thermoélectricité

[inviteb26e2921]

Bonjour,

Je dois réaliser un projet sur la conversion de chaleur en électricité, autrement dit la thermoélectricité. Il s'agit d'étudier le principe de la thermopile (qui en est une application ancienne), des phénomènes physiques impliqués et de créer un dispositif expérimental permettant de vérifier qualitativement ces derniers. Alors pour revenir justement à ces phénomènes physiques, pourriez-vous me donner quelques explications à l'échelle microscopique.
En effet, l'explication macroscopique (plutôt empirique) peut se résumer ainsi : Lorsque l'on applique un gradient de température au niveau des jonctions de deux matériaux couplés, un courant circule de la source chaude vers la source froide (en tout cas c'est ce que j'ai cru comprendre).
Maintenant j'ai beaucoup plus de mal à comprendre ce qui se passe au niveau microscopique avec l'agitation thermique, les phénomènes de transport, les phonons, etc... Je n'ai pas fait de thermodynamique du solide pour l'instant (un peu de méca flu seulement) mais ma passion pour la physique me pousse à ne pas avoir de vision simpliste et à avoir une intelligence complète des processus qui régissent notre monde. Après ces grands mots , je réitère ma demande : pourriez-vous m'aider à comprendre la thermoélectricité et les phénomènes physiques associés?
Merci d'avance.
-----

[mariposa]

Bonjour,

Je dois réaliser un projet sur la conversion de chaleur en électricité, autrement dit la thermoélectricité. Il s'agit d'étudier le principe de la thermopile (qui en est une application ancienne), des phénomènes physiques impliqués et de créer un dispositif expérimental permettant de vérifier qualitativement ces derniers. Alors pour revenir justement à ces phénomènes physiques, pourriez-vous me donner quelques explications à l'échelle microscopique.
En effet, l'explication macroscopique (plutôt empirique) peut se résumer ainsi : Lorsque l'on applique un gradient de température au niveau des jonctions de deux matériaux couplés, un courant circule de la source chaude vers la source froide (en tout cas c'est ce que j'ai cru comprendre).
Maintenant j'ai beaucoup plus de mal à comprendre ce qui se passe au niveau microscopique avec l'agitation thermique, les phénomènes de transport, les phonons, etc... Je n'ai pas fait de thermodynamique du solide pour l'instant (un peu de méca flu seulement) mais ma passion pour la physique me pousse à ne pas avoir de vision simpliste et à avoir une intelligence complète des processus qui régissent notre monde. Après ces grands mots , je réitère ma demande : pourriez-vous m'aider à comprendre la thermoélectricité et les phénomènes physiques associés?
Merci d'avance.

;
Bonjour,

Je vais essayer de t'aider pour le mieux.

Quand tu mets 2 matériaux differents en contact ces 2 derniers vont se mettre à l'équilibre thermodynamique. cette équilibre se traduit par l'égalité du potentiel électrochimique.
;
Ce potentiel électrochimique dans le langage microscopique c'est l'énergie de Fermi rapportée au vide. Cela veut dire que celui-ci est constant dans lers 2 matériaux.
;
Si maintenant tu appliques une différence de température entre les 2 matériaux (plus généralement un gradient) tu vas faire varier le niveau de Fermi d'un matériau par rapport à l'autre (tu rompts l'équilibre thermodynamique). Le système va réagir en transférant des électrons d'un coté à l'autre pour rétablir l'équilibre. A ce transfert est associé un courant électrique si le circuit est fermé ou une ddp si le circuit est ouvert. on appelle çà l'effet Seebeck

[inviteb26e2921]

Merci mariposa !

