Che un dispositivo di raffreddamento Termoelettrico è DAVVERO Buono Per…
- Roger Stout
favole… macchine per il moto perpetuo… Non tutte le favole sono macchine per il moto perpetuo, ma tutte le macchine per il moto perpetuo sono certamente fiabe. Prima di entrare nello specifico dei refrigeratori termoelettrici, tuttavia, sembra opportuno preparare il terreno per questa particolare categoria di fiabe.
Esistono due tipi classici di “macchine” a moto perpetuo, chiamate (non in modo creativo) “tipo 1” e “tipo 2” (o ugualmente creativamente, macchine del “1 ° tipo” e “2 ° tipo”). Le macchine di tipo 1 sono quelle che più probabilmente ti sono immediatamente familiari. Violano la Prima Legge della Termodinamica, che afferma che l’energia non può essere creata o distrutta, solo trasformata da una forma all’altra. Tipicamente, le macchine di tipo 1 comportano una sorta di meccanismo rotante che attraverso un design apparentemente intelligente riesce ad avere sempre una coppia generata in una direzione costante (o forse alterna la direzione, ma con una media che favorisce una direzione). In assenza di attrito (o di un carico), si muoverebbero per sempre senza alcuna aggiunta di energia. Le macchine di tipo 1 sono così facili da trovare che l’Ufficio brevetti degli Stati Uniti non accetterà domande per macchine di questo tipo senza un modello funzionante. Nei rari casi in cui ne viene fornito uno, la” intelligenza ” risiede invariabilmente nel nascondere una piccola fonte di energia da qualche parte, e il compito del funzionario dei brevetti è quello di essere più intelligente dell’inventore e trovarlo! Gli esempi più eclatanti di macchine di tipo 1 sono dove l’inventore afferma effettivamente di guidare un carico anche se non esiste una fonte di energia per la macchina. Gli esempi più sneakier non nascondono il fatto che hanno una fonte di energia, affermano semplicemente di fornire più energia di quella che prendono. Ad esempio, alcuni anni fa mi è stato chiesto di valutare il “generatore di zero-cogging a energia libera” che sosteneva di fornire più energia elettrica rispetto alla turbina eolica di guida. (In questo caso, credo che l’inventore non fosse intenzionalmente ingannevole, ma era tristemente ignorante su come misurare l’energia elettrica!)
Le macchine di tipo 2 sono più sottili. Violano la Seconda Legge della Termodinamica, che afferma che l’entropia non può essere ridotta (in un sistema chiuso). L’entropia è un concetto un po ‘ difficile da afferrare, per non parlare di quantificare, ma molto spesso può essere ridotto nella semplice osservazione che il calore non può mai fluire passivamente da un luogo più freddo a un luogo più caldo. Se ciò sembra accadere, hai perso qualcosa di cruciale, oppure hai una macchina a moto perpetuo di tipo 2 in buona fede. Ricordo (in modo imbarazzante) un esame sul mio primo corso di termodinamica universitario. Ci è stato chiesto di valutare una cosa curiosa (e dal suono di pesce) chiamata “vortex tube”.”In un tubo a vortice, l’aria compressa viene fornita alla base di un tubo a forma di T, e, sorprendentemente, l’aria fredda esce da un ramo del T, e l’aria calda esce dall’altro ramo del T. Ero abbastanza sospettoso da capire che ciò implicava che in qualche modo una certa energia si stava muovendo” in salita” dalla temperatura del flusso in entrata al ramo di uscita più caldo. La dichiarazione del problema era molto specifica e includeva portate massiche, temperature e pressioni, quindi ho proceduto a fare i calcoli mostrando che anche se non veniva creata energia netta, l’entropia netta dei flussi d’aria in uscita era inferiore all’entropia del flusso d’aria in entrata, dimostrando così la sua impossibilità. Risulta, tubi di vortice sono una cosa reale! Avevo fatto un errore di calcolo, anche se il professore è stato abbastanza generoso da concedermi un credito parziale per aver almeno pensato di cercare una violazione della 2a legge. Il mio punto qui è che la 2a legge deve essere considerata ogni volta che stai cercando di “pompare” energia da un luogo freddo a un luogo più caldo.
