Hiệu ứng Peltier-Seebeck (Peltier-Seebeck Effect)

Hiệu ứng Seebeck

Hiệu ứng Seebeck mô tả việc tạo ra một điện áp (hay sức điện động – SEM) khi có chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm nối của hai vật liệu dẫn điện khác nhau. Hiệu ứng này là cơ sở hoạt động của các cặp nhiệt điện. Khi hai kim loại khác nhau được nối với nhau tại hai điểm và hai điểm nối này được duy trì ở hai nhiệt độ khác nhau, một điện áp $V$ sẽ xuất hiện tỷ lệ với chênh lệch nhiệt độ $\Delta T$:

$V = S \Delta T$

trong đó $S$ là hệ số Seebeck, một hằng số phụ thuộc vào vật liệu. Hệ số Seebeck thường được đo bằng đơn vị $\mu V/K$ (microvolt trên Kelvin). Nói cách khác, hiệu ứng Seebeck là sự chuyển đổi trực tiếp từ chênh lệch nhiệt độ thành điện áp. Sự chênh lệch nhiệt độ gây ra sự khuếch tán của các hạt mang điện (electron hoặc lỗ trống) từ vùng nóng sang vùng lạnh, tạo ra một điện trường và do đó là một điện áp. Hiệu ứng Seebeck được ứng dụng rộng rãi trong việc đo nhiệt độ, đặc biệt là trong các môi trường khắc nghiệt hoặc khó tiếp cận.

Hiệu ứng Peltier

Hiệu ứng Peltier mô tả sự hấp thụ hoặc tỏa nhiệt tại điểm nối của hai vật liệu dẫn điện khác nhau khi có dòng điện chạy qua. Khi một dòng điện $I$ chạy qua điểm nối của hai vật liệu khác nhau, một lượng nhiệt $Q$ sẽ được sinh ra hoặc hấp thụ tại điểm nối đó:

$Q = \Pi I$

trong đó $\Pi$ là hệ số Peltier, một hằng số phụ thuộc vào vật liệu. Hệ số Peltier thể hiện lượng nhiệt được hấp thụ hoặc tỏa ra trên một đơn vị dòng điện. Hệ số Peltier cũng có liên hệ với hệ số Seebeck thông qua nhiệt độ tuyệt đối $T$:

$\Pi = ST$

Nói cách khác, hiệu ứng Peltier là sự chuyển đổi trực tiếp năng lượng điện thành nhiệt năng hoặc ngược lại. Khi dòng điện chạy qua mối nối, các hạt mang điện (electron hoặc lỗ trống) sẽ mang theo năng lượng nhiệt. Tùy thuộc vào chiều của dòng điện và loại vật liệu, năng lượng này có thể được hấp thụ hoặc tỏa ra tại mối nối, dẫn đến việc làm mát hoặc làm nóng.

Mối liên hệ giữa hai hiệu ứng

Hiệu ứng Seebeck và Peltier là hai mặt của cùng một hiện tượng vật lý. Chúng thể hiện mối quan hệ tương hỗ giữa nhiệt và điện trong vật liệu. Hiệu ứng Seebeck chuyển đổi chênh lệch nhiệt độ thành điện áp, trong khi hiệu ứng Peltier chuyển đổi dòng điện thành nhiệt hoặc ngược lại (tùy thuộc vào chiều dòng điện). Có thể hiểu hiệu ứng Seebeck là hiệu ứng ngược của hiệu ứng Peltier.

Ứng dụng

Hiệu ứng Peltier-Seebeck có nhiều ứng dụng trong thực tế, bao gồm:

• Cặp nhiệt điện: Dùng để đo nhiệt độ dựa trên hiệu ứng Seebeck.
• Máy phát điện nhiệt điện: Chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng. Ứng dụng trong việc tận dụng nhiệt thải công nghiệp, năng lượng mặt trời, v.v.
• Bộ làm mát/Bộ gia nhiệt nhiệt điện (TEC – Thermoelectric Cooler): Sử dụng hiệu ứng Peltier để tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ, ứng dụng trong làm mát CPU, tủ lạnh mini, v.v. Ưu điểm của TEC là kích thước nhỏ gọn, không sử dụng chất làm lạnh và có thể điều chỉnh nhiệt độ chính xác. Tuy nhiên, nhược điểm là hiệu suất năng lượng còn hạn chế so với các công nghệ làm mát truyền thống.
• Cảm biến nhiệt độ: Đo nhiệt độ dựa trên sự thay đổi điện áp do hiệu ứng Seebeck.