Tout ce que vous dites est clair et j'ai l'impression de comprendre.
Par contre vous dites, l'énergie de Fermi rapportée au vide, c'est-à-dire que cette énergie varie en fonction des milieux et que seule la valeur rapportée au vide est intrinsèque au matériau (comme la longueur d'onde pour une onde) ? c'est-à-dire que cette caractéristique est determinée quand la particule est placée dans le vide?
Si le niveau de Fermi d'un matériau augmente, cela veut dire que pour avoir une occupation symétrique des niveaux d'énergie par rapport au niveau de Fermi, il faudra plus d'électrons : la moitié avec une énergie inférieur à l'énergie de Fermi et l'autre moitié avec une énergie supérieure à elle, c'est bien ça? Et comment se fait exactement cette occupation symétrique? avec un remplissage complet des niveaux inférieurs à l'énergie de Fermi?
Sinon, je voudrais savoir ce que représente exactement le potentiel électrochimique d'un point de vue physico-chimique (je ne l'ai étudié qu'à partir de la loi de Nernst...).

[mariposa]

Merci mariposa !

Tout ce que vous dites est clair et j'ai l'impression de comprendre.
Par contre vous dites, l'énergie de Fermi rapportée au vide, c'est-à-dire que cette énergie varie en fonction des milieux et que seule la valeur rapportée au vide est intrinsèque au matériau (comme la longueur d'onde pour une onde) ? c'est-à-dire que cette caractéristique est determinée quand la particule est placée dans le vide?

.
L'énergie de Fermi a plusieurs facettes. Afin de ne pas partir dans toutes les directions restons au problème qui te concerne, les métaux.
.
Les électrons libres dans un métal sont répartis en énergie jusqu'a la valeur la plus élevée qui est l'énergie de Fermi. L'image est que le niveau de Fermi correspond au niveau de la mer.
.
Pour arracher un électron d'un métal l'énergie minimun à fournir est de le prendre au niveau de Fermi (la surface de la mer). on appelle ça travail d'extraction (ou énergie d'înisation). On peut repérer les énergie de Fermi des métaux par une origine commune qui est l'origine du vide.

Par exemple:

métal A EF = -3.eV
métal B EF = -4.eV
.

De cette idée simple: Si l'on met en contact 2 métaux l'ensemble n'est plus à l'équilibre thermodynamique: Il va donc y avoir un transfert d'électrons du niveau le plus haut vers le niveau le plus bas (comme ce serait le cas par la mise en contact de 2 bassins dont le niveau est différent, comme les écluses). Donc dans notre cas du métal A vers le métal B.

Le potentiel électrochimique.

l'idée que l'équilibre mécanique entre deux bassins d'eau se traduit par un transfert de matière se généralise en thermodynamique par le concept de potentiel chimique généralisé.
.
1- On montre qu'un système thermodynamique qui peut échanger avec l'extérieur de l'énergie et de la matière est à l'équilibre thermodynamique lorsqu'une fonction G (énergie libre de Gibbs) est maximale.
;
2- si le système reçoit une quantité de matière dN alors G varie de dG = mu.dN. donc

mu = dG/dn est le potentiel chimique.
.
Il est facile de comprendre qu'un matériau ayant des gradients de concentration aura tendance a casser son gradient pour uniformiser la distribution et donc rendre mu = 0. Mais cela est trompeur car les particules portent différentes sortes d'énergie avec elles et çà change tout.
.
Image un soluté dans 2 solutions différentes de chaque coté d'une membrane mais avec la même concentration. Le système n'est pas en équilibre thermodynamique en dépit de l'égalité des concentrations. Il y a un gradient de potentiel chimique qui va conduire l'évolution vers l'équilibre et ce par l'intermédiaire d'un transfert de soluté à travers la membrane. A l'issue de ce transfert le potentiel chimique sera constant dans l'ensemble: l'équilibre thermodynamique est atteint.
;
Maintenant suppose que le soluté est composé de particules chargées dans ce cas on démontre que:

mu (r) = mu° (r) + q.V(r)

Le potentiel électrochimique est la somme du potentiel chimique et du potentiel électrique.
.
Il est facile de comprendre que le transfert d'une molécule de soluté électriquement chargé transporte en plus de l'énergie chimique de l"energie électrique potentiel.
.
Le niveau de Fermi est tout simplement unn potentiel électrochimique.

[A voir en vidéo sur Futura]