Transferencia de Energía en un Aparato Peltier (Fis 152)

Transferencia de Energía en un Aparato Peltier

Objetivos

- Estudiar los procesos de transferencia de energía en un circuito electrónico que utiliza como elemento central un aparato Peltier, el cual puede ser operado como máquina térmica o como bomba de calor.

- Familiarizar al alumno con el aparato Peltier.

Introducción

El aparato Peltier es un dispositivo constituido principalmente de dos bloques cerámicos con semiconductores tipo n y p entre ellos. Cuando una corriente eléctrica pasa a través del aparato, éste bombea calor desde una cerámica a la otra. Dos bloques de aluminio se ubican a cada costado del aparato Peltier procurando el contacto térmico con los bloques cerámicos. De esta manera los bloques actúan como reservorios térmicos caliente y frío.

Por otra parte, cuando existe una diferencia de temperatura entre los lados del aparato Peltier, este puede operar en el modo de máquina térmica (“Heat Engine Mode”). En este modo, la diferencia de temperatura produce un flujo de calor a través del aparato, ocasionado que este utilice parte del calor para generar una corriente eléctrica la cual puede ser utilizada para producir trabajo.

Este experimento consiste en operar el sistema inicialmente en el Modo Bomba de Calor (“Heat Pump Mode”). En este modo de operación, cierta cantidad de trabajo es suministrado al aparato Peltier a través de una corriente eléctrica, de manera tal que el aparato bombea calor desde un bloque de aluminio a otro. Posteriormente, dado que una diferencia de temperatura ha sido establecida entre los bloques, el sistema se opera en el Modo Maquina de Calor. En este modo, el calor que fluye desde el bloque caliente hacia el bloque frío a través del Peltier, ocasionará que este aparato convierta parte del calor en energía eléctrica, la cual será disipada en la resistencia eléctrica.

Durante éste ciclo de operación (inicialmente el sistema en modo bomba de calor y luego en modo máquina térmica), el estudiante observará como la energía fluye en diferentes formas. En la operación inicial, la energía disponible en la fuente de poder es transmitida al aparato Peltier en forma de energía eléctrica, la cual es utilizada para realizar el intercambio de calor entre los bloques de aluminio. Luego, parte de la energía almacenada en forma de calor es transformada por el aparato Peltier en energía eléctrica que es disipada en la resistencia eléctrica.

Montaje experimental

El dispositivo electrónico experimental PASCO ET-8782 que es utilizado en este experimento es mostrado en la figura 1. Este está constituido principalmente por una placa soporte en la cual se ha dispuesto y conectado eléctricamente los diversos componentes: Un aparato Peltier en contacto de dos bloques de aluminio (1), un interruptor de cuchillo con el cual se selecciona el modo de operación del sistema (2), tres resistencias eléctricas de distinto valor (3), un ventilador y su interruptor (4), y diversos conectores (5-11).

¡IMPORTANTE! Para realizar el montaje y conectar los diversos componentes electrónicos involucrados en esta experiencia, por favor siga paso a paso el procedimiento de montaje. La conexión incorrecta de los componentes puede producir una falla irreparable en el equipo.

La configuración experimental es mostrada en la figura 2. Previo a realizar este montaje, identifique que cuenta con todos los elementos necesarios mostrados en la figura 3.

Procedimiento de Montaje

Sea cuidadoso en conectar los aparatos con la polaridad que corresponda.

Conecte terminales positivos con positivos y los negativos con negativos.

Utilice cables de color rojo para terminales con polaridad positiva (+) y cables de color negro para terminales con polaridad negativa (-).

1. Potencia de entrada: Ponga el interruptor de cuchillo (2) en la posición neutra (no contacto). Conecte la fuente de poder a la entrada de los terminales de alimentación indicada en la placa del circuito (5). Recuerde mantener apagada la fuente.

2. Resistencias de Carga: Conecte el cable amarillo entre el conector de la base de la tarjeta (7) al conector de resistencias denotado con la letra B (6). Esto significa que la resistencia de carga será $3\Omega + 7\Omega = 10\Omega$ .

3. Aisladores: Ubique ambos aisladores de espuma en los bloques de aluminio (1).

4. Temperatura: Conecte los cables a los conectores de temperatura (8, 9) y al Sensor de temperatura Quad (el sensor Quad tiene 4 entradas para medir temperatura). Conecte el lado frío (8) al Canal 1 y el lado caliente (9) al Canal 2.

5. Voltaje: Conecte el sensor de voltaje/corriente a los puertos de voltaje de la placa (10). Cuide que la polaridad sea la correcta.

6. Corriente: Conecte los cables rojo y negro, que están separados, a la entrada de corriente del sensor de voltaje/corriente y a los conectores en la placa (11). Cuide que la polaridad sea la correcta.

