Công nghệ Peltier

Mặc dù hiện tượng cảm ứng điện nhiệt đã được phát hiện hơn 150 năm về trước nhưng nó chỉ được áp dụng vào các thiết bị, máy móc trong khoảng mười năm trở lại đây. Ban đầu, các bộ làm mát nhiệt điện (TECs) được phát triển song song trên cả hai lĩnh vực là điện và quang, đặc biệt là hiển vi điện tử và công nghệ laser.  Nhờ các bộ làm mát này, lĩnh vực hiển vi điện tử đã đạt được các bước tiến đặc biệt quan trọng như đi-ốt laser, đi-ốt siêu quang (superluminescent diodes), các loại cảm biến quang học (DPSS, CCD, FDA và các loại khác).

Về lý thuyết, sự chênh lệch nhiệt độ tại khoảng trống giữa hai chất dẫn điện tạo ra một dòng điện, và ngược lại, nếu có dòng điện chạy trong hai bản cực thì cũng tạo ra sự chênh lệch nhiệt động giữa chúng. Hiện tượng này được đặt theo tên của nhà khoa học người Pháp đã phát hiện ra nó năm 1934 là Jean Peltier (1785-1845). Dựa trên nguyên tắc này, người ta đã tạo ra các module làm mát nhiệt điện. Trái với lý thuyết của Joul, nhiệt năng tỷ lệ thuận với bình phương điện tích:

Q=RI²

Nhiệt Peltier (Q_p) sẽ phụ thuộc vào cường độ dòng điện cũng như điện tích theo một đường tuyến tính:

Q_p=P.q

Trong đó q là điện tích đi qua khoảng trống giữa hai bản dẫn điện (q=I.t); P là hệ số Peltier, hệ số này đặc trưng cho từng vật liệu và có thể được tính theo công thức:

P=α.T

Với α là hệ số Seedbeck được tính dựa trên khả năng tương tác của vật liệu, đặc tính cũng như nhiệt độ của chúng. T là nhiệt độ tính theo thang Kelvins.

Một module nhiệt điện được cấu thành từ một cặp nhiệt điện (các chân bán dẫn loại N và P), chúng là các đường nối điện giữa hai bản cực song song và được cố định bởi các chân hàn. Xét về cấu tạo cụ thể, một module nhiệt điện thường gồm các phần:

-          Ma trận điều hòa module, các Pellet, chúng thường là các chất bán dẫn như bismuth telluride (BiTe), antimony telluride hay các chất khác, trong đó BiTe được sử dụng chủ yếu trong các bộ làm mát nhiệt điện.

-          Các tấm gốm tạo nên hình dáng cho module đồng thời cũng là điểm tựa cho toàn bộ hệ thống. Chúng phải tuân theo các quy chuẩn rất nghiêm ngặt về khả năng cách điện nhưng phải có khả năng dẫn nhiệt tốt, các tấm gốm có pha nhôm oxit (Al₂O₃) được sử dụng khá phổ biến do chúng có khả năng dẫn nhiệt tốt song lại có chi phí thấp. Các loại gốm khác có pha nhôm nitrite (AlN) và beryllium oxit (BeO) cũng được sử dụng tương đối nhiều, mặc dù chúng có khả năng dẫn nhiệt tốt hơn gấp năm đến bảy lần so với Al₂O₃nhưng chúng lại có giá thành cao hơn hẳn. Hơn nữa, công nghệ sử dụng BeO thường khá độc hại.

-          Các tấm dẫn điện liên kết các pellet với nhau. Nhiều dòng thiết bị làm mát nhiệt điện sử dụng các tấm film làm chất dẫn điện (cấu trúc gồm nhiều lớp đồng mỏng) và đặt trên các tấm gốm. Đối với các thiết bị có kích thước lớn và công suất cao, chúng được làm từ các tấm đồng nhằm làm giảm điện trở.

Hoạt động

Bộ làm mát điện nhiệt được mô tả bởi các thông số hoạt động tối đa với nhiệt độ cao (T₁). Thường thì họ sử dụng các thông số sau:

ΔTmax: Nhiệt độ khác biệt tối đa tại thời điểm tải nhiệt Q=0

Qmax: khả năng làm mát tối đa ứng với ΔTmax=0

Imax: điên tích của thiết bị ứng với ΔTmax

Umax: Hiệu điện thế tới đa tại ΔTmax

Nhà sản xuất thường chế tạo các thiết bị với nhiệt độ hoạt động ở 27⁰C trong chân không hoặc 50⁰C trong môi trường Ni-tơ.

