Thermoelement
Temperaturmessung
Ein Thermoelement ist ein Bauteil aus zwei verschiedenen Metallen, welches sich des Seebeck-Effektes bedient, um eine Spannung zu erzeugen. Diese kann zum Beispiel genutzt werden um Temperaturen zu messen.
Der Seebeck-Effekt besagt, dass zwei Metalle die miteinander verbunden werden, an Ihren Grenzschichten eine thermoelektrische Spannung entstehen lassen. Diese Spannung ist temperaturabhängig und bewegt sich in einem Bereich von wenigen Mikrovolt. Mit Hilfe der sogenannten thermoelektrischen Spannungsreihe (vgl. DIN EN 60584) kann eine Aussage über die Temperatur an der Messstelle gemacht werden. Jedes Metall besitzt einen thermoelektrischen Koeffizienten, der meist gegen Platin angegeben wird. Auf eine physikalische Erklärung des Seebeck-Effekts soll an dieser Stelle nicht weiter eingegangen werden. Eine einfache phänomenologische Gleichung ist für die Praxis vollkommen ausreichend:
Uth = (kNiCr − kNi) * TMess
Als Beispiel wurde in obiger Formel ein sogenanntes K-Thermoelement beschrieben, dass sich aus einer Nickel-Chrom/Nickel Verbindung zusammensetzt, wobei kNiCr und kNi die thermoelektrischen Koeffizienten der Metalle Nickelchrom und Nickel darstellen und TMess die gesuchte Temperatur an der Messstelle ist.
Die Thermospannung wird meist durch einen geeigneten Verstärker aufbereitet und anschließend messtechnisch erfasst. Über einen Vergleich mit einer Referenzstelle (meist Eiswasser) und mit Hilfe der bekannten Steigung der obigen Geradengleichung des Thermoelements, kann dann die Temperatur an der Messstelle besser als ein Zehntel Kelvin genau bestimmt werden.
Die Hintereinanderschaltung mehrerer Thermoelemente ergibt eine Thermosäule, auch Thermopile genannt. Diese werden als empfindliche Infrarotdetektoren verwendet, da die thermoelektrische Spannung sich entsprechend der Anzahl der Thermoelemente vervielfacht.
Energiewandlung
Theoretisch ist auch die Wandlung von Wärme in elektrische Energie möglich. Heute verfügbare thermoelektrische Elemente haben jedoch nur einen verhältnismäßig geringen Wirkungsgrad, hinsichtlich Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Umweltneutralität sind sie allen anderen Technologien überlegen. Insbesondere die FCKW-Problematik (Organic Rankine Cycle) spricht für den Einsatz von thermoelektrischen Elementen.
Moderne thermoelektrische Elemente erreichen nur einen Bruchteil des Carnot-Wirkungsgrades. Die besten experimentellen Materialien erreichen Spitzenwerte von ca. 17 % des Carnot-Wirkungsgrades. Aktuelle Materialien sind Bi2Te3, PbTe, SiGe, BiSb oder FeSi2. Werkstoffe mit signifikant besseren thermodynamischen Eigenschaften sind aktuell nicht bekannt. Existierende thermoelektrische Elemente mit ZT ~ 1 füllen nur Nischen, jedoch würde eine deutliche Steigerung von ZT die mechanischen Lösungen verdrängen wie einst der Transistor die Vakuumröhre.