2.- PROPIEDADES TÉRMICAS FÍSICA DEL ESTADO SÓLIDO II

Documentos relacionados
4.- PROPIEDADES ELÉCTRICAS DE LOS SÓLIDOS FÍSICA DEL ESTADO SÓLIDO II

Dinámica de electrones Bloch y Propiedades de Transporte Física del Estado Sólido II

EFECTO TERMOLÉCTRICO. Este efecto, conocido como Peltier Seebeck, es reversible. Esto no se produce en todos los materiales

La conductividad térmica en este apartado viene definida a través de la ley de Fourier

Materiales Termoeléctricos. Basante Avendaño Alberto López Márquez González Bernardo Rosales Sánchez David Octavio

ESTRUCTURA DEL ÁTOMO

TEMA 5: INTROD. AL ESTADO SÓLIDO

OPERACIONES UNITARIAS

TEMA 3 TEORIA DE SEMICONDUCTORES

Teniendo en cuenta que si el voltaje se mide en Volts y la corriente en Amperes las unidades de resistencia resultan ser

TEMA 4 (Parte III) EL ENLACE QUÍMICO. METÁLICO

Física Estadística. Tercer curso del Grado en Física. J. Largo & J.R. Solana. Departamento de Física Aplicada Universidad de Cantabria

Física y Química 3º ESO

FES. Electrones libres en los metales. Modelo de Sommerfeld.

Calor y temperatura. Termómetros: son instrumentos utilizados para medir la temperatura.

4. DIFUSION EN SÓLIDO

TUTORIAL MATERIALES CONDUCTORES

Teniendo en cuenta que si el voltaje se mide en Volts y la corriente en Amperes las unidades de resistencia resultan ser

Tema 5.-Corriente eléctrica

Unidad 1 Estructura atómica de la materia. Teoría cuántica

FES. Vibraciones reticulares

Tema 5.-Corriente eléctrica

PROGRAMA ANALÍTICO DE FÍSICA EXPERIMENTAL II: Año 2009

INDICE Capitulo 1. Introducción: La Física y la Medición Capitulo 2. Vectores Capitulo 3. Movimiento de una Dimensión

Física II. Dr. Mario Enrique Álvarez Ramos (Responsable)

UNIDAD I. EL MUNDO EN QUE VIVIMOS

Tema 5.-Propiedades de transporte

Laboratorio 5 - Dpto. de Física - FCEyN - UBA Diciembre 2000

TEMA 1 FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y MAGNITUDES ELECTRICAS LA CARGA ELECTRICA

Tema 20 Propiedades eléctricas de los materiales.

MEDICIÓN DE TEMPERATURA

TITULO. Mesa Peltier RESUMEN

TERMODINÁMICA y FÍSICA ESTADÍSTICA I

Física General II. Guía N 3: Termometría y Dilatación Térmica

El átomo. Rafael Molina Fernández Científico Titular Instituto de Estructura de la Materia Consejo Superior de Investigaciones Científicas

Tema 3.-Espectroscopía de biomoléculas

DEPARTAMENTO DE FÍSICA DE LA UNIVERSIDAD DE SONORA ORGANIZACIÓN DE LA MATERIA DE FÍSICA III

ÍNDICE. Primera Unidad: MECANICA. Segunda Unidad: CALOR 1. MEDIDA Y MOVIMIENTO

UNIVERSIDAD DON BOSCO DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS LABORATORIO DE FÍSICA ASIGNATURA: ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO


Apuntes de clase : Introducción a la Física del Estado Sólido pag. 1/16

Electricidad y calor

Electricidad y calor. Webpage: Departamento de Física Universidad de Sonora

Física del Estado Sólido I. Tema 3: Gas de Fermi de electrones libres

Corriente continua (Repaso)

Tema 4.- Solidificación y Difusión

Termodinámica. Calor y Temperatura

Producida por. Cargas eléctricas

Propiedades Térmicas de los Materiales. Tecnología de los Materiales 05/09/2014. Docente: Ing. Janeth Saavedra Vera

Tema 5 Instrumentación

2 La mineralogía de la Tierra. p. 1

Comportamiento Electrónico de los Materiales. Tema 2. Electrones en Sólidos. Teoría de Bandas de Energía.