Đồ thị hoạt động tiêu chuẩn: Đây là thông số kỹ thuật quan trọng của một bộ làm mát điện nhiệt gồm các đồ thị mô tả mối quan hệ giữa Imax, Umax, Qmax và ΔTmax. Các thông số hoạt động và các đồ thị hoạt động tiêu chuẩn được ghi lại bởi nhà sản xuất tại nhiệt độ 300⁰K và trong môi trường chân không.

Đồ thị hoạt động tối ưu: Đây là các thông số kỹ thuật của thiết bị khi hoạt động với hiệu suất tối đa.

Hệ số chất lượng: Các thông số khác như độ dẫn nhiệt, điện trở và hệ số Seebeck là các thông số quan trọng nhằm mô tả đặc tính của vật liệu chế tạo nhưng chúng lại không được liệt kê trong bảng thông số kỹ thuật của các bộ làm mát nhiệt điện thương mại. Để mô tả chúng, người ta sử dụng đại lượng Z:

Z = (α²)/(kR)

Z thường dao động trong khoảng 2,5 – 3,2 x 10^-3 K^-1. Sau khi  biết được giá trị Z, người ta có thể ước lượng ΔTmax của một bộ làm mát một tầng nhờ công thức

ΔTmax = (1/2).Z.T₀²

Tuổi thọ: Các dòng bộ làm mát nhiệt điện thương mại thường có tuổi thọ khá dài, từ 250,000 đến 350,000 giờ sử dụng trong điều kiện bình thường. Các con số này phụ thuộc rất lớn vào công nghệ chế tạo và vật liệu chế tạo. Trong nhiều lĩnh vực, bộ làm mát nhiệt điện là một bộ phận thiết yếu do chúng có thể điều chỉnh nhiệt độ và khả năng hoạt động của máy, đây là lý do vì sao việc kiểm tra tuổi thọ của bộ làm mát nhiệt điện luôn được xem trọng trong quá trình sản xuất.

Lựa chọn module nhiệt điện:

Việc lựa chọn module nhiệt điện dựa trên các thông số hoạt động như:

-          ΔT: Biên độ nhiệt độ hoạt động

-          Q: Khả năng làm lạnh

-          I: Điện tích hoạt động

-          U: Điện thế hoạt động

Phụ thuộc vào các nhóm (đơn tầng hay đa tầng), có các loại module với các khả năng làm lạnh khác nhau. Khả năng làm lạnh phụ thuộc vào số pellet sử dụng cũng như hình dạng cấu tạo của module. Đối với các dòng module có pellet ngắn, chúng có khả năng làm mát cao nhưng lại tiêu thụ điện nhiều và điện tích hoạt động cũng cao. Các dòng có pellet nhỏ thì biên độ nhiệt thay đổi cao và tiêu thụ ít điện năng hơn nhưng khả năng làm mát lại tương đối thấp. Nếu xem xét một cách nghiêm ngặt nguồn điện cung cấp, việc lựa chọn module sẽ trở nên phức tạp hơn nhiều.

Tháp làm mát (module đa tầng)

Trên thực tế, tuổi thọ sử dụng của các linh kiện nhiệt điện lạnh phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như cách thức thiết kế tháp, vật liệu sử dụng để tạo khả năng tiếp xúc nhiệt tố cũng như tối thiểu hóa sự kháng nhiệt.

Tháp cơ khí: module nhiệt điện được đặt giữa hai vùng chênh lệch nhiệt độ. Thiết kế dạng sandwich được cố định bởi các đinh vít hay bằng các phương thức cơ khí khác. Kỹ thuật này cho phép lắp ráp tháp làm mát một cách nhanh chóng cũng như thuận tiện cho việc tháo rời khi cần thiết, do đó chúng được sử dụng để tạo các bộ làm mát kích thước lớn.

Tháp hàn: Đây là phương pháp chế tạo phổ biến nhằm tạo các bộ làm mát kích thước nhỏ. Phương pháp này tạo cho module một lớp vỏ kim loại bề mặt (mặt nóng và mặt lạnh). Khi hàn, bộ làm mát nhiệt điện được đốt nóng trong thời gian ngắn ở nhiệt độ rất cao. Do đó, điểm nóng chảy phần hàn bên ngoài phải luôn thấp hơn phần hàn bên trong của module và thời gian hàn cần thu lại càng ngắn càng tốt để giảm thời gian quá tải nhiệt. Thông thường, phương pháp này không được áp dụng cho việc tạo các thiết bị có kích thước quá 18 mm do chúng có thể gây quá tải nhiệt, trong trường hợp bắt buộc, nhà chế tạo phải lựa chọn vật liệu một cách cẩn trọng.

