Cuando hace un par de días hablamos sobre la historia de la nevera, Iñigo sugirió dedicar un artículo a una forma de refrigeración diferente a la que usan la mayor parte de los frigoríficos (que es la refrigeración por compresión que describimos en el artículo). Esa forma alternativa de refrigeración se basa en un efecto termoeléctrico fascinante, el llamado Efecto Peltier, al que está dedicado esta entrada. ¿Quieres saber cómo enfriar algo utilizando simplemente una corriente eléctrica? Pues sigue leyendo.
Si eres lector habitual, estás acostumbrado a estos avisos, pero si no lo eres, ten en cuenta la filosofía de El Tamiz: “Antes simplista que incomprensible”. Voy a realizar simplificaciones para hacer el asunto comprensible a los legos en la materia. Si eres un experto en termoelectricidad, puede que rechines los dientes mientras lees este artículo, pero si eres un experto en termoelectricidad, ¿qué diablos estás haciendo leyendo un artículo introductorio como éste?
Antes de ir directamente al Efecto Peltier, te pido un poco de paciencia mientras establecemos algunas analogías que me permitan explicar en qué consiste, a partir de cómo se comportan los electrones en un conductor:
Como probablemente sabes, cuando un conductor es recorrido por una corriente eléctrica, hay electrones que se mueven por el conductor. Esos electrones no son libres: si quisiéramos arrancarlos del conductor, haría falta que gastásemos energía para liberarlos. Dependiendo de la naturaleza del conductor, los electrones de su interior están más o menos “atrapados” en el material.
Puedes imaginarlo de esta manera: un electrón en el interior de un conductor es como una canica en el interior de un cuenco. Para sacar el electrón del material (o la canica del cuenco) hace falta realizar un trabajo. Algunos materiales son “cuencos profundos”, y los electrones en su interior están muy “amarrados”: tienen muy poca energía, y hace falta mucho trabajo para liberarlos. Otros son “cuencos llanos”, y con dar un poco de energía a sus electrones, escapan del conductor.
Bien, ahora piensa en un conductor por el que circula una corriente eléctrica: los electrones se están moviendo. En la analogía de la canica, ahora el conductor no es un cuenco: es una especie de surco en el suelo, por el que se mueven los electrones. Que los electrones se muevan por él no quiere decir que sean libres: no pueden salir del conductor salvo que alguien les dé energía (los “saque del surco” de un empujón).
Llegamos ahora al quid de la cuestión. Supón que no tengo un solo conductor sino dos conductores diferentes, el conductor “verde” y el conductor “rojo”. Y supón que ambos conductores no “amarran” los electrones igual de intensamente: el conductor verde es un cuenco (o un surco, cuando los electrones se mueven) muy profundo, es decir, los electrones en el conductor verde tienen muy poca energía. Pero el conductor rojo es menos avaro con sus electrones, es un “cuenco poco profundo”, y los electrones que circulan por él tienen más energía – haría falta poco trabajo para arrancarlos de él.
Si conectamos estos dos conductores (uno cuyos electrones tienen muy poca energía, y otro cuyos electrones tienen más energía) uno a continuación del otro, y a una pila, de modo que por ellos circule la corriente eléctrica (como se muestra en la figura), ocurre algo en apariencia extrañísimo:
Un electrón que circula por el conductor verde tiene muy poca energía, y llega un momento en el que tiene que pasar al conductor rojo. Es como si una canica fuera por un surco muy profundo y se encontrase con una “cuesta arriba” que lo conecta con un surco menos profundo. Lo que sucede entonces es lo mismo que sucedería con la canica: según ésta sube la cuesta, gana energía potencial pero pierde energía cinética, es decir, cuando llega arriba se mueve más despacio de lo que hacía abajo.
Al electrón le sucede exactamente lo mismo: cuando pasa del conductor verde (donde su energía potencial eléctrica es muy pequeña) al conductor rojo (donde tiene más energía potencial eléctrica) se mueve más despacio. Pero, puesto que la temperatura es una medida de la energía cinética media de las partículas que componen un material (y los electrones son unas de esas partículas), como consecuencia lógica e inevitable la temperatura de la zona de transición de un conductor a otro desciende. ¡Se enfría! Esto fue observado por primera vez por el francés Jean Peltier en 1834, y por eso lleva su nombre.
Pero ¿qué sucede al revés, cuando el electrón que se mueve despacio y va por un “surco poco profundo” pase del conductor rojo al verde? Pues, evidentemente, justo lo contrario: según “baja la cuesta” y cae hacia el conductor verde, donde su energía pootencial eléctrica es menor, se acelera. Y, como consecuencia, la temperatura de la “cuesta abajo” aumenta.
Al final lo que sucede es que se tiene un circuito cerrado, una de cuyas mitades está más caliente que la otra: de hecho, una está más fría que la temperatura ambiente y la otra está más caliente (cuantos más electrones recorran el circuito, mayor diferencia de temperatura). Al igual que en los sistemas de refrigeración por compresión de los que hablamos antes, ocurre algo muy raro y que parece antinatural: donde antes no había una diferencia de temperatura, ahora la hay, como consecuencia de que la temperatura no sea otra cosa que una medida de cómo de rápido se mueven las partículas de un material.