Bandas de Energía. Materiales Eléctricos. Teoría de Bandas 05/07/2012

Los pasos que se dan son:

EFECTO SEEBECK. E=S ab T 2 T 1

QUÉ ES LA TEMPERATURA?

Física II CF-342 Ingeniería Plan Común.

INDICE Capítulo 1. Mediciones Capítulo 2. Movimiento Unidimensional Capítulo 3. Vectores Capítulo 4. Movimiento Bidimensional y Tridimensional

Módulo II Trasferencia del Calor

17. CURVA CARACTERÍSTICA DE UNA LÁMPARA

Introducción a los circuitos eléctricos

FENÓMENOS DE INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA LA LEY DE FARADAY

La Teoría de Hückel: Antecedentes

(1) dt dq es la carga que pasa a través de la sección transversal

Energía y primera ley de la termodinámica

El modelo semiclásico de las propiedades de transporte: Objetivo

Medida de temperaturas (I)

INTERACCION DE LAS RADIACIONES ELECTROMAGNETICAS CON LA MATERIA

ELECTRONICA GENERAL. Tema 2. Teoría del Diodo.

1. Fundamentos de óptica

5.3 Estructura térmica de la litósfera oceánica

17. CURVA CARACTERÍSTICA DE UNA LÁMPARA

TEMA 10 Corriente eléctrica y magnetismo

RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA

TEMA 1. MECANISMOS BÁSICOS DE TRANSMISIÓN DE CALOR

TEMA 4. REPASO DE LAS LEYES Y PRINCIPIOS DE ELECTROMAGNESTISMO.

SENSORES VARIABLES, ESTRATEGIA Y ACONDICIONAMIENTO

Propiedades de la materia. Características de sólidos, líquidos y gases

Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Queda prohibida su reproducción o visualización sin permiso del editor.

1. V F El producto escalar de dos vectores es siempre un número real y positivo.

LICENCIATURA EN TECNOLOGÍA FÍSICA MODERNA. III. Antecedente de la Teoría Cuántica. IV. Mecánica Cuántica

Tema 5: Interacción Radiación-Materia

Dispositivos Electrónicos

FISICA 2º BACHILLERATO CAMPO MAGNÉTICO E INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Tercer principio de la Termodinámica 16 de marzo de 2009 Cuestiones y problemas: Cuestiones 4.43 y 4.44

Distribución y Transporte de Portadores de Carga

ASPECTOS AVANZADOS EN MECÁNICA DE FLUIDOS SOLUCIONES EXACTAS

Química Física del Estado Sólido ( ). Examen eliminatorio nº 1.

Sesión 7 Fundamentos de dispositivos semiconductores

Capítulo 10: ciclos de refrigeración. El ciclo de refrigeración por compresión es un método común de transferencia de calor de una

Solidificación e Imperfecciones. en Sólidos

Electricidad y calor. Webpage: Departamento de Física Universidad de Sonora

5.3 La energía en los circuitos eléctricos.

SENSORES DE TEMPERATURA

TEMA 2: Estructura Atómica

SEGUNDO DE BACHILLERATO QUÍMICA. a A + b B c C + d D

Plasmas e Interacciones Partículas -Superficies. Ingeniería de Superficies Departamento de Química Inorgánica Universidad de Sevilla

Enlaces y Propiedades de Sólidos con esos Enlaces

Práctica 1 del DIODOS. Objetivos Identificar y btener la curva característica del diodo

Transcripción:

2.- PROPIEDADES TÉRMICAS FÍSICA DEL ESTADO SÓLIDO II

2. Propiedades térmicas Capacidad Calorífica. Ley de Dulong y Petit Modelos clásicos de Debye y Einstein. Dilatación térmica. Conductividad térmica. Procesos de interacción entre fonones. Criterio de Lindemann. Efecto termoeléctrico.

