半導(dǎo)體降溫及能源回收的熱力學(xué)討論

黃臻成 林國淙

(中山大學(xué)物理學(xué)院，廣東 廣州 510275)

學(xué)術(shù)研討論文選登

半導(dǎo)體降溫及能源回收的熱力學(xué)討論

黃臻成 林國淙

(中山大學(xué)物理學(xué)院，廣東 廣州 510275)

研究目的：通過對(duì)半導(dǎo)體降溫及能源回收的討論，把半導(dǎo)體熱電器件作為正循環(huán)熱機(jī)的工作系統(tǒng)引入到熱力學(xué)的教學(xué)中，加深學(xué)生對(duì)熱力學(xué)基本概念和定律的理解；研究方法：以恒溫水浴槽、智能控溫器等構(gòu)建半導(dǎo)體熱電器件降溫及能源回收測試裝置，準(zhǔn)確測定發(fā)熱體的溫度和發(fā)熱功率百分比等參數(shù)，以獲得熱電器件從高溫?zé)嵩吹奈鼰帷⑾虻蜏責(zé)嵩吹姆艧嵋约白龉Φ龋谎芯拷Y(jié)果：當(dāng)半導(dǎo)體熱電器件輸出功率0.63W時(shí)，從發(fā)熱體吸熱6.44W，熱機(jī)的效率為9.8%；當(dāng)熱電器件輸出功率0.43W時(shí)，從發(fā)熱體吸熱4.32W，熱機(jī)的效率為10.0%；研究結(jié)論：熱電器件做功越大，從高溫?zé)嵩次鼰嵩酱螅虻蜏責(zé)嵩捶艧嵩酱螅瑴夭钕嗤瑫r(shí)，熱機(jī)效率相等。該討論的引入在課堂上獲得了良好的反應(yīng)。

熱電器件；熱機(jī)；熱力學(xué)過程；循環(huán)效率

熱力學(xué)第一定律、卡諾循環(huán)、熱力學(xué)第二定律、卡諾定理、熱力學(xué)循環(huán)效率是物理專業(yè)“熱學(xué)”課程和非物理專業(yè)“大學(xué)物理”課程中重要的知識(shí)點(diǎn)[1-2]，也是熱力學(xué)研究的關(guān)注點(diǎn)[3，4]。

對(duì)于正循環(huán)熱機(jī)，設(shè)每一循環(huán)中，高溫?zé)嵩磦鹘o系統(tǒng)的熱量為Q1，系統(tǒng)傳給低溫?zé)嵩吹臒崃繛镼2。對(duì)于任何循環(huán)，內(nèi)能的變化等于零，所以，按熱力學(xué)第一定律有Q=Q1-Q2=A。正循環(huán)熱機(jī)的功能是就是將熱量轉(zhuǎn)化為機(jī)械功[1]。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，正循環(huán)熱機(jī)不能把從高溫?zé)嵩次諄淼臒崃縌1全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械功A，必須將其中的一部分熱量Q2排放給低溫?zé)嵩?見圖1[2])。

圖1 正循環(huán)熱機(jī)的工作示意圖

本文將通過對(duì)半導(dǎo)體降溫及能源回收的討論，把半導(dǎo)體熱電堆作為正循環(huán)熱機(jī)的工作系統(tǒng)引入到物理專業(yè)“熱學(xué)”課程和非物理專業(yè)“大學(xué)物理”課程教學(xué)中，不但讓學(xué)生加深了對(duì)熱力學(xué)基本概念和定律的理解，也引起了學(xué)生對(duì)后續(xù)電磁學(xué)的學(xué)習(xí)以及對(duì)環(huán)保節(jié)能的興趣。