Importante: Tenga cuidado en conectar el sensor en los puertos de voltaje y corriente que corresponden. Si estos son conectados incorrectamente se puede producir una falla irreparable en el equipo.

7. Computador y programa: Conecte el sensor de temperatura y el de voltaje/corriente al computador a través de la interfaz PASPORT vía puerto usb. Ejecute el archivo Pre-configurado del programa Data Studio “LAB5-FIS1523”. La pantalla debe lucir como se muestra en la figura 4.

RESPECTO AL PROGRAMA “Data Studio”

El programa Data Studio se ha configurado para medir y registrar las siguientes cantidades: la temperatura de ambos bloques de aluminio, el voltaje y la corriente aplicada al Peltier durante el modo Bomba de Calor, y el voltaje y la corriente generados por el Peltier en el modo Maquina de Calor. Con estas mediciones el programa calculará y mostrará en pantalla el flujo de calor, la potencia. Las siguientes secciones explican en base a que fundamentos teóricos el programa realiza estos cálculos.

Calor v/s Temperatura:

En el programa se muestra el calor ( $Q_{hot}$ o $Q_{cold}$ ) que fluye hacia o desde el bloque de aluminio en las cercanías del lado caliente o frío del Peltier. La relación entre el flujo de calor y la variación de temperatura está dada por:

$Q= m \cdot c \cdot \Delta T \qquad\qquad\qquad (1)$

Donde:

$Q$ = Calor transferido.

$m$ = masa del bloque de aluminio.

$c$ = calor específico del aluminio = 0.90 J/(g ºC).

$\Delta T$ = Variación de temperatura.

Un valor positivo de $Q$ podría representar la transferencia de calor hacia o desde el bloque de aluminio, dependiendo si el bloque está en el lado caliente o en el lado frío del Peltier y si éste está operando como bomba de calor o máquina térmica.

La temperatura de cada bloque es medida por un termistor embebido en cada bloque. El programa calcula el flujo de calor a partir de la medida del cambio de temperatura y de los valores previamente ingresados de m y c. Presione el icono “calculadora” en la barra de herramientas y corrobore la ecuación usada.

Potencia de entrada y trabajo realizado por la Bomba de Calor Peltier:

En el modo bomba de calor, la potencia de entrada suministrada por la fuente de poder es igual a la razón a la cual el Peltier realiza trabajo para bombear calor desde el reservorio frío hacia el reservorio caliente. El sensor de voltaje/corriente mide el voltaje ( $V$ ) aplicado al Peltier y la corriente ( $I$ ) que fluye a través de él. En base a estas medidas el programa calcula la potencia de entrada ( $P$ ) por medio de la ecuación

$P=V \cdot I \qquad\qquad\qquad (2)$

El área bajo la curva en el gráfico Potencia v/s tiempo es igual a la energía proporcionada al Peltier, la cual es igual al trabajo realizado sobre el Peltier.

Potencia generada y trabajo realizado por la Máquina térmica Peltier:

En el modo máquina de calor, la potencia generada es la razón a la cual el Peltier realiza trabajo en la resistencia de carga. El sensor voltaje/corriente mide el voltaje aplicado a la resistencia y la corriente que circula a través de ésta. A partir de estas mediciones el programa calcula la potencia suministrada a la resistencia. El área bajo la curva del gráfico $potencia$ versus $tiempo$ es igual al trabajo que el Peltier realiza sobre la resistencia eléctrica.

Procedimiento

Antes de comenzar ambos bloques de aluminio deben estar a temperatura ambiente.

1. Corrobore que el interruptor de cuchillo esté en la posición neutra (no contacto) y que el interruptor del ventilador esté en la posición apagado (“OFF”).

2. Pida al ayudante que verifique el montaje y encienda la fuente de voltaje externa. Se debe calibrar el voltaje en un valor entre 3 y 4 volts.

Importante: Procure que el voltaje entregado por la fuente de voltaje externa NUNCA exceda los 8 volts. Si un voltaje mayor a este es aplicado al aparato Peltier ocurrirá una falla irreparable en el equipo.

3. Comience el registro de datos presionando el icono de inicio en el programa Data Studio, y en seguida ajuste el interruptor de cuchillo en el Modo Bomba de Calor. Usted verá que los datos de la potencia aparecerán en el grafico superior (“POWER”). El área bajo la curva en este gráfico es igual a la energía suministrada al Peltier, la cual corresponde al trabajo entregado a la bomba de calor. La ventana “Heat Pump” muestra el calor bombeado fuera del reservorio frío ( $Q_{cold}$ ) y el calor depositado en el reservorio caliente ( $Q_{hot}$ ).

Observe como la temperatura de los bloques de aluminio cambia.