Efectos Anarmónicos A alta T, no siempre c v sigue la ley de Dulong-Petit. Además en las medidas de dispersión de fonones mediante técnicas de dispersión, los picos tienen una cierta anchura. Los efectos anarmónicos nos permitirán explicar ciertas propiedades como la dilatación térmica y la conductividad térmica. PROPIEDADES TÉRMICAS

Efectos Anarmónicos En los procesos de colisión mostrados, los fonones mostrados parecen sugerir que el movimiento de las interacciones siempre va en la misma dirección pero las leyes de conservación del momento permiten un cambio en el vector de onda por la adición o sustracción de un vector de la red recíproca. Como consecuencia el flujo de energía puede cambiar, incluso invertirse. El hecho de que podamos pensar en procesos anarmónicos como eventos que cambian el vector de onda y la energía, significa que podemos asignar un tiempo de vida medio para los fonones.

Espectro de espectroscopía infrarroja donde puede observarse el ensanchamiento del pico de absorción con la temperatura. La anchura del pico es inversamente proporcional al tiempo de vida medio de los fonones.

Conductividad térmica Analicemos la siguiente situación Tomemos λ x como la distancia media recorrida por un phonon a lo largo de la distancia x antes de sufrir scattering La existencia de dos regiones a diferente temperatura origina un flujo de phonones desde la región más caliente a la más fría de tal manera que: n = n T + T n T = n T T T = λ dt + dx λ + = τv + n dt n = τv + T dx El flujo de fonones en un punto entre estas dos regiones vendrá dado por: J 12 = 3N V nv + = 3N V v + 6 τ n dt T dx

Conductividad térmica J 12 = 3N V nv + = 3N V v + 6 τ n dt T dx El signo negativo tiene en cuenta que el flujo es contrario al gradiente de temperatura. 3N/V representa el número de fonones por unidad de volumen (igual a 3 veces el número de átomos por unidad de volumen) Si asumimos que cada phonon transporta una energía ħω y teniendo en cuenta la velocidad cuadrática media de los fonones promediada a todas las direcciones del espacio v 6 + = 89 ;:, el flujo de energía será: J <=>?@íb = C : v 6 τ :D E G= IH ħω GH I+ c 8 = :D E ħω G= GH K = C : v 6 τc 8 J <=>?@íb = -K IH I+ Donde K es el coeficiente de conductividad térmica. Obsérvese que si λ =, la conductividad térmica es infinita.

Conductividad térmica Experimentalmente se ha comprobado que K decae cuando crece la temperatura incluso SIENDO LA CAPACIDAD CALORÍFICA CONSTANTE. La dependencia de K con T es principalmente a través de τ, y este tiempo depende con 1/T debido a interacciones anharmónicas.

Conductividad térmica Formalmente, el coeficiente de dilatación térmica puede ser escrito como: β = 1 V V T O = K H P T E donde K H = 1 V : V = Q S P ST H S,TVC Por otro lado sabemos que: K T es el denominado coeficiente de compresibilidad isotérmico. S ij compomentes del tensor inverso al tensor de las constantes elásticas. P = F V H Donde F es la energía libre del cristal. Mediante la teoría de fonones sabemos que la energía libre viene dada por: F = E + k Z T Q ln ħω T] kz T T Siempre que la temperatura sea suficientemente elevada.

Conductividad térmica Por lo que tenemos que : β = K H k Z Q 1 ω T ω T V T Donde se ha asumido que las frecuencias no dependen de la temperatura, al menos directamente, pero sí del volumen. Bajo ciertas aproximaciones es fácil determinar que: β = K Tγ C V V Siendo γ el parámetro de Grüneisen y que tiene en cuenta la variación de las frecuencias con el volumen

Conductividad térmica 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.

Dilatación térmica q Coeficiente de dilatación lineal Describe cuánto cambia la longitud de un material por unidad de longitud cuando cambia la temperatura.

