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Por que os efeitos termoelétricos da maioria dos materiais não são fortes o suficiente? A verdade foi revelada!
À medida que a tecnologia de conversão de energia recebe cada vez mais atenção hoje, os materiais termoelétricos tornaram-se o foco da pesquisa. Esses materiais podem converter energia térmica em energia elétrica e vice-versa, oferecendo aplicações potenciais em recuperação de energia e sistemas de refrigeração. Contudo, por que os efeitos termoelétricos da maioria dos materiais ainda não atendem às necessidades das aplicações práticas? Este artigo revelará a verdade, bem como os desafios atuais e as direções de desenvolvimento dos materiais termoelétricos.
O efeito termoelétrico refere-se ao fenômeno no qual diferenças de temperatura produzem diferenças de potencial ou correntes produzem diferenças de temperatura.
Conceitos básicos de efeito termoelétrico
O efeito termoelétrico abrange três fenômenos principais: efeito Seebeck, efeito Peltier e efeito Thomson. A aplicação destes três efeitos amplia muito as possibilidades de conversão de energia. No entanto, embora todos os materiais tenham um efeito termoelétrico diferente de zero, o efeito é demasiado pequeno para que a maioria seja útil em aplicações práticas.
Vantagens e utilizações dos materiais termoelétricos
Atualmente, o material termoelétrico mais utilizado é uma liga à base de telureto de antimônio (Bi2Te3), que se destaca em aplicações de nicho, como resfriamento e recuperação de energia. Com pesquisas aprofundadas sobre materiais termoelétricos, descobriu-se que materiais termoelétricos eficientes precisam ter três condições básicas: alta condutividade elétrica, baixa condutividade térmica e alto coeficiente de Seebeck.
Desafios de eficiência de materiais: o compromisso entre condutividade térmica e condutividade elétrica
Ao explorar materiais termoelétricos, um desafio importante é a competição entre condutividade elétrica e térmica. De acordo com a lei de Widmann-Franz, um aumento na condutividade elétrica costuma ser acompanhado por um aumento na condutividade térmica, o que dificulta que o efeito termoelétrico do material atinja um estado ideal. A pesquisa atual se concentra em como otimizar essas propriedades para melhorar a figura de mérito termoelétrico (Z) do material.
Para melhorar as propriedades termoelétricas dos materiais, os pesquisadores exploraram a possibilidade de novos materiais, como ligas, cristais complexos e nanocompósitos.
Eficiência do dispositivo e efeito termoelétrico
A eficiência de um dispositivo termoelétrico depende das propriedades do material em uma temperatura específica, incluindo condutividade elétrica, condutividade térmica e coeficiente de Seebeck. Em dispositivos reais, geralmente é usada uma combinação de materiais do tipo n e do tipo p, o que aumenta ainda mais a complexidade do sistema. Idealmente, as propriedades de ambos os materiais deveriam permanecer estáveis na mesma faixa de temperatura, mas isso geralmente não é o caso.
Fator de qualidade de materiais termoelétricos
O fator de qualidade de um material reflete sua eficiência potencial Os pesquisadores estão tentando melhorar a eficiência da conversão termoelétrica aumentando a densidade do estado dos elétrons e reduzindo a condutividade térmica da rede. Este processo exige que o material se comporte como um cristal durante a transmissão de elétrons e vítreo durante a transmissão de fônons, um conceito conhecido como "cristais eletrônicos de vidro fônon".
Direções de pesquisas futuras
Com o avanço da ciência e da tecnologia, o desenvolvimento de materiais termoelétricos continua avançando em direção a materiais convencionais avançados e sistemas de baixa dimensão. O potencial desses materiais para reduzir a condutividade térmica da rede os torna essenciais para futuros sistemas termoelétricos. No processo de exploração de novos materiais, os cientistas também considerarão como alcançar maior eficiência e estabilidade em diversas aplicações possíveis.
"Seja em pesquisa básica ou em níveis de aplicação específicos, o potencial dos materiais termoelétricos ainda merece uma exploração mais aprofundada."
Embora os materiais termoelétricos tenham mostrado sua importância na tecnologia atual, eles ainda enfrentam vários desafios. O que deixa as pessoas curiosas é: a inovação tecnológica futura poderá romper essas limitações e melhorar a praticidade e a economia dos materiais termoelétricos?