Inserire i dispositivi di raffreddamento termoelettrici (o TEC). Questi sono piccoli gadget intelligenti che utilizzano l’effetto Peltier ben consolidato. Sono un po ‘ come termocoppie inverse. Probabilmente li hai visti da qualche parte sotto forma di un refrigeratore di birra o qualcosa di simile. Ovviamente funzionano (e sono stati brevettati). Una delle cose più niftiest su di loro è che non hanno parti in movimento e può essere totalmente silenzioso. Si applica l’elettricità ai terminali del dispositivo e un “lato” del gadget si raffredda (l’ “interno” nel caso di un frigorifero RV), mentre contemporaneamente l’altro lato (o esterno) si scalda. Ovviamente, se la temperatura dell’ambiente circostante è da qualche parte tra questi due estremi di temperatura, il calore fluirà necessariamente dal lato caldo all’ambiente e il calore fluirà nel lato freddo del dispositivo dall’ambiente (o qualunque cosa stia toccando, ad esempio la tua birra). Se stai prestando attenzione, concluderai due cose: 1) questo potrebbe essere un modo davvero intelligente di raffreddare l’elettronica senza dover usare ventole o refrigeranti liquidi; e 2) se questo non sta violando la legge 2nd, c’è qualche elemento critico che non abbiamo ancora preso la briga di considerare (e potrebbe morderci alla fine).
Ecco questa cosa: si chiama l’efficienza di Carnot di un motore termico. Nell’applicazione, ti dà una rapida valutazione, in base alle temperature coinvolte, della quantità di calore extra che dovrai aggiungere a un sistema di raffreddamento per spostare parte di quel calore da un luogo più freddo a un luogo più caldo. (In realtà, è ciò che ti permette di evitare di violare la 2a legge). Per motivi di discussione, potrebbe risultare che per spostare 1W da una giunzione, è necessario aggiungere un ulteriore 1 W, il che significa che il dissipatore finale deve rifiutare 2 W all’ambiente invece dell’originale 1 W. Da dove viene l’energia extra? Attraverso quelle belle, silenziose, terminali elettrici. Volt applicato volte ampere fornito uguale energia extra che non c’era prima.
Sì, ecco il problema! Certo, è possibile creare un refrigeratore Peltier in miniatura e abbassare la temperatura di giunzione (Tj, l ‘”interno” di un componente elettronico) a qualcosa di più fresco rispetto all’ambiente circostante, o anche – non siamo avidi – basta renderlo più basso di quanto non fosse senza il refrigeratore! Il problema è che quando accendi il dispositivo di raffreddamento aggiungerai energia al sistema generale per ottenere quel Tj più basso. Dal punto di vista di un analista termico su scala macro, questa è di solito la cosa sbagliata da fare, perché il più delle volte, stavi già avendo problemi a ottenere tutto il calore dal tuo sistema in primo luogo. (In effetti, questo problema è il motivo per cui il tuo Tj era più caldo di quanto volessi iniziare.) Ad esempio, la resistenza della scheda PC potrebbe essere inferiore di 2 volte rispetto a prima (diffusore di calore più grande, ventola più grande, ecc.), per respingere il calore aggiunto dal refrigeratore al fine di ottenere il Tj inferiore. Ma se potessi farlo, allora avresti dovuto farlo – in altre parole, senza aggiungere il dispositivo di raffreddamento-e avresti comunque abbassato il tuo Tj!
Ora posso pensare a un paio di situazioni in cui un TEC potrebbe essere una scelta eccellente, ma devi essere molto sicuro dei tuoi calcoli. Il primo è, quando hai una concentrazione di calore molto piccola, localizzata, e puoi permetterti di abbassare la temperatura di quel punto a scapito del riscaldamento di tutto il resto intorno ad esso solo un po’. Il secondo è, quando è effettivamente necessario controllare la temperatura di un dispositivo specifico all’interno di un sistema elettronico, ad esempio, un sensore di immagine (dove la cosiddetta “corrente scura” è un problema serio e sale rapidamente con la temperatura). In quest’ultimo caso, devi avere un margine nel “budget termico” del tuo sistema, perché dal punto di vista del sistema dovrai liberarti di un po’ di calore in più.
Il mio consiglio è di pensare molto attentamente se un TEC è davvero la cosa giusta per il tuo problema di raffreddamento dell’elettronica. E usarlo per raffreddare la birra potrebbe non essere la scelta migliore, se stai cercando di riflettere attentamente sul raffreddamento della tua elettronica! Tu sei il giudice!