Esperimenti di termodinamica con Celle Peltier

La cella Peltier è un elemento, detto anche Frigistor, consistente di una serie di giunzioni tra metalli diversi, che possono funzionare come termocoppie (ovvero, quando le giunzioni dispari sono termicamente ancorate ad un serbatoio a temperatura T1 e quelle pari sono termicamente ancorate ad un serbatoio a temperatura diversa T2, ai capi della serie di giunzioni appare una forza elettromotrice), ma anche come pompa di calore (quando le giunzioni sono percorse da una corrente continua trasferiscono calore da una faccia dell’elemento cui sono termicamente ancorate le giunzioni pari alla faccia opposta cui sono termicamente ancorate le giunzioni dispari).

Un apparato didattico, progettato per lo studio del comportamento di una cella Peltier, può essere usato anche per studiare vari processi termodinamici interessanti: transizione di fase liquido-solido, soprafusione, abbassamento del punto di congelamento, misure di calore latente di fusione…

L’apparato consiste in due celle Peltier accoppiate, alimentate in serie con la faccia “calda” raffreddata da un ventilatore e la faccia “fredda” accoppiata ad un contenitore in alluminio, (volume utile 10 cc) .
Sia la faccia calda che quella fredda sono dotate di alloggiamento per sonde termometriche, e un terzo termometro misura la temperatura del liquido nel contenitore.
Il sistema è montato su una basetta con una serie di boccole per realizzare diverse configurazioni di misura, ivi incluso lo studio dell’efficienza delle celle come pompa di calore o come generatore elettrico alimentato da un gradiente termico tra due serbatoi, che muove una ventolina mediante un motorino c.c..

Esempio di misura di acqua sopra-raffreddata: al tempo t=318 secondi la discontinuità nel grafico della temperatura dell’acqua mostra la transizione liquido-solido che inizia a T= – 4.3 celsius.
Mentre si forma il ghiaccio in tutto il volume di acqua la temperatura riprende a scendere lentamente (per effetto di un gradiente termico non nullo) e quando tutto il liquido si è solidificato (a t=1000 s) la pendenza dT/dt torna a crescere .
Da questi dati (nota la massa del liquido e del serbatoio in rame e trascurando la capacità termica del termometro) è possibile ricavare una misura del calore latente di fusione del liquido (nel caso illustrato in figura si tratta di acqua).

Misurando tensione e corrente erogate su un carico (per esempio la ventola azionata da motorino) quando viene riscaldata una faccia della cella Peltier è possibile stimare l’efficienza del processo.

Ripetendo misure di raffreddamento di un liquido con e senza coperchio adiabatico (multistrato di foglietti in mylar alluminato) si può mettere in evidenza l’importanza dell’effetto della evaporazione. Misure analoghe senza liquido rivelano l’importanza dell’irraggiamento.