Como calcular coeficiente Seebeck termoelectrico ZT

Calcula coeficiente Seebeck S = -V/dT termoelectrico thermocouples generadores RTG NASA. Figure of merit ZT = S^2*sigma*T/kappa Bi2Te3 PbTe SiGe. Thomas Seebeck Estonia-Alemania 1770-1831 1821. CIEMAT + UPC + Universidad Sevilla.

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Como calcular el coeficiente Seebeck (S) propiedad termoelectrica fundamental que mide la tensión termoelectrica generada por unidad de diferencia de temperatura entre dos puntos de un material conductor o semiconductor: S = -V / dT. V tensión termoelectrica V + dT diferencia temperatura K + signo menos convención.

Coeficientes tipicos: cobre Cu S=-1.3 uV/K + Cromelo 22 + Alumel -18 + K-type 41 uV/K; Bi2Te3 S=-220 uV/K @ 300 K p-type; PbTe -180 @ 600 K; SiGe -250 @ 1000 K NASA RTG; oxides Ca3Co4O9 120 + perovskites SrTiO3 -1000.

Figure of merit ZT: ZT = S^2 * sigma * T / kappa + ZT > 1 buen termoelectrico; ZT_Bi2Te3 = 1.0 @ 300 K; ZT_PbTe = 1.5 @ 600 K; ZT_SiGe = 0.7 @ 1000 K; ZT_skutterudite = 1.5 @ 800 K.

Efecto Peltier inverso: Pi = S*T; Efecto Thomson: tau = T*dS/dT; formula Mott: S = -(pi^2*k_B^2*T)/(3*e*E_F).

Numeros relacionados: conductividad sigma; kappa térmica; Wiedemann-Franz; power factor PF = S^2*sigma; eficiencia eta.

Thermocouples standard IEC 60584: K Cromelo-Alumel 41 uV/K; J Iron-Constantan 52; T Cu-Constantan 43; E Cromelo-Constantan 68; R S Pt-PtRh noble; ITS-90 standard.

TEG generators: P = S^2*sigma*(dT)^2/R + waste heat recovery; NASA RTG SiGe + 238Pu + Voyager Cassini Curiosity Perseverance. Historia: Thomas Seebeck (Estonia 1770 - Berlin 1831); 1821 Akademie der Wissenschaften zu Berlin classico Seebeck effect + Hans Oersted 1823 termoelectricita.

Jean Peltier (1785-1845); 1834 Annales de Chimie 56:371 Peltier effect inverso.

Lord Kelvin (1824-1907); 1854 Trans Roy Soc Edin 21:123 Thomson effect + Thomson relations + 1851 absolute temperature Kelvin + Lord Kelvin eponym + Knighted 1866.

Edmund Altenkirch (1880-1953); 1909 Altenkirch ZT criterion.

Abraham Ioffe (1880-1960) Ioffe Institute Leningrad; 1957 textbook 'Semiconductor Thermoelements and Thermoelectric Cooling' Infosearch 184. Legado: Goldsmid 1964 + 2016 Springer 282 + Rowe 1995 CRC 701 + 2006 CRC 1014 + Snyder-Toberer 2008 Nature Materials 7:105 classical + Tritt-Subramanian 2006 + Kanatzidis 2010.

España investigación termoelectricos: CSIC ICMM Madrid 11000; CSIC ICN2 Bellaterra 280; CIEMAT Madrid 1300; BSC Barcelona 1100; INTA Madrid 1500; Tecnalia 1500; BIST Barcelona 200; ICFO 400.

Universidades: UPC Barcelona ETSEIB 30000; UPM 38000; UCM 80000; UAM 30000; UAB 35000; Sevilla 65000; Granada 60000; Valencia 55000; UPV/EHU Bilbao 47000; UPV Valencia 30000.

Industria thermocouples: SERVINDUSTRIA Alava 100 + thermocouples; Promeco Albacete 50; Calortec Spain 50; Indra 56000 + electronics; X-Fab Spain 200 + temperature sensor IC.

Industria TEG + RTG + Peltier: GMV Tres Cantos 3300 + space; Sener 2400; INTA 1500; Crisa 800; Hisdesat 200; Iberdrola 39000 + thermal energy; Acciona Energía 11000.

HVAC Peltier: Daikin España 200; Carrier España 200; Hitecsa 100.

Steel: ArcelorMittal España 5500; Acerinox 8000; Sidenor 5000.

Formula Seebeck

S = -V/dT; ZT = S^2*sigma*T/kappa; Pi = S*T; tau = T*dS/dT.

Valores tipicos: Cu -1.3 uV/K; K-type 41; Bi2Te3 -220 ZT=1; PbTe -180 ZT=1.5; SiGe -250 ZT=0.7.

Historia y contexto

Thomas Seebeck (Estonia 1770 - Berlin 1831); 1821 classico Seebeck effect + Oersted 1823 termoelectricita. Jean Peltier (1785-1845); 1834 Peltier inverso. Lord Kelvin (1824-1907); 1854 Thomson + Lord Kelvin eponym + Knighted 1866. Edmund Altenkirch (1880-1953); 1909 ZT. Abraham Ioffe (1880-1960) Ioffe Institute; 1957 'Semiconductor Thermoelements'. Legado: Goldsmid 2016 + Rowe 1995 + Snyder-Toberer 2008 + Kanatzidis 2010. España investigación: CSIC ICMM 11000; CSIC ICN2 280; CIEMAT 1300; BSC 1100; INTA 1500; Tecnalia 1500; ICFO 400. Universidades: UPC 30000; UPM 38000; UCM 80000; UAM 30000. Thermocouples: SERVINDUSTRIA 100; Indra 56000; X-Fab 200. TEG RTG: GMV 3300; Sener 2400; INTA 1500; Crisa 800. HVAC: Daikin 200; Carrier 200. Steel: ArcelorMittal 5500; Acerinox 8000.