4. Mantenga en funcionamiento el sistema en modo bomba de calor por aproximadamente un minuto (o hasta que observe que la temperatura en el lado frío comience a llegar a un valor mínimo). Luego seleccione el modo máquina térmica (“Heat Engine Mode”) cambiando el interruptor de cuchillo.

Nuevamente observe como cambia la temperatura de los bloques de aluminio.

La potencia generada en función del tiempo aparecerá con signo negativo en el mismo grafico anterior (“POWER”). El área bajo esta curva representa la energía generada por la máquina térmica que es disipada en la resistencia eléctrica. La ventana “Heat Engine” muestra el calor que fluye fuera del reservorio caliente ( $Q_{hot}$ ) y el calor que fluye hacia el reservorio frío ( $Q_{cold}$ ).

5. Continúe con el registro de los datos hasta que los bloques de aluminio se encuentren a la misma temperatura. En ese instante detenga el registro de los datos.

Análisis

Modo Bomba de Calor:

En el modo bomba de calor, el aparato Peltier realiza trabajo para bombear el calor desde el reservorio frío hacia el reservorio caliente, tal como se representa en la figura 5.

Se Define:

$W$ = Trabajo entregado al aparato Peltier (área bajo la curva “POWER” en el periodo de tiempo que el sistema operó en el modo bomba de calor).

$Q_{hot}$ = Calor bombeado hacia el interior del reservorio caliente.

$Q_{cold}$ = Calor bombeado hacia afuera del reservorio frío.

De la 1ª Ley de la Termodinámica se tiene:

$Q_{hot}=Q_{cold} + W \qquad\qquad\qquad (3)$

1. ¿Dónde va el calor bombeado fuera del reservorio frío?, ¿De dónde proviene el calor bombeado hacia el interior del reservorio caliente?,

¿Porqué se bombea más calor hacia el interior del reservorio caliente que el bombeado fuera del reservorio frío?

2. Compare los valores observados de ( $Q_{cold} + W$ ) y $Q_{hot}$ . Si no son iguales, ¿Dónde se va esta “Energía Perdida”?

3. Escriba una ecuación en términos de la Energía perdida ( $E_{lost}$ ), y las cantidades observadas de $W$ , $Q_{cold}$ y $Q_{hot}$ .

Modo Máquina Térmica

En el modo máquina térmica (figura 6) el calor fluye hacia fuera del reservorio caliente, parte de este calor es convertido en trabajo y el resto del calor fluye hacia el reservorio frío. Se Define:

$W$ = trabajo realizado por la máquina de calor (área bajo la curva “POTENCIA” en el periodo de tiempo en que el sistema operó en el modo máquina térmica).

$Q_{cold}$ = Calor que fluye hacia el interior del reservorio frío.

$Q_{hot}$ = Calor que fluye hacia afuera del reservorio caliente.

De la 1ª Ley de la Termodinámica se tiene:

$W = Q_{hot} - Q_{cold} \qquad\qquad\qquad (4)$

4. Compare el valor del trabajo medido, $W$ con la cantidad $Q_{hot} - Q_{cold}$ . ¿Son iguales?

5. En una máquina de calor real, solo parte del calor que fluye hacia fuera del sistema de reservorios ( $Q_{hot} - Q_{cold}$ ) es convertida en trabajo útil. En este experimento el trabajo medido (trabajo útil) fue el trabajo hecho sobre la resistencia eléctrica. ¿Puede usted cuantificar la energía que es extraída del reservorio caliente ( $Q_{hot}$ ) considerando solo los términos $W$ y $Q_{cold}$ ? Si hay pérdidas de energía, ¿cuales son?

6. Calcule el porcentaje del flujo de calor neto de los bloques de aluminio que fue convertido en trabajo útil.

7. Escriba una ecuación en términos de “energía perdida”, Elost, y los valores medidos de, $W$ , $Q_{cold}$ y $Q_{hot}$ .

8. En éste experimento el “trabajo útil” fue el trabajo hecho por la carga del resistor. ¿Cuál fue el resultado del trabajo hecho en el resistor?, ¿Cómo podría Ud. modificar el circuito para hacer mejor uso del trabajo hecho por la máquina térmica?

Conservación de la energía

En la fase del ciclo bomba de calor, la potencia suministrada entrega energía al interior del sistema. Entonces en el modo Máquina térmica, el calor fluye hacia fuera del reservorio caliente y parte de éste es convertido en energía eléctrica el cual fue suministrado a la carga del resistor.

9. Calcule el porcentaje de energía entregada durante la fase Bomba de Calor que fue luego recuperada como trabajo útil durante la fase Máquina de Calor.

10. ¿Es esta una buena manera de almacenar energía? Justifique su respuesta.

11. Indique como es posible cuantificar la energía perdida a través de los aislantes térmicos puestos en los bloques de aluminio. Indique como debería ser realizado este cálculo.

Transferencia de Energía en un Aparato Peltier (Fis 152)

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