 300 q C). Không giống như chất điện phân lỏng, cùng với hệ số Seebeck lớn, chất lỏng ion có độ dẫn điện cao, đảm bảo hiệu suất cao (ZT | 2). Vì vậy, chất lỏng ion là ứng cử viên đầy triển vọng cho việc tận dụng tổn thất nhiệt (Hình 7). Ví dụ, để chuyển đổi nhiệt từ ống xả của ô tô thành điện năng, lượng nhiệt này đủ để vận hành máy điều hòa không khí và làm mát nội thất của ô tô. Hệ số Seebeck của chất điện phân lỏng cũng có thể được tăng lên bằng cách đưa các hạt nano từ tính (chất lỏng sắt) vào thể tích của chúng. Sự trôi chậm của chúng dưới tác động của chênh lệch nhiệt độ và tương tác với điện cực

Bảng 3. Thành tích nhiệt điện của các vật liệu nhiệt điện hứa hẹn nhất

và việc sử dụng các hệ thống có chiều thấp. Cấu trúc nano của vật liệu nhiệt điện dựa trên chất bán dẫn, làm giảm độ dẫn nhiệt của mạng khi hệ số Seebeck tăng, đã dẫn đến những cải tiến đáng chú ý trong việc chuyển đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng điện. Tuy nhiên, ngay cả những vật liệu hứa hẹn nhất vẫn chưa thể vượt qua mức tối thiểu $требование^{ZT} 4$ (xem Bảng 3). Ngoài ra, các vật liệu cấu trúc nano được tạo ra cho đến nay còn có một số nhược điểm về công nghệ, môi trường và kinh tế, chẳng hạn như kích thước hạn chế, chi phí sản xuất đáng kể và việc duy trì các vật liệu quý hiếm và độc hại. Nhiệt điện trong chất điện phân và chất lỏng sắt từ. Các nhà khoa học tiếp tục tìm kiếm các loại vật liệu nhiệt điện mới thân thiện với môi trường và tiết kiệm, chẳng hạn như polyme, chất dẫn ion, v.v. Chất điện phân lỏng gần đây đã trở thành một trong những vật liệu như vậy. Hóa ra các giá trị hệ số Seebeck của chúng thường lớn hơn một bậc ($(^{S} | 0,5$ mV K) so với giá trị của chất bán dẫn, thậm chí cả vật liệu có cấu trúc nano. Ngoài ra, chúng bao gồm các yếu tố có thể tiếp cận và không độc hại. Thật không may, độ dẫn điện của chất lỏng như vậy thấp hơn nhiều bậc so với độ dẫn điện của chất bán dẫn pha tạp, vì vậy chất điện phân lỏng được coi là chất điện phân lỏng.

Hình 7. Giá trị hệ số Seebeck đối với các loại vật liệu nhiệt điện

18

KVANT 2021/№7

chúng tôi cải thiện tính chất nhiệt điện của chất lỏng. Sự hiểu biết hiện tại về bản chất nhiệt điện hóa của chất lỏng phức tạp vẫn chưa hoàn thiện. Tuy nhiên, nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm tích cực đang được tiến hành trong lĩnh vực thú vị này, hứa hẹn những ứng dụng được chờ đợi từ lâu trong việc tận dụng lượng nhiệt thất thoát, gây hại không chỉ về mặt kinh tế mà còn cho hệ sinh thái môi trường của chúng ta. Chất lỏng sắt nêu trên là chất lỏng làm việc cho máy phát nhiệt điện thế hệ mới, hiện đang được phát triển bởi các nhà khoa học thuộc tập đoàn MAGENTA của một số phòng thí nghiệm châu Âu.

Đôi lời về ứng dụng Thiết bị nhiệt điện có rất nhiều ứng dụng, từ phát điện đến máy thu bức xạ nhiệt điện. Độ tin cậy và tính đơn giản của các thiết bị nhiệt điện cho phép chúng được sử dụng ngay cả khi các nguồn năng lượng truyền thống hiệu quả hơn. Ngoài cặp nhiệt điện, các thiết bị hoạt động theo nguyên lý hiệu ứng Peltier được sử dụng khá rộng rãi: bộ làm mát cho nhiều sản phẩm khác nhau, từ quang điện tử, tủ lạnh nhỏ, hệ thống làm mát cho ghế sưởi trên ô tô. Một cặp bán dẫn thường được sử dụng làm vật liệu hoạt động trong các thiết bị như vậy. $Bi_{2} Te_{3} –Sb_{2} Te_{3}$. Jules Verne trong cuốn tiểu thuyết Hai vạn dặm dưới biển được xuất bản $в^{1870}$ năm, đã thảo luận về khả năng nguồn năng lượng cho tàu Nautilus

có thể có một loại pin nhiệt điện hoạt động nhờ sự chênh lệch nhiệt độ nước ở các độ sâu khác nhau. Các tàu ngầm hạt nhân hiện đại, như chúng ta biết, sử dụng nhiều tua-bin hơi nước truyền thống hơn. Nhưng tàu vũ trụ được đưa vào sâu trong không gian thực sự có nguồn năng lượng nhiệt điện. Thực tế là bên ngoài hành tinh Sao Hỏa, ánh sáng mặt trời quá yếu để cung cấp năng lượng cho tàu vũ trụ bằng các tấm pin mặt trời. Do đó, năng lượng điện cần thiết cho hoạt động của các hệ thống trên tàu được cung cấp bằng cách chuyển đổi nhiệt thoát ra trong quá trình phân rã phóng xạ $Pu^{238}$ thành điện năng sử dụng các cặp nhiệt điện. Những máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ như vậy đã được NASA sử dụng trong nhiều sứ mệnh khác nhau như Apollo, Pioneer, Viking, Voyager, Galileo và Cassini. Bộ nguồn của Du hành, không có bộ phận chuyển động, vẫn hoạt động, cho phép tàu vũ trụ tiếp tục khám phá khoa học sau hơn 35 năm phục vụ. Một nguồn nhiệt điện đồng vị phóng xạ nặng 45 kg, tạo ra công suất $в^{110}$ W, cũng có trên tàu thám hiểm Perseverance, tàu gần đây đã bắt đầu nghiên cứu sao Hỏa.

Các tác giả muốn ghi nhận sự hỗ trợ của chương trình nghiên cứu và đổi mới Horizon 2020 của Liên minh Châu Âu, cấp thỏa thuận số. 731976 (MAGENTA), đồng thời bày tỏ lòng biết ơn tới Viện Hàn lâm Khoa học và Thư tín Lombardy (Milan) vì đã vui lòng cung cấp bản fax từ kho lưu trữ các tác phẩm của Alessandro Volta.

Để thu hút sự chú ý của độc giả của chúng tôi

Bạn có thể đăng ký tạp chí «Kvant» từ bất kỳ số nào tại bất kỳ bưu điện nào. Chỉ mục đăng ký của chúng tôi trong danh mục “Báo chí $России»_{–} 90964.$”. Bạn có thể mua tạp chí «Kvant» trong cửa hàng “Sách toán học” của nhà xuất bản MCNMO (địa chỉ cửa hàng trực tuyến: biblio.mccme.ru), cũng như tại các hiệu sách ở Moscow “Biblio-Globus”, “Young Guard”, “Moscow House of Books” và trong tòa soạn tạp chí. Kho lưu trữ các số đã xuất bản của tạp chí «Kvant» có sẵn trên trang web http://kvant.ras.ru