Hạn chế

Mặc dù có nhiều ứng dụng tiềm năng, hiệu ứng Peltier-Seebeck vẫn còn một số hạn chế:

• Hiệu suất thấp: Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của các thiết bị dựa trên hiệu ứng Peltier-Seebeck thường thấp hơn so với các phương pháp truyền thống. Điều này làm hạn chế việc ứng dụng rộng rãi của công nghệ này trong các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao.
• Giá thành: Một số vật liệu nhiệt điện có giá thành cao, đặc biệt là các vật liệu có hiệu suất cao. Yếu tố này cũng góp phần làm tăng chi phí sản xuất các thiết bị nhiệt điện.
• Độ bền: Tuổi thọ của một số thiết bị nhiệt điện có thể bị hạn chế, đặc biệt là khi hoạt động ở nhiệt độ cao.

Hiệu ứng Peltier-Seebeck là một hiện tượng vật lý quan trọng với nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực năng lượng và cảm biến. Việc nghiên cứu và phát triển vật liệu nhiệt điện mới với hiệu suất cao hơn và giá thành thấp hơn sẽ mở ra nhiều cơ hội ứng dụng rộng rãi hơn trong tương lai.

Vật liệu nhiệt điện

Hiệu suất của các thiết bị dựa trên hiệu ứng Peltier-Seebeck phụ thuộc mạnh mẽ vào vật liệu được sử dụng. Một vật liệu nhiệt điện tốt cần có hệ số Seebeck cao, điện trở suất thấp và độ dẫn nhiệt thấp. Điều này cho phép tạo ra điện áp lớn từ chênh lệch nhiệt độ nhỏ và giảm thiểu tổn thất năng lượng do nhiệt truyền dẫn. Mục tiêu là tìm kiếm vật liệu có khả năng tối ưu hóa cả ba yếu tố này. Một số vật liệu nhiệt điện phổ biến bao gồm:

• Bismut telluride (Bi₂Te₃): Một trong những vật liệu nhiệt điện được sử dụng rộng rãi nhất ở nhiệt độ phòng.
• Chì telluride (PbTe): Hiệu quả ở nhiệt độ cao hơn.
• Hợp kim silicon-germanium (SiGe): Thường được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao, ví dụ như trong tàu vũ trụ.
• Skutterudites: Một loại vật liệu nhiệt điện phức tạp hơn với tiềm năng hiệu suất cao.
• Half-Heusler: Vật liệu nhiệt điện tiềm năng cho các ứng dụng nhiệt độ cao.

Hình thành hiệu suất

Hiệu suất của vật liệu nhiệt điện được đánh giá bằng hệ số merit $ZT$, được định nghĩa là:

$ZT = \frac{S^2 \sigma T}{\kappa}$

trong đó:

• $S$: Hệ số Seebeck
• $\sigma$: Độ dẫn điện
• $T$: Nhiệt độ tuyệt đối
• $\kappa$: Độ dẫn nhiệt

Giá trị $ZT$ càng cao thì hiệu suất chuyển đổi năng lượng càng tốt. Nâng cao ZT là chìa khóa để cải thiện hiệu suất của thiết bị nhiệt điện. Nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc phát triển vật liệu mới và kỹ thuật chế tạo để tăng giá trị $ZT$. Một số phương pháp bao gồm:

• Nanostructuring: Tạo ra các cấu trúc nano trong vật liệu để giảm độ dẫn nhiệt mà không ảnh hưởng đáng kể đến độ dẫn điện. Phương pháp này nhằm mục đích phân tán phonon hiệu quả hơn mà không làm giảm khả năng di chuyển của electron.
• Doping: Thêm các tạp chất vào vật liệu để thay đổi tính chất điện và nhiệt.
• Hợp kim: Kết hợp các vật liệu khác nhau để tối ưu hóa tính chất nhiệt điện.

Xu hướng nghiên cứu

Nghiên cứu về hiệu ứng Peltier-Seebeck và vật liệu nhiệt điện đang diễn ra sôi nổi, tập trung vào:

• Tìm kiếm vật liệu mới: Phát triển vật liệu có hệ số merit ZT cao hơn.
• Nâng cao hiệu suất: Cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng của các thiết bị nhiệt điện.
• Ứng dụng mới: Mở rộng ứng dụng của hiệu ứng Peltier-Seebeck trong các lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như thu hồi năng lượng từ nhiệt thải, cung cấp năng lượng cho các thiết bị IoT, và phát triển các hệ thống làm mát/sưởi ấm hiệu quả hơn.