Tháp dán: đây là phương pháp được sử dụng rất phổ biến do tính đơn giản của nó. Thông thường, các cầu epoxy sẽ được lấp đầy bởi các chất có tính dẫn nhiệt cao như bột than chì, bạc, silicon nitrite (SiN), hoặc các chất khác. Tuy nhiên, cần rất thận trọng khi chọn vật liệu, đối với một số cầu epoxy có nhiệt độ hoạt động thấp, không nên dùng chúng làm linh kiện trong các máy có nhiệt độ hoạt động cao. Đây cũng không phải một phương pháp thích hợp cho các lĩnh vực cần độ chân không cao do cầu epoxy có thể tạo ra sự dò khí.

Biên dịch: Phạm Ngọc Sơn

Nguồn:

TEC Microsystems: http://www.tec-microsystems.com/EN/Home.html

Lý thuyết trò chơi trong tiến hóa

1.       Lịch sử hình thành

R.A.Fisher được xem là người đầu tiên áp dụng lý thuyết trò chơi vào sinh học tiến hóa (The Genetic Theory of Nature Selection- Tạm dịch “Lý thuyết di truyền của chọn lọc tự nhiên” (1930)), trong công trình của mình, ông đã cố gắng thử giải thích sự cân bằng về tỷ lệ giới tính trong quần thể động vật có vú. Một vấn đề được đặt ra là vì sao tỷ lệ giới tính luôn cân bằng hoặc xấp xỉ vậy, không bao giờ có sự chênh lệch quá lớn về một giới nào đó. Fisher thấy rằng việc tính toán số cá thể trong quần thể phù hợp để thu được con số mong muốn ở đời cháu phụ thuộc rất lớn vào sự phân bố giới tính trong quần thể ban đầu. Khi số lượng cá thể cái trong quần thể tăng mạnh thì kéo theo đó, số lượng cá thể đực cũng tăng cao và ngược lại. Fisher chỉ ra rằng, trong các trường hợp cụ thể, động học tiến hóa (evolutionary dynamics) thường dẫn đến sự cân bằng giới tính. Thực tế cho thấy rằng, sự cân bằng quần thể phụ thuộc rất lớn vào tần số giới tính trong quần thể ban đầu.

Các luận cứ của Fishers cho rằng có thể sử dụng lý thuyết trò chơi để giải thích các vấn đề. Năm 1961, R.C.Lewontin lần đầu áp dụng lý thuyết trò chơi vào sinh học tiến hóa trong công trình “Tiến hóa và các nguyên lý trò chơi”. Năm 1972, Maynard Smith đã đưa ra khái niệm chiến lược tiến hóa bền vững (Evolutionarily stable strategy – ESS) trong công trình “Lý thuyết trò chơi và cuộc chiến sinh tồn” – Game Theory and the Evolution of Fighting. Tuy nhiên, khái niệm này chỉ trở nên phổ biến từ năm 1973, khi công trình Logic các xung đột của động vật (The Logic of Animal Conflict) của Maynard Smith và Price. Sau đó, kể từ năm 1984, với công trình “Sự tiến hóa của hợp tác” (Evolution of Cooperation), Robert Axelrod đã thổi bùng công cuộc nghiên cứu sinh thái và khoa học xã hội dưới góc nhìn của Lý thuyết trò chơi về Tiến hóa.

2    2. Tiếp cận lý thuyết trò chơi trong tiến hóa

Có hai con đường để nghiên cứu lý thuyết trò chơi trong tiến hóa. Cách đầu tiên là đi theo con đường của Maynard Smith và Price với việc sử dụng chiến lược tiến hóa bền vững như một công cụ cơ bản để phân tích. Cách tiếp cận thứ hai là xây dựng một mô hình rõ ràng về sự thay đổi chiến lược trong quần thể và nghiên cứu các đặc điểm của động học tiến hóa theo mô hình tần số đó.