Tabla Seebeck

  • S = -V/dT
  • ZT = S^2*sigma*T/kappa
  • Cu: -1.3 uV/K
  • K-type: 41 uV/K
  • Bi2Te3: ZT=1
  • SiGe RTG: ZT=0.7

5 ejemplos numericos

  1. Cobre: V=-13 uV + dT=10 + S=1.3 uV/K.
  2. K-type: V=-410 uV + S=41 uV/K.
  3. Bi2Te3: V=-2.2 mV + S=220 uV/K + ZT=1.
  4. PbTe: V=-1.8 mV + ZT=0.97.
  5. SiGe RTG: V=-2.5 mV + ZT=0.16 raw.

Limitaciones

Linear response + Single band + Constant transport + Thomson + Quantum nano.

Errores comunes

  • Signo S = -V/dT.
  • Confundir S Pi Thomson.
  • ZT vs eficiencia.
  • Single material vs couple.
  • Cold junction compensation.

Aplicaciones

  1. Thermocouples: SERVINDUSTRIA + K J T types.
  2. TEG: GMV waste heat.
  3. Peltier coolers: Daikin Carrier.
  4. RTG NASA ESA: GMV Sener INTA Crisa.
  5. Acerias furnaces: ArcelorMittal Acerinox.
  6. HVAC modules: refrigeradores portatiles.
  7. Spin Seebeck: classical.
  8. EV thermal: Iberdrola Acciona.
  9. Wearables: polymeros.
  10. Termometria: ITS-90 standard.

Actualizado a julio de 2026

Preguntas frecuentes

Que mide el coeficiente Seebeck S?

Coeficiente Seebeck S = -V/dT mide la tensión termoelectrica V generada por unidad diferencia temperatura dT en material conductor o semiconductor. S0 holes p-type. Thomas Johann Seebeck Estonia-Alemania 1770-1831 1821 Akademie Berlin classico + Oersted 1823 termoelectricidad.

Que es la figure of merit ZT?

Figure of merit ZT = S^2*sigma*T/kappa medida adimensional eficiencia termoelectrica de material. ZT > 1 buen termoelectrico (Bi2Te3 ZT=1.0 @ 300 K Peltier; PbTe ZT=1.5 @ 600 K; SiGe ZT=0.7 @ 1000 K NASA RTG); ZT > 2 estado del arte (skutterudites SnSe). Edmund Altenkirch Alemania 1909 introdujo Z criterion + Abraham Ioffe Ioffe Institute Leningrad 1957 textbook Goldsmid 2016.

Que son efectos Peltier y Thomson?

Efecto Peltier 1834 Jean Peltier inverso de Seebeck: Pi = S*T coeficiente Peltier + absorcion o liberacion de calor cuando corriente cruza junction entre dos materiales diferentes + base Peltier coolers solid-state refrigeration. Efecto Thomson 1854 Lord Kelvin Trans Roy Soc Edin 21:123: tau = T*dS/dT coeficiente Thomson + absorcion/liberacion calor cuando corriente cruza gradiente temperatura material único Kelvin.

Que son thermocouples standard IEC 60584?

Thermocouples standard IEC 60584: K type Cromelo-Alumel S~41 uV/K range -200 a 1372 °C industrial mas comun; J type Iron-Constantan S~52 uV/K -210 a 1200 °C; T type Copper-Constantan S~43 uV/K -270 a 400 °C alta precisión; E type Cromelo-Constantan S~68 uV/K cryogenic; R type Pt-PtRh13% S~10 uV/K 0 a 1768 °C noble; S type Pt-PtRh10% IPTS-90 reference + classical industrial.

Que es NASA RTG?

RTG Radioisotope Thermoelectric Generator NASA: generador termoelectrico espacial que convierte calor decay 238Pu en electricidad via SiGe ZT=0.7 @ 1000 K + classico SiGe alloy. Misiones: Voyager 1 y 2 1977 + Galileo Jupiter 1989 + Cassini Saturn 1997 + New Horizons Pluto 2006 + Curiosity Mars 2011 + Perseverance Mars 2020. NASA JPL world-leading.

Que dice la ley Wiedemann-Franz?

Ley Wiedemann-Franz 1853: ratio entre conductividad térmica electronica kappa_e y conductividad eléctrica sigma es proporcional a T: L = kappa_e/(sigma*T) = pi^2/3*(k_B/e)^2 = 2.44e-8 W*ohm/K^2 = constante Lorenz. Consecuencia: dificil aumentar ZT = S^2*sigma*T/kappa porque aumentar sigma aumenta también kappa_e. Phonon glass electrón crystal PGEC strategy + nanostructures classical Snyder-Toberer 2008 + Kanatzidis 2010.

Aplicaciones industriales Seebeck?

Aplicaciones: thermocouples industriales SERVINDUSTRIA + K J T types + Indra electronics + X-Fab Spain temperature IC; thermoelectric generators TEG GMV waste heat recovery; Peltier coolers solid-state Daikin Carrier + medical sample storage; NASA RTG GMV Sener INTA Crisa; acerias furnaces ArcelorMittal + Acerinox R S type Pt-Rh; spin Seebeck classical.

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