Dilatación térmica (a) Variación de la energía potencial entre dos átomos como una función del espaciamiento interatómico. (b) Curvas de energía potencial para un enlace entre dos átomos (fuerte o débil)

Dilatación térmica Relación entre el coeficiente de dilatación lineal térmico y la temperatura de fusión en metales a 25 C. Los materiales con temperatura de fusión más alta tienden a una menor dilatación. 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.

Criterio de Lindemann. La fusión de los sólidos no es explicable dentro del modelo estático de los mismos. En base a los procesos de vibración de los átomos, es posible dar cuenta de la FÓRMULA DE LINDEMMAN, que estima la temperatura de fusión de cualquier sólido en función de las distancias internas del mismo. CRITERIO DE LINDEMANN PARA LA FUSIÓN DE LOS SÓLIDOS (1910): Un sólido se funde cuando la amplitud de oscilación de los átomos supera una cierta fracción (del orden de 1/4 ) de la distancia entre átomos vecinos. < u 6 > = r j 4 Para ello ha de determinarse la amplitud promedio de las vibraciones atómicas u i en función de la temperatura del sólido

Efecto Termoeléctrico. Efecto Seebeck Efecto Peltier Efecto Thompson

Efecto Termoeléctrico. Conversión de energía térmica en eléctrica y viceversa. Efecto Seebeck: Corriente eléctrica inducida en un circuito formado por 2 hilos A y B, cuyas uniones están a diferente T. Efecto Peltier: Una corriente eléctrica induce un cambio de temperatura entre las uniones de dos hilos X e Y. El calor se libera en B y se absorbe en A. Efecto Thomson: En un material uniforme, si existe una corriente eléctrica en presencia de un gradiente térmico, se genera una energía en forma de calor.

Efecto Termoeléctrico. Termopar Termopila

Efecto Termoeléctrico. Podemos usar el efecto Peltier para enfriar o calentar: Se hace circular una corriente a través de un circuito conteniendo un material termoeléctrico tipo n y otro tipo p. La corriente provoca que uno de las superficies que cierran el circuito esté fría y la otra caliente. Podemos usar el efecto Peltier también para generar electricidad. En este caso la corriente podrá fluir por el circuíto si tenemos una zona caliente y una zona fría conectadas por material termoeléctrico por un lado tipo n y por el otro tipo p

Efecto Termoeléctrico. (Ef. Seebeck) En un conductor uniforme, el coeficiente Seebeck depende de la posición sólo a través de la temperatura de tal manera que α = In IH T. La corriente fluirá en la presencia de un gradiente de temperatura generando un calor (llamado Calor Thomson): Q H = Jμ < T Donde μ < = μ < x = T x In IH es el denomindado coeficiente Thomson en cada punto de la muestra. El efecto Thomson es lineal con la corriente y puede ser positivo o negativo en contraste con el efecto Joule que es irreversible. Además sólo es necesario un único material para ser observado, en contra de lo que sucede con el efecto Seebeck y Peltier.

Efecto Termoeléctrico. (Ef. Seebeck) Lo que demuestra que el coeficiente Seebeck puede ser entendido como el cambio de la entropía por portador de carga de tal manera que α C >t>u q k Z e k Z T E x donde E x es la enegía de Fermi Si tratamos semiconductores donde el portador de carga debe sobrepasar primero el gap de energía, podemos escribir: α C >t>u q k Z e E @B1 k Z T donde E @B1 es la enegía del gap En metales, α es del orden de 1-10 μv/t y decrece con la temperatura En semiconductores, α es del orden de 87 μv/t y crece con la temperatura

Efecto Termoeléctrico. (Ef. Thomson) El voltaje Seebeck aparece debido a la difusión de partículas cargadas desde la zona caliente a la zona fría. El desequilibrio en la carga da lugar a una diferencia de potencial V. El trabajo requerido para transferir δn electronesen contra del campo V viene dado por δq = qδn V En aproximación lineal la energía es proporcionada por la perdida de calor cuando estos electronesson transferidos desde la zona caliente a la fría porlo que: δq = T S ; N δn Donde S representa la entropía del sistema. Teniendo en cuenta estas expresiones tenemos: α T = V T = 1 S(T, N) = 1 s(t, n) e N e n