Xây dựng Máy phát điện Nhiệt điện, Như Những Chiếc Nguồn Cấp Năng Lượng Cho Các Nhiệm Vụ Vũ Trụ Sâu

Cụm từ "động cơ nhiệt" có thể kích thích một số ký ức không tốt từ khóa học động lực học cơ bản của bạn. Nhưng đừng lo, tôi sẽ chỉ cho bạn chiếc động cơ nhiệt tốt nhất mà bạn có thể tưởng tượng - máy phát điện nhiệt điện (TEG).

Ý tưởng cơ bản sau một động cơ nhiệt là rút ra một số năng lượng hữu ích từ sự chênh lệch nhiệt độ. Năng lượng đầu ra này có thể là cơ hoặc điện - và những thứ kỳ lạ khác. Nhưng có một ví dụ rất cơ bản mà bạn có thể đã thấy: động cơ hơi nước. Bạn nung nóng một số nước để tạo hơi nước, có thể mở rộng và đẩy cái gì đó. Sau đó, nó ngưng tụ để cho một cái gì đó co lại.

Để động cơ hơi nước này hoạt động, bạn cần nhiệt độ bên ngoài thấp hơn nhiệt độ của hơi nước - hoặc hơi nước sẽ không bao giờ ngưng tụ. Trên thực tế, tất cả các động cơ nhiệt đều phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ. Nếu bạn muốn một giải thích sâu sắc hơn về cơ cấu của một động cơ hơi nước, hãy thử video này.

Bây giờ là đến lượt động cơ nhiệt đơn giản nhất mà bạn từng thấy - bạn thậm chí có thể tự làm điều này. Bạn chỉ cần một kẹp giấy và dây đồng trần trụi (hoặc bất kỳ hai dây kim loại khác nhau nào). Tôi giả sử đây là một kẹp giấy bằng thép. Cắt kẹp giấy thành hai phần và sau đó kết nối mỗi phần với một đầu của dây đồng. Nó nên trông giống như thế này.

Nghiêm túc, chỉ cần bố trí này mà thôi là sẽ có một máy phát điện nhiệt đơn giản. Thật tuyệt phải không?! Để làm cho nó hoạt động, chỉ cần đặt một đầu của sự giao điểm đồng-thép vào một thứ nóng và sự giao điểm đồng-thép khác vào một thứ lạnh. Hai đầu tự do của kẹp giấy sẽ là đầu ra của máy phát này. Vì đây không phải là một thiết bị nhiệt điện hiệu quả, tôi chỉ cần kết nối đầu ra với một đồng hồ đo điện áp. Đối với đầu nóng của tôi, tôi sẽ sử dụng một cái hotplate và đầu lạnh sẽ là muối và đá (lạnh hơn so với chỉ là đá thông thường). Đây là hình ảnh của nó.

Như bạn có thể thấy từ đồng hồ đo điện áp, tôi đang nhận được 1,2 miliVolt. Đó không phải là nhiều, nhưng đó là một cái gì đó. (Khối lượng trên bếp nóng chỉ là để đẩy sự giao điểm đồng-thép xuống để có liên lạc tốt, nếu bạn đang tự hỏi.)

Những gì bạn thấy ở đây chính là Hiệu ứng Seebeck (đặt theo tên Thomas Seebeck). Hai kim loại khác nhau cùng nhau ở hai nhiệt độ khác nhau có thể tạo ra một dòng điện. Hiệu ứng trở nên rõ ràng hơn với sự chênh lệch nhiệt độ lớn và một số kết hợp kim loại hoạt động tốt hơn những cái khác - nhưng đó chính là máy phát điện nhiệt của bạn.

Thực tế, bạn có thể tạo ra một máy phát điện tốt hơn bằng cách sử dụng một bán dẫn chứ không phải hai kim loại khác nhau - nhưng phiên bản hai kim loại dễ xây dựng hơn nhiều. Dưới đây là một bản demo với một bán dẫn. Thiết bị được kẹp giữ giữa hai chân nhôm, với một chân trong nước nóng và chân kia trong nước lạnh. Đầu ra từ thiết bị đang vào một động cơ điện nhỏ ở trên.

Vậy làm thế nào nó hoạt động? Tại sao sự chênh lệch nhiệt độ (đối với các kim loại khác nhau) tạo ra một dòng điện? Tôi sẽ không đi sâu vào câu chuyện đầy đủ, vì điều đó sẽ mất quá nhiều thời gian. Nhưng đây là câu trả lời siêu ngắn của tôi: Một dẫn điện có các điện tích tự do có thể di chuyển (một phần). Khi bạn áp dụng một trường điện, những điện tích này di chuyển và tạo ra một dòng điện. Thông thường, chúng ta nghĩ về những điện tích này như electron - nhưng nó cũng có thể là một cái gì đó khác. Nếu bạn lấy một kim loại và làm cho một đầu nóng và đầu còn lại lạnh, electron ở phía nóng sẽ có năng lượng nhiều hơn và di chuyển nhiều hơn. Những electron nóng này lan rộng và ở đầu lạnh, electron có năng lượng ít hơn. Lượng tách điện phụ thuộc vào kim loại cụ thể.