Es posible utilizar este efecto para construir un sistema de refrigeración, denominado refrigerador Peltier o refrigerador termoeléctrico, que consiga enfriar algo simplemente con una corriente eléctrica. Los dos conductores pueden ser dos metales, o dos semiconductores (uno de tipo n y otro de tipo p). A diferencia de la refrigeración en una nevera, no hay partes móviles, no hay líquido refrigerante, no hay bombas. Ésa es la ventaja fundamental de un refrigerador Peltier.
Refrigerador Peltier.
Pero, como bien sabes, nuestras neveras no suelen usar este efecto. La razón, por supuesto, es que es de una eficiencia minúscula. Para empezar, la diferencia de energía de los electrones entre los dos conductores (sean cuales sean) no es muy grande, de modo que hace falta una enorme cantidad de electrones recorriendo el circuito para que se note una diferencia de temperatura apreciable: es decir, hace falta una gran intensidad de corriente…y, como probablemente sabes, eso calienta el circuito (tanto uno como otro conductor) por el efecto Joule, lo cual hace que la parte fría ya no esté tan fría. Además, hace falta disipar el calor desprendido por la parte caliente del circuito (por ejemplo, con ventiladores o con refrigeración por agua), lo cual también utiliza energía.
Al final, un refrigerador Peltier tiene un rendimiento del 5-10% del máximo teórico (el de un refrigerador de Carnot), mientras que el refrigerador de tu nevera tiene un 40-60% del maximo teórico. Es decir, que los refrigeradores Peltier son unas 6-8 veces menos eficaces que los de compresión. Sin embargo, son útiles en muchas situaciones: por ejemplo, pequeñas neveras para acampada (pues un Peltier ocupa muy poco sitio) o sistemas de refrigeración de circuitos electrónicos (por la misma razón). También se emplea en naves espaciales y satélites para enfriar la parte del aparato que recibe la luz solar (la parte caliente del circuito se sitúa en la cara oscura de la nave, para que irradie calor al espacio).
Por cierto, esto puede sonar aún más raro, pero puede usarse un circuito así para hacer justo lo contrario: calentar un conductor y enfriar el otro… ¡para producir una corriente eléctrica! Esto se denomina Efecto Seebeck, pero eso es harina de otro costal o, en este caso, de otro artículo.
Para saber más: Efecto Peltier, How is heat transported by a Peltier Junction, The Heatsink Guide (Peltier).
The ¿Qué es el Efecto Peltier? by Pedro Gómez-Esteban, unless otherwise expressly stated, is licensed under a Creative Commons Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 2.5 Spain License.
{ 20 } Comentarios
Ya conocia los cacharros estos pero no sabía como funcionaban. Muy interesante. Pero lo que más me ha intrigado es lo del Efecto Seebeck :S
No problem, para eso estamos…artículo del Efecto Seebeck en el horizonte
También me apetece escribir uno sobre los motores Stirling, que tiene algo que ver.
Si la esquizofrenia por hacer tantas cosas a la vez no me convierte en un vegetal babeante, claro.
Muy interesante. Desde luego explicado así parece fácil y todo.
Había oído hablar antes de células Peltier para refrigerar microprocesadores, y según tengo entendido(no se si es correcto), cuanto más enfríes la parte caliente del circuito mas se enfriará la parte de por si fría.
Esto me plantea una duda, ¿no sería posible “apilar” estos tipos de refrigeradores para conseguir un mayor rendimiento?
fuska,
Sí, es correcto – dentro de un orden, claro -. El efecto crea una diferencia de temperatura, de modo que cuanto mejor disipes el calor en la parte caliente, más fría estará la fría (pues los electrones de la parte caliente están más fríos si disipas el calor ahí, y cuando “suben la cuesta” a la parte fría, están aún más fríos).
Lo que preguntas tiene bastante sentido: con varios Peltier “apilados” de poca potencia reducirías el efecto Joule al repartir la corriente, y tal vez pudieras lograr una temperatura equivalente a la de un solo refrigerador más potente gastando algo menos de energía. Pero supongo que dependería de cómo de bien pudieras transferir el calor del extremo caliente de uno al frío del otro. La verdad es que no sé lo suficiente sobre los detalles técnicos como para responderte con fiabilidad – lo mío es el principio teórico
Supongo que el tamaño de los conductores es simétrico, ¿tiene algún efecto que uno de los 2 sea mas largo que el otro? ¡Saludos a todos!
Ricardo,
No hace falta que sean igual de largos, como el calentamiento y enfriamiento se producen en la interfaz entre ellos, se siguen enfriando y calentando las mismas zonas y en la misma cantidad.
Sólo hay un detalle diferente, no por la asimetría sino por la longitud – cuanto más largo es un cable, más energía se pierde en él por efecto Joule, de modo que es mejor que sean cortos (mientras las zonas caliente y fría estén suficientemente separadas).
