¿Qué es el Efecto Peltier?

Cuando hace un par de días hablamos sobre la historia de la nevera, Iñigo sugirió dedicar un artículo a una forma de refrigeración diferente a la que usan la mayor parte de los frigoríficos (que es la refrigeración por compresión que describimos en el artículo). Esa forma alternativa de refrigeración se basa en un efecto termoeléctrico fascinante, el llamado Efecto Peltier, al que está dedicado esta entrada. ¿Quieres saber cómo enfriar algo utilizando simplemente una corriente eléctrica? Pues sigue leyendo.

Si eres lector habitual, estás acostumbrado a estos avisos, pero si no lo eres, ten en cuenta la filosofía de El Tamiz: “Antes simplista que incomprensible”. Voy a realizar simplificaciones para hacer el asunto comprensible a los legos en la materia. Si eres un experto en termoelectricidad, puede que rechines los dientes mientras lees este artículo, pero si eres un experto en termoelectricidad, ¿qué diablos estás haciendo leyendo un artículo introductorio como éste?

Antes de ir directamente al Efecto Peltier, te pido un poco de paciencia mientras establecemos algunas analogías que me permitan explicar en qué consiste, a partir de cómo se comportan los electrones en un conductor:

Como probablemente sabes, cuando un conductor es recorrido por una corriente eléctrica, hay electrones que se mueven por el conductor. Esos electrones no son libres: si quisiéramos arrancarlos del conductor, haría falta que gastásemos energía para liberarlos. Dependiendo de la naturaleza del conductor, los electrones de su interior están más o menos “atrapados” en el material.

Puedes imaginarlo de esta manera: un electrón en el interior de un conductor es como una canica en el interior de un cuenco. Para sacar el electrón del material (o la canica del cuenco) hace falta realizar un trabajo. Algunos materiales son “cuencos profundos”, y los electrones en su interior están muy “amarrados”: tienen muy poca energía, y hace falta mucho trabajo para liberarlos. Otros son “cuencos llanos”, y con dar un poco de energía a sus electrones, escapan del conductor.

Bien, ahora piensa en un conductor por el que circula una corriente eléctrica: los electrones se están moviendo. En la analogía de la canica, ahora el conductor no es un cuenco: es una especie de surco en el suelo, por el que se mueven los electrones. Que los electrones se muevan por él no quiere decir que sean libres: no pueden salir del conductor salvo que alguien les dé energía (los “saque del surco” de un empujón).

Llegamos ahora al quid de la cuestión. Supón que no tengo un solo conductor sino dos conductores diferentes, el conductor “verde” y el conductor “rojo”. Y supón que ambos conductores no “amarran” los electrones igual de intensamente: el conductor verde es un cuenco (o un surco, cuando los electrones se mueven) muy profundo, es decir, los electrones en el conductor verde tienen muy poca energía. Pero el conductor rojo es menos avaro con sus electrones, es un “cuenco poco profundo”, y los electrones que circulan por él tienen más energía – haría falta poco trabajo para arrancarlos de él.

Si conectamos estos dos conductores (uno cuyos electrones tienen muy poca energía, y otro cuyos electrones tienen más energía) uno a continuación del otro, y a una pila, de modo que por ellos circule la corriente eléctrica (como se muestra en la figura), ocurre algo en apariencia extrañísimo:

Un electrón que circula por el conductor verde tiene muy poca energía, y llega un momento en el que tiene que pasar al conductor rojo. Es como si una canica fuera por un surco muy profundo y se encontrase con una “cuesta arriba” que lo conecta con un surco menos profundo. Lo que sucede entonces es lo mismo que sucedería con la canica: según ésta sube la cuesta, gana energía potencial pero pierde energía cinética, es decir, cuando llega arriba se mueve más despacio de lo que hacía abajo.

Al electrón le sucede exactamente lo mismo: cuando pasa del conductor verde (donde su energía potencial eléctrica es muy pequeña) al conductor rojo (donde tiene más energía potencial eléctrica) se mueve más despacio. Pero, puesto que la temperatura es una medida de la energía cinética media de las partículas que componen un material (y los electrones son unas de esas partículas), como consecuencia lógica e inevitable la temperatura de la zona de transición de un conductor a otro desciende. ¡Se enfría! Esto fue observado por primera vez por el francés Jean Peltier en 1834, y por eso lleva su nombre.

Pero ¿qué sucede al revés, cuando el electrón que se mueve despacio y va por un “surco poco profundo” pase del conductor rojo al verde? Pues, evidentemente, justo lo contrario: según “baja la cuesta” y cae hacia el conductor verde, donde su energía pootencial eléctrica es menor, se acelera. Y, como consecuencia, la temperatura de la “cuesta abajo” aumenta.

Al final lo que sucede es que se tiene un circuito cerrado, una de cuyas mitades está más caliente que la otra: de hecho, una está más fría que la temperatura ambiente y la otra está más caliente (cuantos más electrones recorran el circuito, mayor diferencia de temperatura). Al igual que en los sistemas de refrigeración por compresión de los que hablamos antes, ocurre algo muy raro y que parece antinatural: donde antes no había una diferencia de temperatura, ahora la hay, como consecuencia de que la temperatura no sea otra cosa que una medida de cómo de rápido se mueven las partículas de un material.

Es posible utilizar este efecto para construir un sistema de refrigeración, denominado refrigerador Peltier o refrigerador termoeléctrico, que consiga enfriar algo simplemente con una corriente eléctrica. Los dos conductores pueden ser dos metales, o dos semiconductores (uno de tipo n y otro de tipo p). A diferencia de la refrigeración en una nevera, no hay partes móviles, no hay líquido refrigerante, no hay bombas. Ésa es la ventaja fundamental de un refrigerador Peltier.

Refrigerador Peltier.

Pero, como bien sabes, nuestras neveras no suelen usar este efecto. La razón, por supuesto, es que es de una eficiencia minúscula. Para empezar, la diferencia de energía de los electrones entre los dos conductores (sean cuales sean) no es muy grande, de modo que hace falta una enorme cantidad de electrones recorriendo el circuito para que se note una diferencia de temperatura apreciable: es decir, hace falta una gran intensidad de corriente…y, como probablemente sabes, eso calienta el circuito (tanto uno como otro conductor) por el efecto Joule, lo cual hace que la parte fría ya no esté tan fría. Además, hace falta disipar el calor desprendido por la parte caliente del circuito (por ejemplo, con ventiladores o con refrigeración por agua), lo cual también utiliza energía.

Al final, un refrigerador Peltier tiene un rendimiento del 5-10% del máximo teórico (el de un refrigerador de Carnot), mientras que el refrigerador de tu nevera tiene un 40-60% del maximo teórico. Es decir, que los refrigeradores Peltier son unas 6-8 veces menos eficaces que los de compresión. Sin embargo, son útiles en muchas situaciones: por ejemplo, pequeñas neveras para acampada (pues un Peltier ocupa muy poco sitio) o sistemas de refrigeración de circuitos electrónicos (por la misma razón). También se emplea en naves espaciales y satélites para enfriar la parte del aparato que recibe la luz solar (la parte caliente del circuito se sitúa en la cara oscura de la nave, para que irradie calor al espacio).

Por cierto, esto puede sonar aún más raro, pero puede usarse un circuito así para hacer justo lo contrario: calentar un conductor y enfriar el otro… ¡para producir una corriente eléctrica! Esto se denomina Efecto Seebeck, pero eso es harina de otro costal o, en este caso, de otro artículo.