Павел Ощепков - Жизнь и мечта

В этом устройстве все спаи, на которых происходит охлаждение (спай N), расположены в первой камере, а все спаи, на которых происходит выделение тепла (спай S), — во второй камере.

Схема асимметричной тепловой нагрузки

272

Через первую камеру непрерывно протекает вода, а через вторую прогоняется воздух. Если бы никакого движения воды и воздуха не было, то во всей системе установилась бы некоторая средняя температура. Эту начальную температуру обозначим буквой 7Y При прохождении электрического тока через систему температура на горячих спаях будет повышаться, а на холодных — понижаться. Это будет продолжаться до тех пор, пока не наступит новое равновесие, определяемое тем, что по мере увеличения разности температур между холодным и горячим спаями будет увеличиваться количество тепла, оттекающего от горячих спаев в сторону холодных Спаев в силу теплопроводности самих полупроводниковых элементов. Распределение температуры вдоль электрической цепи в этом случае будет выражаться некоторой кривой синусоидального типа (на рисунке она изображена пунктирной линией).

В этом случае количество тепла, поглощенное на холодных спаях, будет в точности соответствовать количеству тепла, выделенному на горячих спаях.

Однако в условиях завода в связи с указанным эпизодом система была испытана в несколько иных условиях, а именно: проток воды через камеру холодных спаев был полностью выключен, подача воды прекращена.

Сами спаи были тщательно изолированы в тепловом отношении. Через камеру горячих спаев (для максимального съема с них тепла) интенсивно продувался воздух.

Таким образом, вся система была уже не симметричной, а носила резко выраженный асимметричный характер.

Что же изменилось в этом случае по сравнению с предыдущим положением? Оказывается, очень многое.

Чтобы определить истинное количество тепловой энергии на выходе прибора, надо разобраться в следующих процессах:

1. Вся электрическая энергия, подведенная к аппарату, в конечном счете преобразуется в тепло на омическом сопротивлении цепи от точки Oi до точки Ог. Количество тепловой энергии, выделившейся на этом сопротивлении, в точности соответствует затраченной электрической энергии. А так как все тепло выносится из аппарата продуваемым воздухом, внутри аппарата устанавливается температура, соответствующая данному режиму работы, и в аппарате не происходит ее дальнейшего повышения; следовательно, на выходе аппарата мы имеем коэффициент полезного действия, равный 100%. Ниже 100% значение этого коэффициента принципиально быть не может — это означало бы исчезновение подводимой к аппарату энергии.

273

2. Вследствие того что горячие спаи интенсивно омываются продуваемым воздухом, их температура понижается. Понижение температуры горячих спаев уменьшает тепловой поток от горячих спаев в сторону холодных.

Это немедленно сказывается на температуре холодных спаев — она еще более понижается. Устанавливается новое равновесие, при котором распределение температуры вдоль проводящих элементов будет уже иметь характер не прежней синусоиды, а некоторой другой кривой. Это новое распределение температуры на рисунке изображено сплошной линией.

В этом случае в первой камере устанавливается более низкая температура по сравнению с температурой окружающего пространства. Все окружающее пространство по отношению к месту холодных спаев и по отношению ко всей камере, где они находятся, будет представлять собой как бы «горячее тело», и тогда, согласно классическим законам физики, тепло из окружающей среды, как от всякого нагретого материального тела, пойдет в сторону более холодного тела, т. е. в камеру холодных спаев.

В природе не существует такой тепловой изоляции, которая абсолютно не проводила бы тепла. Любая изоляция в конечном счете в какой-то мере теплопроводна, только коэффициент теплопроводности у хороших теплоизоляционных материалов мал. Но как бы мал он ни был, он реален, и поэтому рано или поздно установится тепловой поток из окружающей среды в камеру холодных спаев. Здесь на холодных спаях тепловая энергия будет поглощаться движущимися электронами и переноситься на горячие спаи, где она вновь выделится в виде тепловой энергии. Эта тепловая энергия явится уже дополнением к тепловой энергии, ранее полученной за счет подведенной электрической мощности. Она составит первую прибавку к 100%.

3. Так как указанная система связана с внешней средой еще и проводами, то необходимо учитывать и теплопроводность самих проводов. От точки М, например, тепловой поток пойдет в сторону холодных спаев, а от горячих спаев в сторону точки L. Но поскольку система в тепловом отношении стала асимметричной, доля теплового потока, подтекающего к системе, и доля теплового потока, оттекающего от нее, в этом случае будут не равны. Тепловой поток по проводам в сторону холодных спаев будет больше теплового потока по проводам из камеры горячих спаев. Это даст вторую прибавку к теплу, замеряемому на выходе системы, сверх 100%.

274

4. Фактором, влияющим на фактический тепловой баланс на выходе системы, при определенных соотношениях параметров может явиться также перенос тепловой энергии движущимся электроном. Электрон, являющийся носителем зарядов, в любом проводнике обладает некоторой собственной кинетической и потенциальной энергией. Это его состояние определяется не только химической природой материала проводника, но и его температурой. Во всей внешней, по отношению к аппарату, электрической сети энергия электрона находится при одном уровне, а внутри прибора в камере холодных спаев и во всем пространстве прибора он должен будет сменить ее на меньшее значение, так как средняя температура электрической цепи здесь ниже температуры окружающей среды. В этой камере он отдаст, таким образом, холодным спаям часть своей энергии. А так как система резко асимметрична, то на горячих спаях энергия электрона не успеет восстановиться. Электрон выйдет из аппарата с пониженным значением своей энергии. Он восстановит ее только во внешней цепи, придя вновь в равновесие с температурой проводов и окружающей их среды. Энергия, отданная электроном в камере холодных спаев, вновь выделится в камере горячих спаев и таким образом составит третью и наиболее существенную прибавку к тепловой энергии на выходе аппарата.

Если записать тепловой баланс работы указанного аппарата, то он может быть представлен так:

Q полн= Q дж+ ΔQ o.c+ ΔQ т.п+ ΔQ э.r.

В этом выражении:

Q полн— полный тепловой поток на выходе аппарата;