Nunca había oido hablar de este efecto. Es muy interesante, digno de investigación, sobre todo en el campo de la refrigeración de microprocesadores, debido al poco espacio que requiere.
realmente interesante el asunto, no conocía esos aparaticos. por estas tierras no los venden o quizás en lugares muy reservados… excelente articulo definitivamente.
Fenomenal, Pedro, como siempre.
La verdad es que hace años ya utilicé una célula peltier en la época en que me dedicaba al “overclocking” y demás aficiones frikis que con el tiempo he ido dejando. Efectivamente, la célula se enfriaba un montón por el lado del procesador, pero también se calentaba una barbaridad por el otro lado.
El efecto era que la caja del ordenador se calentaba todavía más (a fin de cuentas estábamos haciendo gastar más potencia al sistema) y no había mejora evidente (tal vez con un tubo directo al exterior con un ventilador en la zona de la peltier sí, pero no era el caso.
Al final el uso de peltier se quedó en una moda pasajera y ahora las CPUs se vuelve a refrigerar como siempre: un gran disipador, una buena circulación de aire y masilla termoconductora para mejorar la transferencia entre CPU y disipador (bueno, y en determinados casos circuitos cerrados de agua o aceite por ser mejores conductores de calor que el aire)
hola..muy interesante lo que lei de celdas Peltier..Una pregunta como hago para elgir una celda peltier si quiero enfriar un ambiente de una caja de madera que tiene: largo:4mm , ancho 3.8mm, y alto 2,5 mm. Que debo tener en cuenta?? Espero tu respuesta ya que estoy haciendo un trabajo.. Gracias
amalia,
Lo siento, pero el objetivo del artículo es divulgativo, y cosas tan concretas como las que preguntas deberías buscarlas en textos más técnicos.
tengo tiempo tratando de conseguir celdas peltier, ayudenme, donde las puedo conseguir soi de cd, obregon. sonora mexico,por envio? o algo asi…
Muy interesante y facil de entender el artículo. Un dato interesante es que se esta utilizando este principio físico para las reacciones de polimerasa, en biología molecular. Los termocicladores utilizan este principio para desnaturalizar y renaturalizar el DNA y así llevar a cabo el PCR. Me interesaria saber si alguien tiene un esquema, dibujo o información sobre estos termocicladores.
Hola Pedro. Soy un gran fan del tamiz enhorabuena por tu trabajo.
Una pregunta, espero que comprendas mi razonamiento, así como el método de Faraday se puede llevar a escala pequeña (electrones) creando el llamado efecto Peltier; ¿No se podría aplicar el efecto inverso al Peltier, el Seebeck, de nuevo a gran escala? Es decir, aprovechar las diferencias de presión de lugares diferentes para producir energía. Tu respuesta será: “Sí, es lo que hacen los parque eólicos…etc.” No, me refiero aprovechar la presión del fondo marino para “volatilizar” ese agua en un medio muy poco denso.
Espero que no suene demasiado a ciencia ficción, es algo que planteo en serio.
Tannerin, pero no se trata de diferencias de presión, sino de temperatura
Sí, el efecto Seebeck puede usarse para producir electricidad a partir de diferencias de temperatura, aunque para cosas prácticas hacen falta diferencias grandes. Se tiene entonces un generador termoeléctrico, aquí tienes un ejemplo: http://www.komatsu.com/CompanyInfo/press/2009012714011528411.html
No creo que eso pudiera aplicarse al caso del agua. No sé qué eficiencia tendría utilizar la diferencia de temperatura entre el fondo y la superficie, pero el ejemplo de arriba tiene un rendimiento del 7% y la diferencia de temperatura es de 250ºC… así que me imagino que, en el caso del agua marina, no sería mucha, pero tal vez con un monstruaco gigantesco de generador se obtuviera algo…
Tienes razón Pedro, sería algo bastante impracticable.
Soy lector habitual de El Tamiz, y mis Series favoritas son las de Cuántica, Relatividad y la de los marcianitos matemáticos, aunque todos los artículos me parecen fabulosos. Espero que sigas esto durante mucho tiempo. Y si hicieras alguna serie sobre efectos curiosos como éste, estaría muy agradecido.
genial! muy buen aporte. sabes me encuentro desarrollando un artefacto que se utiliza en termoterapia. esta se desarrolla mediante la alternacion de temperatura. tu sabes si este sistema me permite producir una diferencia de 0 grados celcius por un lado y entre 40 y 45 grados celcius por el otro. agradeceria cualquier informacion al respecto.
Gracias por la publicacion, me has sacado de muchas dudas y ahora puedo trabajar lo unico que necesito saber es:
Donde podemos comprar celulas peltier en Mexico?
gracias.
Habrà una manera de describir el efecto peltier de forma matematica es decir una forma de relacionar matematicamente la potencia versus el cambio de temperaturas (Supongo que si) me pueden ayudar a encontrar algun sitio web donde pueda encontrar esto
Pues con este sistema, una heladera ultra portátil (con 9 litros de capacidad máxima) puede descender la temperatura en su interior hasta 27°Celsius por sobre la temperatura ambiente o calentar 48°Celsius por encima de la temperatura ambiente. Ambos procesos en unas 2 horas.
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