• Rowe, D. M. (Ed.). (2018). Thermoelectrics handbook: macro to nano. CRC press.
• Goldsmid, H. J. (2010). Introduction to thermoelectricity. Springer Science & Business Media.
• Nakabeppu, Y., Behnia, K., & Dresselhaus, M. S. (2014). Thermoelectric power factor: Enhancement mechanisms and strategies for higher performance. MRS bulletin, 39(5), 452-458.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài Bi₂Te₃ và PbTe, còn những vật liệu nào khác đang được nghiên cứu cho ứng dụng nhiệt điện và chúng có những ưu điểm gì?

Trả lời: Ngoài Bi₂Te₃ và PbTe, nhiều vật liệu khác đang được nghiên cứu, bao gồm Skutterudites, Half-Heusler, clathrates, oxit kim loại chuyển tiếp và vật liệu dựa trên carbon. Skutterudites và Half-Heusler có tiềm năng hoạt động ở nhiệt độ cao. Clathrates có độ dẫn nhiệt mạng thấp. Oxit kim loại chuyển tiếp có tính ổn định nhiệt tốt và chi phí thấp. Vật liệu dựa trên carbon như graphene và ống nano carbon có độ dẫn điện cao và trọng lượng nhẹ.

Làm thế nào để tối ưu hóa thiết kế của một bộ làm mát nhiệt điện (TEC) để đạt hiệu suất làm mát tốt nhất?

Trả lời: Tối ưu hóa TEC bao gồm việc lựa chọn vật liệu nhiệt điện có ZT cao, thiết kế hình học tối ưu của các phần tử nhiệt điện (ví dụ: chiều dài và tiết diện), tối ưu hóa các lớp tiếp xúc điện và nhiệt, và quản lý dòng điện và điện áp hiệu quả. Việc sử dụng các vật liệu giao diện nhiệt tốt và giảm điện trở tiếp xúc cũng rất quan trọng.

Hệ số merit ZT có giới hạn trên lý thuyết không và những thách thức nào đang cản trở việc đạt được ZT cao hơn?

Trả lời: Mặc dù không có giới hạn trên lý thuyết cứng nhắc cho ZT, việc tăng ZT gặp phải những thách thức do mối quan hệ tương quan giữa các thông số $S$, $σ$ và $κ$. Việc tăng $S$ thường dẫn đến giảm $σ$. Giảm $κ$ mà không ảnh hưởng đến $σ$ là một thách thức lớn. Nghiên cứu tập trung vào việc phá vỡ mối tương quan này thông qua các phương pháp như nanostructuring và kỹ thuật doping.

Hiệu ứng Thomson là gì và nó có liên quan như thế nào đến hiệu ứng Seebeck và Peltier?

Trả lời: Hiệu ứng Thomson mô tả sự hấp thụ hoặc giải phóng nhiệt khi dòng điện chạy qua một vật liệu dẫn điện có gradient nhiệt độ. Nó liên quan đến hiệu ứng Seebeck và Peltier và được coi là hiệu ứng nhiệt điện thứ ba. Mối quan hệ giữa ba hiệu ứng này được mô tả bằng các phương trình nhiệt động lực học và đóng góp vào sự hiểu biết đầy đủ về hiệu ứng Peltier-Seebeck. Hệ số Thomson ($τ$) liên hệ với hệ số Seebeck ($S$) theo công thức: $τ = T \frac{dS}{dT}$.

Ứng dụng tiềm năng nào của hiệu ứng Peltier-Seebeck có thể được phát triển trong tương lai?

Trả lời: Các ứng dụng tiềm năng trong tương lai bao gồm: thu hồi năng lượng nhiệt thải từ các nguồn khác nhau (ví dụ: xe hơi, thiết bị điện tử), tích hợp vào quần áo thông minh để điều chỉnh nhiệt độ cơ thể, phát triển các cảm biến nhiệt độ tự cấp nguồn, và thậm chí cả các ứng dụng y sinh như cung cấp năng lượng cho các thiết bị cấy ghép. Việc phát triển vật liệu mới và thiết kế thiết bị sáng tạo sẽ đóng vai trò then chốt trong việc hiện thực hóa những ứng dụng này.