1 實(shí)驗(yàn)方案

圖2 半導(dǎo)體熱電器件降溫及能源回收測試裝置的示意圖

圖2為半導(dǎo)體熱電器件降溫及能源回收測試裝置的示意圖，其中電壓穩(wěn)壓模塊為直流(0.9～5V)-直流USB升壓模塊，可對(duì)鋰電池充電。

為了準(zhǔn)確測量半導(dǎo)體熱電器件降溫及能源回收的效果，圖2中恒溫水浴槽設(shè)定恒溫溫度為0.0℃，以保持環(huán)境溫度的穩(wěn)定；密封膠膜把發(fā)熱體、熱電器件的高溫端、熱電器件、熱電器件的低溫端和熱電偶密封并浸泡在恒溫水浴槽中，以保證電氣絕緣；熱電偶為雙絞線的銅-康銅熱電偶，以排除電磁信號(hào)波動(dòng)的影響；220V交流電源通過熱電偶和智能控溫器對(duì)發(fā)熱體進(jìn)行控溫，發(fā)熱體的溫度和輸入功率百分比由智能控溫器測量并輸入到計(jì)算機(jī)；半導(dǎo)體熱電器件由2片型號(hào)為TEP1-142T300的熱電發(fā)電片串聯(lián)，當(dāng)熱電器件的高溫端與發(fā)熱體接觸，熱電器件的低溫端通過密封膠膜密封浸泡在恒溫水浴槽時(shí)，熱電器件輸出正向電壓。

圖3 控溫器全功率(100%)輸出時(shí)發(fā)熱體溫度隨時(shí)間變化曲線

在智能控溫器全功率(100%)輸出時(shí)測量發(fā)熱體的溫度。在測量過程中，首先熱電回路斷開約10min，熱電器件不做功；然后熱電回路接通約10min，熱電器件做功，這時(shí)測量熱電回路的電流和總阻抗；再使熱電回路斷開約10min，熱電器件不做功；得到的發(fā)熱體的溫度隨時(shí)間變化曲線如圖3所示，可以看出，熱電器件做功時(shí)，發(fā)熱體的溫度明顯下降。

圖3中曲線(a)和曲線(b)對(duì)應(yīng)的熱電回路總電阻分別為6.3Ω(負(fù)載2.5Ω)和9.0Ω(負(fù)載3.5Ω)(半導(dǎo)體熱電器件內(nèi)阻受電流變化影響)。從圖3中可以看出，當(dāng)半導(dǎo)體熱電器件做功，熱電回路總電阻為6.3Ω時(shí)，熱電回路電流為0.53A，熱電器件做功1.8W，發(fā)熱體的溫度由83.9℃下降到79.3℃，下降了4.6℃；當(dāng)半導(dǎo)體熱電器件做功，熱電回路總電阻為9.0Ω時(shí)，熱電回路電流為0.38A，熱電器件做功1.3W，發(fā)熱體的溫度由84.1℃下降到80.4℃，下降了3.7℃。熱電器件做功越大，發(fā)熱體的溫度下降越多，對(duì)應(yīng)的溫差較小，產(chǎn)生的熱電勢較小(熱電回路的熱電勢分別是0.53×6.3=3.34(V)和0.38×9.0=3.42(V))。

為了定量測量半導(dǎo)體熱電器件做功前后從發(fā)熱體吸收的熱量變化，仍采用圖2的半導(dǎo)體熱電器件降溫及能源回收測試裝置，只是改變了智能控溫器對(duì)發(fā)熱體的控溫方式：通過智能控溫器使發(fā)熱體恒溫在75.0℃，并測量智能控溫器輸出到發(fā)熱體的加熱功率百分比。在75.0℃時(shí)，發(fā)熱體全功率工作時(shí)約40W。

圖4 發(fā)熱體恒溫75.0℃時(shí)控溫器輸出功率百分比隨時(shí)間的變化曲線

在測量過程中，首先熱電回路斷開約10min，熱電器件不做功；然后熱電回路接通約10min，熱電器件做功，測量熱電回路的電流和總阻抗；再使熱電回路斷開約10min，熱電器件不做功；得到的發(fā)熱體恒溫75.0℃時(shí)控溫器輸出功率百分比隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示，可以看出，熱電器件做功時(shí)，智能控溫器的輸出功率百分比明顯上升。

