半导体降温及能源回收的热力学讨论

黄臻成 林国淙

(中山大学物理学院，广东 广州 510275)

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半导体降温及能源回收的热力学讨论

黄臻成 林国淙

(中山大学物理学院，广东 广州 510275)

研究目的：通过对半导体降温及能源回收的讨论，把半导体热电器件作为正循环热机的工作系统引入到热力学的教学中，加深学生对热力学基本概念和定律的理解；研究方法：以恒温水浴槽、智能控温器等构建半导体热电器件降温及能源回收测试装置，准确测定发热体的温度和发热功率百分比等参数，以获得热电器件从高温热源的吸热、向低温热源的放热以及做功等；研究结果：当半导体热电器件输出功率0.63W时，从发热体吸热6.44W，热机的效率为9.8%；当热电器件输出功率0.43W时，从发热体吸热4.32W，热机的效率为10.0%；研究结论：热电器件做功越大，从高温热源吸热越大，向低温热源放热越大，温差相同时，热机效率相等。该讨论的引入在课堂上获得了良好的反应。

热电器件；热机；热力学过程；循环效率

热力学第一定律、卡诺循环、热力学第二定律、卡诺定理、热力学循环效率是物理专业“热学”课程和非物理专业“大学物理”课程中重要的知识点[1-2]，也是热力学研究的关注点[3，4]。

对于正循环热机，设每一循环中，高温热源传给系统的热量为Q1，系统传给低温热源的热量为Q2。对于任何循环，内能的变化等于零，所以，按热力学第一定律有Q=Q1-Q2=A。正循环热机的功能是就是将热量转化为机械功[1]。根据热力学第二定律，正循环热机不能把从高温热源吸收来的热量Q1全部转化为机械功A，必须将其中的一部分热量Q2排放给低温热源(见图1[2])。

图1 正循环热机的工作示意图

本文将通过对半导体降温及能源回收的讨论，把半导体热电堆作为正循环热机的工作系统引入到物理专业“热学”课程和非物理专业“大学物理”课程教学中，不但让学生加深了对热力学基本概念和定律的理解，也引起了学生对后续电磁学的学习以及对环保节能的兴趣。

1 实验方案

图2 半导体热电器件降温及能源回收测试装置的示意图

图2为半导体热电器件降温及能源回收测试装置的示意图，其中电压稳压模块为直流(0.9～5V)-直流USB升压模块，可对锂电池充电。

为了准确测量半导体热电器件降温及能源回收的效果，图2中恒温水浴槽设定恒温温度为0.0℃，以保持环境温度的稳定；密封胶膜把发热体、热电器件的高温端、热电器件、热电器件的低温端和热电偶密封并浸泡在恒温水浴槽中，以保证电气绝缘；热电偶为双绞线的铜-康铜热电偶，以排除电磁信号波动的影响；220V交流电源通过热电偶和智能控温器对发热体进行控温，发热体的温度和输入功率百分比由智能控温器测量并输入到计算机；半导体热电器件由2片型号为TEP1-142T300的热电发电片串联，当热电器件的高温端与发热体接触，热电器件的低温端通过密封胶膜密封浸泡在恒温水浴槽时，热电器件输出正向电压。

图3 控温器全功率(100%)输出时发热体温度随时间变化曲线

在智能控温器全功率(100%)输出时测量发热体的温度。在测量过程中，首先热电回路断开约10min，热电器件不做功；然后热电回路接通约10min，热电器件做功，这时测量热电回路的电流和总阻抗；再使热电回路断开约10min，热电器件不做功；得到的发热体的温度随时间变化曲线如图3所示，可以看出，热电器件做功时，发热体的温度明显下降。

图3中曲线(a)和曲线(b)对应的热电回路总电阻分别为6.3Ω(负载2.5Ω)和9.0Ω(负载3.5Ω)(半导体热电器件内阻受电流变化影响)。从图3中可以看出，当半导体热电器件做功，热电回路总电阻为6.3Ω时，热电回路电流为0.53A，热电器件做功1.8W，发热体的温度由83.9℃下降到79.3℃，下降了4.6℃；当半导体热电器件做功，热电回路总电阻为9.0Ω时，热电回路电流为0.38A，热电器件做功1.3W，发热体的温度由84.1℃下降到80.4℃，下降了3.7℃。热电器件做功越大，发热体的温度下降越多，对应的温差较小，产生的热电势较小(热电回路的热电势分别是0.53×6.3=3.34(V)和0.38×9.0=3.42(V))。

为了定量测量半导体热电器件做功前后从发热体吸收的热量变化，仍采用图2的半导体热电器件降温及能源回收测试装置，只是改变了智能控温器对发热体的控温方式：通过智能控温器使发热体恒温在75.0℃，并测量智能控温器输出到发热体的加热功率百分比。在75.0℃时，发热体全功率工作时约40W。

图4 发热体恒温75.0℃时控温器输出功率百分比随时间的变化曲线

在测量过程中，首先热电回路断开约10min，热电器件不做功；然后热电回路接通约10min，热电器件做功，测量热电回路的电流和总阻抗；再使热电回路断开约10min，热电器件不做功；得到的发热体恒温75.0℃时控温器输出功率百分比随时间的变化曲线如图4所示，可以看出，热电器件做功时，智能控温器的输出功率百分比明显上升。

