Термоэлектрические преобразования энергии в порах древесины Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 53.082.63

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В ПОРАХ ДРЕВЕСИНЫ В. И. Лисицын, Н. С. Камалова, Н. А. Саврасова, И. П. Бирюкова, Б. М. Кумицкий,

В. В. Саушкин

ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

rc@icmail.ru

Получение и преобразование энергии лежит в основе существования цивилизации. Как показало время, наиболее удобной для практического использования формой энергии является энергия электромагнитного взаимодействия, а самой распространенной - тепловая. Поэтому актуальным является вопрос о методах создания термоэлектрических преобразователей. Особенно были бы удобны твердотельные преобразователи. Спектр материалов для таких устройств пока неширок. В данной работе проводится оценка возможности использования природной древесины для изготовления термоэлектрических преобразователей. Эффективность термоэлектрического преобразователя определяется величиной его добротности [ 1 ] 1Т = аа'Т/Л, (1)

где а - электропроводность материала, X - теплопроводность, а - термоэдс (коэффициент Зеебека), Т=(Т1+ Т2)/2 - средняя температура преобразователя, определяемая через температуры его холодного и горячего контактов. Поскольку Т=(Т+ Т2)/2=Т1+АТ/2, то (1) принимает вид

1Т = 1Т + аа]АТ/2Л . (2)

Здесь 1Тг = оа2^/Л. В основе работы та-

кого преобразователя лежит известный эффект Пельтье - явление, обратное эффекту Зеебека, при котором протекание тока через цепь, состоящую из разнородных металлов или полупроводников, вызывает повышение температуры одного спая и понижение температуры другого спая за счет процессов выделения и поглощения в них тепла. Выражение (2) легко преобразуется к виду

1Т/1Т = 1 + АТ/ 2. (3)

В последнее время для исследования таких природных композитов как древесина используется модель полимерного композита, основными составляющими которого являются частично кристаллическая целлюлоза и аморфный лигнин, представляющий из себя субстанцию, исследуемую методами моделирования. Установлено, что в неоднородном температурном поле за счет различий в тепловом расширении составляющих системы, пьезо- и пироэлектрических свойств целлюлозы и поляризации свободных боковых групп молекул последней возникает электрическое поле. Этот факт подтверждается экспериментально [1, 2, 3]: разность потенциалов в поперечном слое составляет 35-50 мВ при неоднородности температуры порядка 2 К на 100 мкм. Получается, что в древесине за

и = ар АТ,

счет взаимодействия высокомолекулярных компонент ее клеточной стенки возникает разность потенциалов

(4)

где ар - некий коэффициент пропорциональности, характеризующий (подобно коэффициенту Зеебека в полупроводниках) взаимовлияние компонент.

Древесина является пористым материалом. На рисунке приведена электронная фотография поперечного среза березы. Учитывая этот факт, а также то, что в древесине поры заполнены растворами солей (электролитом), в последних во внешнем электрическом поле может возникнуть ток ионов солей.

Рисунок. Электронная фотография поперечного среза березы

Логично предположить, что если к тонкому слою древесины толщины I приложить разность потенциалов, определяемую (4), то мощность электролитического тока солей в порах можно оценить:

и

Р = аТ1 = аТЕ = а Те —S = -р

I р р р I

а2То$АТ

I

(5)

где

о - электропроводность раствора солей,

S - площадь сечения поры, Т = (Т+ Т2)/2 - средняя температура в слое.

Одновременно с этим потоком будет протекать процесс разрушения неоднородности температуры за счет теплопроводности системы мощностью Р<э = -АS АТ/1, где X -

коэффициент теплопроводности. Тогда отношение мощностей этих процессов можно оценить как величину

7 = Р^Рс =аа2р Т/А. (6)

Это выражение, прежде всего, показывает, что за счет своего сложного строения природные пористые биокомпозиты обладают термоэлектрическими свойствами, позволяющими использовать их как материал для создания термоэлектрических преоб-

разователей. Однако в полупроводниковых термоэлектрических преобразователях причиной возникновения эффекта Пельтье является различие средней энергии носителей заряда в разных веществах. В таких биокомпозитах как древесина различие средней энергии носителей заряда может быть связано с тем, что поры древесины содержат растворы солей различной концентрации и состава, а также площадь их сечения изменяется (см. рисунок). Тогда термоэлектрические исследования древесины позволят разрабатывать способы исследования растворов солей в порах древесины, а также измерения силы тока могут лечь в основу принципа работы датчиков по контролю влажности древесины во время сушки.

Библиографический список

1. Евсикова Н.Ю., Камалова Н.С., Матвеев Н.Н., Постников В.В. Новый подход к определению степени кристалличности целлюлозы в древесине // Известия РАН. Серия физическая. 2010. Т. 74, № 9. С.1373-1374.

2. Евсикова Н.Ю., Матвеев Н.Н. и др. Термополяризационные явления в древесном слое // Молодые ученые - 2008 / Материалы V Международной научно-технической школы-конференции. М.:

МИРЭА. Энергоатомиздат, 2008. Ч. 3. С. 72-74.

3. Лисицын В.И., Кумицкий Б.М., Саврасова Н.А.Термоэлектрические свойства древесины при изменении ее влажности // Материалы 4-ой международной научно-практической конференции «Современные энергосберигающие технологии» СЭТТ-2011» 20-23 сентября 2011 Москва /ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет им. Го-рячкина (МГАУ)», 2011. Т. 1. С. 264-266.

УДК 674-419.32

ИССЛЕДОВАНИЕ СМАЧИВАЕМОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ШПОНА И ДРУГИХ

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В. С. Мурзин, Т. Л. Ищенко, О. В. Лавлинская

ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

schenko @таП.ш

Деревообрабатывающую промышленность десятилетия характеризует постоянно растущая тенденция к увеличению объема производства фанеры, древесных плит и других клееных материалов.

С ростом объема и расширением номенклатуры повышаются также требования к качеству клееной продукции. Качество клееной продукции зависит во многом от прочности клеевых соединений.

Одним из основных условий образования высокопрочного клеевого соединения является наличие качественной адгезионной связи в системе клей - древесина.

Адгезия жидкости к твердому телу может быть описана уравнением Дюпре:

Ш =а + а —а ■

А ^^^^Ж ^ТЖ'

где аТ - равновесное поверхностное натяжение твердого тела;

аЖ - равновесное поверхностное натяжение жидкости;

аТЖ - межфазное поверхностное натяжение на границе твердое тело - жидкость.

Из уравнения следует, что аТ и аЖ должны иметь большие значения , но при этом поверхностное натяжение твердого тела аТ должно быть выше поверхностного натяжения жидкости.

В ранее проведенных исследованиях по смачиваемости и поверхностному натяжению или свободной поверхностной