圖4中曲線(a)和曲線(b)對(duì)應(yīng)的熱電回路總電阻分別為6.3Ω (負(fù)載2.5Ω)和9.0Ω(負(fù)載3.5Ω)。從圖4中可以看出，當(dāng)半導(dǎo)體熱電器件做功，熱電回路總電阻為6.3Ω時(shí)，熱電回路電流為0.50A，熱電器件做功1.6W，為了使發(fā)熱體恒溫75.0℃，智能控溫器輸出到發(fā)熱體的加熱功率百分比由58.4%上升到74.5%，上升了16.1%，以補(bǔ)充熱量的流失，所以，熱電器件做功1.6W時(shí)，從發(fā)熱體吸收的熱量近似為40W×16.1%=6.44W；當(dāng)半導(dǎo)體熱電器件做功，熱電回路總電阻為9.0Ω時(shí)，熱電回路電流為0.35A，熱電器件做功1.1W，為了使發(fā)熱體恒溫75.0℃，智能控溫器輸出到發(fā)熱體的加熱功率百分比由58.4%上升到69.2%，上升了10.8%，所以，熱電器件做功1.1W時(shí)，從發(fā)熱體吸收的熱量近似為40W×10.8%=4.32W。熱電器件做功越大，從發(fā)熱體吸收的熱量越多。

通過以上討論可以看出，半導(dǎo)體熱電器件做功越大，發(fā)熱體的溫度下降越多，從發(fā)熱體吸收的熱量越多，不僅不需要消耗電能對(duì)發(fā)熱體進(jìn)行主動(dòng)降溫，而且在降溫過程可以把熱能轉(zhuǎn)變成電能對(duì)電池充電，對(duì)能量進(jìn)行回收。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在圖1中，正循環(huán)熱機(jī)的工作示意圖應(yīng)用的前提是對(duì)于任何循環(huán)，內(nèi)能的變化等于零，按熱力學(xué)第一定律有Q= Q1-Q2=A。在圖4的實(shí)驗(yàn)中，維持高溫?zé)嵩碩1為75.0℃，低溫?zé)嵩碩2為0.0℃，作為工作系統(tǒng)的半導(dǎo)體器件狀態(tài)不發(fā)生變化，內(nèi)能的變化等于零，按熱力學(xué)第一定律Q=Q1-Q2=A，向低溫?zé)嵩捶艧酫2=Q1-A，向低溫?zé)嵩捶艧岚◤母邷責(zé)嵩吹牟糠治鼰岷蜔犭娖骷旧戆l(fā)熱。由以上數(shù)據(jù)可以得到熱電回路總電阻為6.3Ω時(shí)，向低溫?zé)嵩捶艧酫2=6.44-0.63=5.81(W)；熱電回路總電阻為9.0Ω時(shí)，向低溫?zé)嵩捶艧酫2=4.32-0.43=3.89(W)。從高溫?zé)嵩次鼰嵩酱螅虻蜏責(zé)嵩捶艧嵩酱蟆?/p>

由于恒溫溫水浴槽的熱容足夠大，流動(dòng)性足夠好，向低溫?zé)嵩捶艧岬牟町惒]有影響高低溫?zé)嵩粗g的溫差，在熱電回路總電阻不同的情況下，仍然有相同的熱電勢(0.5×6.3=0.35×9.0=3.15(V))。

3 應(yīng)用前景

目前對(duì)計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備的發(fā)熱芯片主要采用散熱片散熱、風(fēng)扇降溫、水冷降溫、半導(dǎo)體制冷器件降溫等方法進(jìn)行降溫，散熱片散熱需要的空間大，效率低，其他的降溫方法則需要消耗電能，降低電池的續(xù)航能力，不適用于手機(jī)、平板電腦等便攜式電子設(shè)備發(fā)熱芯片的降溫。

手機(jī)、平板電腦等便攜式電子設(shè)備體積小，發(fā)熱芯片主要靠機(jī)殼進(jìn)行散熱，這是一種被動(dòng)降溫的形式，散熱效率低，芯片的發(fā)熱不但使運(yùn)行速度下降，也降低了電池的續(xù)航能力。