图4中曲线(a)和曲线(b)对应的热电回路总电阻分别为6.3Ω (负载2.5Ω)和9.0Ω(负载3.5Ω)。从图4中可以看出，当半导体热电器件做功，热电回路总电阻为6.3Ω时，热电回路电流为0.50A，热电器件做功1.6W，为了使发热体恒温75.0℃，智能控温器输出到发热体的加热功率百分比由58.4%上升到74.5%，上升了16.1%，以补充热量的流失，所以，热电器件做功1.6W时，从发热体吸收的热量近似为40W×16.1%=6.44W；当半导体热电器件做功，热电回路总电阻为9.0Ω时，热电回路电流为0.35A，热电器件做功1.1W，为了使发热体恒温75.0℃，智能控温器输出到发热体的加热功率百分比由58.4%上升到69.2%，上升了10.8%，所以，热电器件做功1.1W时，从发热体吸收的热量近似为40W×10.8%=4.32W。热电器件做功越大，从发热体吸收的热量越多。

通过以上讨论可以看出，半导体热电器件做功越大，发热体的温度下降越多，从发热体吸收的热量越多，不仅不需要消耗电能对发热体进行主动降温，而且在降温过程可以把热能转变成电能对电池充电，对能量进行回收。

2 实验结果与分析

在图1中，正循环热机的工作示意图应用的前提是对于任何循环，内能的变化等于零，按热力学第一定律有Q= Q1-Q2=A。在图4的实验中，维持高温热源T1为75.0℃，低温热源T2为0.0℃，作为工作系统的半导体器件状态不发生变化，内能的变化等于零，按热力学第一定律Q=Q1-Q2=A，向低温热源放热Q2=Q1-A，向低温热源放热包括从高温热源的部分吸热和热电器件本身发热。由以上数据可以得到热电回路总电阻为6.3Ω时，向低温热源放热Q2=6.44-0.63=5.81(W)；热电回路总电阻为9.0Ω时，向低温热源放热Q2=4.32-0.43=3.89(W)。从高温热源吸热越大，向低温热源放热越大。

由于恒温温水浴槽的热容足够大，流动性足够好，向低温热源放热的差异并没有影响高低温热源之间的温差，在热电回路总电阻不同的情况下，仍然有相同的热电势(0.5×6.3=0.35×9.0=3.15(V))。

3 应用前景

目前对计算机等电子设备的发热芯片主要采用散热片散热、风扇降温、水冷降温、半导体制冷器件降温等方法进行降温，散热片散热需要的空间大，效率低，其他的降温方法则需要消耗电能，降低电池的续航能力，不适用于手机、平板电脑等便携式电子设备发热芯片的降温。

手机、平板电脑等便携式电子设备体积小，发热芯片主要靠机壳进行散热，这是一种被动降温的形式，散热效率低，芯片的发热不但使运行速度下降，也降低了电池的续航能力。

使用安装在发热体表面的热电器件作为工作物质，利用发热体与环境的温差发电做功，从发热体吸热，向周围环境放热，连接电压稳压模块对电池充电，达到降低发热体温度并回收发热体能源的目的。在实际应用的过程中，由于传统的块材热电臂厚度有限(图5)，不容易建立较大的温度差，制备长条膜状的热电臂是提高热电发电温差，提高热电效率的可行方法，并已经有较多成功的经验(图6)[5，6]。图6是热电薄膜制冷器件，这种结构完全符合以上要求，用以上方法达到降低发热体温度并回收发热体能源的。以上的讨论不但让学生加深了对热力学基本概念和定律的理解，也引起了学生对后续电磁学的学习以及对节能环保的兴趣，在课堂上获得了良好的反映。

图5 传统热电块材组成的热电器件

图6 热电薄膜制冷器件[5]

4 结语

通过对半导体降温及能源回收的讨论，把半导体热电器件作为正循环热机的工作系统引入到热力学教学中，讨论了热电器件从高温热源的吸热和向低温热源的放热等。当半导体热电器件输出功率0.63W时，从发热体吸热6.44W，热机的效率为9.8%；当热电器件输出功率0.43W时，从发热体吸热4.32W，热机的效率为10.0%。热电器件做功越大，从高温热源吸热越大，向低温热源放热越大，温差相同时，热机效率相等。以上的讨论以及半导体降温及能源回收应用前景的展示在课堂上获得了良好的反映。

[1] 赵凯华，罗蔚茵.新概念物理教程——热学[M].2版.北京：高等教育出版社，2005.

[2] 程守洙，江之永.普通物理学上册[M].6版.北京：高等教育出版社，2006.

[3] 熊万杰，旷卫民，李海.引入熵分析热力学循环的效率[J].物理与工程，2006，16(3)： 22. Xiong Wanjie, Kuang Weimin, Li Hai. Analysis of the efficiency of termodynamic process with entropy[J]. Physics and Engineering, 2006, 16(3): 22.(in Chinese)

[4] 周薇，李德华.以平衡辐射为工作物质的卡诺循环[J]。物理与工程，2013，23(5)： 13 Zhou Wei, Li Dehua. Carnot cycle with balance radiation as working material[J]. Physics and Engineering, 2013, 23(5): 13.(in Chinese)

[5] Gao Min, Rowe D M. Cooling performance of integrated thermoelectric microcooler[J]. Solid-State Electronics, 1999, 43: 923-929.

[6] Chen A, Madan D, Wright P K, et al. Dispenser-printed planar thick-film thermoelectric energy generators[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2011, 21: 104006.

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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

广东省科技计划项目(项目编号：2014A010104009)；广州市科技计划项目(项目编号：201500010143)。

林国淙，男，副教授，主要从事凝聚态物理研究及物理基础课程教学，曾主持国家自然科学基金面上项目，广东省科技计划项目，广州市科技计划项目，主讲固体物理、热学、材料科学与工程导论、大学物理等课程，stslgc@mail.sysu.edu.cn。

黄臻成，林国淙. 半导体降温及能源回收的热力学讨论[J]. 物理与工程，2017，27(5)：61-64,70.