열전효과

왜 배우는가: 열전효과는 제백·펠티에·톰슨 현상으로 나뉘며, 열전대 온도 측정과 열전 냉각·발전 소자의 원리가 된다. 전기가열 분야에서 온도 제어와 에너지 변환을 설명하는 기초 개념이라 기술사 시험에서 용어형과 논술형으로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제131회 1교시 4번, 제112회 1교시 1번, 제100회 4교시 3번, 제94회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

열전효과는 온도차와 전기 사이의 가역적 에너지 변환을 나타내며, 제백(Seebeck)·펠티에(Peltier)·톰슨(Thomson) 효과의 총칭이다.

• 열전효과: 두 종류 도체의 온도차로 기전력이 생기거나, 전류로 열이 흡수·발생하는 현상의 총칭
• 제백 효과(Seebeck Effect): 온도차에 의해 기전력이 발생하는 현상
• 펠티에 효과(Peltier Effect): 전류가 접합부를 흐를 때 열이 흡수 또는 발생하는 현상
• 톰슨 효과(Thomson Effect): 온도 기울기가 있는 도체에 전류가 흐를 때 열이 흡수 또는 발생하는 현상
• 제백 계수(Seebeck Coefficient): 온도차당 생기는 기전력의 크기
• 펠티에 계수(Peltier Coefficient): 단위 전하당 운반되는 열량
• 가역성: 펠티에·제백·톰슨 효과는 열역학적으로 가역이며 줄 발열은 비가역이다
• 열전대(Thermocouple): 제백 효과를 이용한 온도 측정 소자

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 서로 다른 두 금속을 이어 한쪽은 뜨겁게 다른 쪽은 차갑게 하면 전압이 생기고, 반대로 전류를 흘리면 한쪽은 식고 다른 쪽은 뜨거워지는 현상이다. 이 두 방향의 현상을 묶어 열전효과라고 부른다.

정식 정의는 다음과 같다. 열전효과(Thermoelectric Effect)는 온도 차이와 전기적 현상이 서로 변환되는 현상의 총칭이며, 제백 효과, 펠티에 효과, 톰슨 효과의 세 가지로 구분된다. 교재에 따라 두 효과를 묶어 펠티에-제백 효과(Peltier-Seebeck Effect)라고 부르기도 한다.

제백 효과(Seebeck Effect)는 서로 다른 도체의 양 끝을 서로 다른 온도로 유지할 때 두 끝 사이에 전압(기전력)이 나타나는 현상이다. 발생 전압은 온도차와 재료 고유의 제백 계수에 비례한다. 1821년 토마스 요한 제벡(Thomas Johann Seebeck)이 처음 관찰했으며, 그는 원인을 잘못 설명했다. 제백 계수는 재료마다 다르며 온도에 따라 변한다. 열전대는 이 효과로 온도를 재므로 계수가 시간에 따라 안정된 재료를 쓴다.

펠티에 효과(Peltier Effect)는 서로 다른 두 도체의 접합부에 전류를 흘릴 때 접합부에서 열이 흡수되거나 방출되는 현상이다. 단위 시간당 흡수·방출 열량은 \dot{Q}=\Pi_{AB} \cdot I로 나타낸다. 여기서 \dot{Q}는 접합부에서 흡수되는 열량(W), \Pi_{AB}는 상대 펠티에 계수(V), I는 흐르는 전류(A)이다. 전류 방향에 따라 한 접합부는 식고 다른 접합부는 가열된다. 펠티에 효과는 제백 효과의 역현상이며, 열전 냉각 소자와 열전 히트 펌프의 원리가 된다.

톰슨 효과(Thomson Effect)는 제백 계수가 온도에 따라 달라지는 재료에서 온도 기울기가 있을 때, 그 기울기 위로 전류가 흐르면 도체 내부에서 연속적으로 열이 흡수되거나 발생하는 현상이다. 발생 열량은 전류와 온도 기울기에 비례하며, 비례 상수를 톰슨 계수라 한다. 1851년 켈빈 경(Lord Kelvin, William Thomson)이 예측하고 관찰했다. 톰슨 효과는 펠티에 효과를 연속적으로 확장한 것으로 본다.

줄 발열(Joule Heating)은 전류가 저항을 지날 때 생기는 열로, 열전효과에는 포함하지 않는다. 열전효과는 전류 방향에 따라 열의 흡수·발생이 바뀌지만, 줄 발열은 전류의 제곱에 비례하며 방향과 무관하게 항상 발생하는 비가역 현상이다.