Bây giờ lấy một kim loại khác với hai đầu ở nhiệt độ khác nhau. Nhưng vì kim loại này khác với kim loại đầu tiên, nó sẽ có sự tách điện khác nhau ở đầu nóng và đầu lạnh. Khi những kim loại khác nhau này được đặt cùng nhau, chúng sẽ tạo ra một loại pin - không phải là pin tốt lắm, nhưng vẫn giống như một pin. Và bùng nổ - đó là máy phát điện nhiệt của bạn.

Nếu bạn đang nghĩ về việc xây dựng một máy phát điện nhiệt để cung cấp điện cho nhà của bạn, tôi có một số tin tức xấu. Những thứ này không hiệu quả. Bạn cần phải có sự chênh lệch nhiệt độ khá lớn để có được cái gì đó hữu ích từ chúng. Tuy nhiên, cũng có một số tin tức tốt. Những máy phát điện nhiệt này không có bất kỳ bộ phận nào di động. Không có bộ phận di động có nghĩa là chúng nhỏ và khá đáng tin cậy. Và đây là lý do tại sao chúng được sử dụng trong một số tàu vũ trụ (như Voyager, Cassini và các tàu vũ trụ khác). Để tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ, tàu vũ trụ sẽ sử dụng một nguồn phát phóng xạ giữ cho nó rất nóng - và thực sự đó là nó. Đó là cách máy phát điện nhiệt đồng izotop (RTG) của bạn hoạt động. Nó giống như máy phát điện với kẹp giấy và dây đồng - chỉ là nó tốt hơn nhiều.

Nhưng chờ đã! Còn nhiều hơn. Bạn có thể làm một điều gì khác với hai kim loại khác nhau. Làm thế nào nếu tôi sử dụng cùng hai kim loại, nhưng thay vì đặt hai đầu ở nhiệt độ khác nhau và nhận một điện áp, tôi kết nối chúng với một viên pin? Ngoài ra, tôi sẽ đặt hai đầu vào nước chỉ để làm cho nó dễ đo nhiệt độ một chút. Để có được một hiệu ứng đo được, tôi đã thay đổi hai điều: Tôi sử dụng dây nichrome thay vì thép và tôi đã tạo nhiều liên kết liên tục. Dưới đây là hình ảnh của nó.

Cả hai bình nước bắt đầu ở nhiệt độ phòng. Có một số dây phụ bạn nhìn thấy - đây là để đo nhiệt độ của hai lượng nước giống nhau. Bây giờ khi tôi kết nối một viên pin D-cell, tôi có thể đo nhiệt độ theo thời gian. Tôi nên thấy một bình nước tăng nhiệt độ và bình nước kia giảm, nhưng không hoạt động đúng. Tôi cần phải cải thiện thiết bị của mình, nhưng điều gì đó như thế này có thể hoạt động. Điều này được gọi là hiệu ứng Peltier (khi nó hoạt động). Nó ngược lại với hiệu ứng Seebeck.

Dưới đây là một bản chứng nhận tốt hơn. Nếu tôi tháo máy điện khỏi máy phát điện nhiệt, tôi có thể áp dụng một điện áp. Trong trường hợp này, một bên trở nên ấm và bên kia trở nên lạnh. Bạn có thể cảm nhận nó bằng tay, nhưng điều đó không hoạt động qua internet. Thay vào đó, tôi có thể cho bạn xem hình ảnh hồng ngoại này.

Vâng, điều này về cơ bản là một tủ lạnh. Nó không hiệu quả lắm trong việc làm lạnh đồ, nhưng bạn có thể tạo ra một thiết bị siêu nhỏ có thể giảm nhiệt độ của một cái gì đó mà không cần bất kỳ bộ phận nào di động. Các máy làm lạnh Peltier rất hữu ích trong máy ảnh nhạy cảm với tiếng ồn nhiệt. Chúng cũng hữu ích để giữ cho đồ uống lạnh khi bạn lái xe ô tô của mình. Họ thậm chí tạo ra máy làm lạnh rượu nhiệt đồng izotop (tên khác của tủ lạnh Peltier).

OK, có một điều cuối cùng bạn có thể làm với hai kim loại khác nhau (chỉ để đảm bảo bạn không muốn xây dựng một máy phát điện nhiệt độ hạt nhân). Bạn có thể sử dụng hai kim loại khác nhau để đo nhiệt độ. Vâng, bộ cảm biến đó tôi đặt vào bình nước hoạt động bằng cách đo điện áp tạo ra bởi hai kim loại khác nhau với sự chênh lệch nhiệt độ.

Nếu bạn có thể làm tất cả điều này chỉ với hai mảnh kim loại, hãy tưởng tượng bạn có thể làm gì với ba.