使用安裝在發(fā)熱體表面的熱電器件作為工作物質(zhì)，利用發(fā)熱體與環(huán)境的溫差發(fā)電做功，從發(fā)熱體吸熱，向周圍環(huán)境放熱，連接電壓穩(wěn)壓模塊對(duì)電池充電，達(dá)到降低發(fā)熱體溫度并回收發(fā)熱體能源的目的。在實(shí)際應(yīng)用的過程中，由于傳統(tǒng)的塊材熱電臂厚度有限(圖5)，不容易建立較大的溫度差，制備長條膜狀的熱電臂是提高熱電發(fā)電溫差，提高熱電效率的可行方法，并已經(jīng)有較多成功的經(jīng)驗(yàn)(圖6)[5，6]。圖6是熱電薄膜制冷器件，這種結(jié)構(gòu)完全符合以上要求，用以上方法達(dá)到降低發(fā)熱體溫度并回收發(fā)熱體能源的。以上的討論不但讓學(xué)生加深了對(duì)熱力學(xué)基本概念和定律的理解，也引起了學(xué)生對(duì)后續(xù)電磁學(xué)的學(xué)習(xí)以及對(duì)節(jié)能環(huán)保的興趣，在課堂上獲得了良好的反映。

圖5 傳統(tǒng)熱電塊材組成的熱電器件

圖6 熱電薄膜制冷器件[5]

4 結(jié)語

通過對(duì)半導(dǎo)體降溫及能源回收的討論，把半導(dǎo)體熱電器件作為正循環(huán)熱機(jī)的工作系統(tǒng)引入到熱力學(xué)教學(xué)中，討論了熱電器件從高溫?zé)嵩吹奈鼰岷拖虻蜏責(zé)嵩吹姆艧岬取．?dāng)半導(dǎo)體熱電器件輸出功率0.63W時(shí)，從發(fā)熱體吸熱6.44W，熱機(jī)的效率為9.8%；當(dāng)熱電器件輸出功率0.43W時(shí)，從發(fā)熱體吸熱4.32W，熱機(jī)的效率為10.0%。熱電器件做功越大，從高溫?zé)嵩次鼰嵩酱螅虻蜏責(zé)嵩捶艧嵩酱螅瑴夭钕嗤瑫r(shí)，熱機(jī)效率相等。以上的討論以及半導(dǎo)體降溫及能源回收應(yīng)用前景的展示在課堂上獲得了良好的反映。

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THERMODYNAMIC DISCUSSION OF SEMICONDUCTOR COOLING AND ENERGY RECOVERY

Huang Zhencheng Lin Guocong

(School of Physics, Sun Yat-Sen University, Guangzhou Guangdong 510275)

Research objective: When discussed on cooling and energy recovery of semiconductor, semiconductor thermoelectric device acting as a working system of a heat engine was introduced into the teaching of thermodynamics. It’s beneficial for students to understand the basic concepts and laws of thermodynamics. Research method: Constant Temperature Water-bathing, intelligent temperature controller and the like were used to set up a test system for temperature reduction and energy recovery of a semiconductor thermoelectric device. The system can accurately determine the temperature of the heating body and the percentage of heating power. Then the heat absorbed from the high temperature source, the heat released to the low temperature source, and the work of the thermoelectric device can be obtained. Research results: When the output power of the semiconductor thermoelectric device is 0.63W, the heat absorbed from the high temperature source is 6.44W, and the efficiency of the heat engine is 9.8%. When the output power of the thermoelectric device is 0.43W, the heat absorbed from the high temperature source is 4.32W, and the efficiency of the heat engine is 10%. Research conclusion: The greater the work of the thermoelectric device, the greater the heat absorbed from the high temperature source, the greater the heat released to the low temperature source. The same temperature difference, the heat engine efficiency is equal. The above discussion in the course won a good response from the students.

thermoelectric device; heat engine; thermodynamic process; cycle efficiency

2017-07-08

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2014A010104009)；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：201500010143)。

林國淙，男，副教授，主要從事凝聚態(tài)物理研究及物理基礎(chǔ)課程教學(xué)，曾主持國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目，廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目，主講固體物理、熱學(xué)、材料科學(xué)與工程導(dǎo)論、大學(xué)物理等課程，stslgc@mail.sysu.edu.cn。

黃臻成，林國淙. 半導(dǎo)體降溫及能源回收的熱力學(xué)討論[J]. 物理與工程，2017，27(5)：61-64,70.