2.1. Tiến hóa bền vững

Như một ví dụ cụ thể về cách tiếp cận đầu tiên, Maynard Smith và Price đã phân tích trò chơi Diều hâu- Bồ câu trong công trình “Logic các xung đột của động vật”. Trong trò chơi này, hai cá thể cạnh tranh nhau về nguồn lợi cố định V và từng cá thể có quyền lựa chọn một trong hai chiến thuật như sau:

Diều hâu: Với tập tính hung hăng sẽ tấn công liên tục cho đến khi một trong hai bên bị thương

Bồ câu: Lập tức rút lui khi đối phương có động thái tấn công

Ta giả sử rằng cả hai cá thể đều chọn lối chơi Diều hâu, kết quả là cả hai bên sẽ chịu một tổn thất tương đương nhau, cái giá phải trả cho cả hai bên có giá trị là C. Trong trường hợp Diều hâu gặp Bồ câu, Bồ câu sẽ lập tức rút lui và Diều hâu sẽ chiếm được nguồn lợi để tồn tại. Trường hợp cuối cùng, khi hai Bồ câu gặp nhau, chúng sẽ chia sẻ nguồn lợi và cùng chung sống. Ta có thể tóm tắt lại thành mô hình sau:

	Diều hâu	Bồ câu
Diều hâu	(1/2)*(V-C)	V
Bồ câu	0	V/2

Có thể nói rằng, nếu tất cả cá thể trong quần thể đều chỉ đi theo một chiến lược mà không có bất kỳ đột biến nào xảy ra thì khi điều kiện sống thay đổi, khả năng quần thể bị tuyệt diệt là rất lớn. Giả sử, ΔF(s₁, s₂) là độ thích ứng của quần thể khi áp dụng chiến lược s₁ chống lại quần thể đối địch với chiến lược s₂, và đặt F(s) là tổng độ thích ứng của quần thể khi áp dụng chiến lược s, F₀ là cấu trúc quần thể ban đầu. Nếu σ là chiến lược tiến hóa bền vững và µ là chiến lược gây hấn thì ta có:

F(σ) = F₀+ (1 – p) ΔF(σ, σ) + p ΔF(σ, µ)

F(µ) = F₀+ (1 – p) ΔF(µ, σ) + p ΔF(µ, µ)

Với p là tỷ lệ quần thể khi áp dụng chiến lược µ

Do σ là chiến lược tiến hóa bền vững, khả năng  thích ứng của quần thể áp dụng chiến lược σ sẽ phải lớn hơn khả năng thích ứng của quần thể áp dụng chiến lược μ. Bây giờ, khi p tiệm cận đến 0, lúc đó ta có:

ΔF(σ,σ) > ΔF(μ,σ)

Hay                                                       

ΔF(σ,σ) = ΔF(μ,σ) và ΔF(σ,μ) > ΔF(μ,μ)

Nói khác, điều này có nghĩa là chiến lược σ là chiến lược tiến hóa bền vững khi thỏa mãn một trong hai điều kiện: (1) chiến lược σ tốt hơn bất kỳ chiến lược nào khác chống lại nó, hoặc (2) một số biến dị có thể tương đương với σ nhưng không thể làm tốt được như σ. Như vậy, trong trò chơi Diều hâu- Bồ câu, chiến lược Bồ câu không phải là một chiến lược tiến hóa bền vững do quần thể chỉ toàn Bồ câu có thể bị tiêu diệt bởi một quần thể Diều hâu. Nếu giá trị V lớn hơn C thì chiến lược Diều hâu là một chiến lược tiến hóa bền vững do trong trường hợp đó, nguồn lợi thu được có thể bù đắp toàn bộ tổn thất C khi cạnh tranh. Tuy nhiên nếu V nhỏ hơn C thì không có chiến lược tiến hóa bền vững nếu quần thể chỉ theo đơn thuần một chiến lược, cần phải có sự đan xen chiến lược để thu được một chiến lược tiến hóa tốt nhất.

Trong các nghiên cứu của Maynarn Smith và Price, khái niệm về các giải pháp đan xen được phát triển, trong đó, hai ý tưởng quan trọng nhất là “tập hợp tiến hóa bền vững” (evolutionarily stable set) và “giới hạn chiến lược tiến hóa bền vững” (limit ESS). Các công trình của họ đã đưa ra một sự tổng hợp các khái niệm về chiến lược tiến hóa bền vững và sau đó mở rộng khái niệm chiến lược tiến hóa bền vững thành các trò chơi đối kháng.

2.2.  Động học của quần thể

Một ví dụ điển hình cho lối tiếp cận thứ hai là trò chơi Thế lưỡng nan của người tù. Trong trò chơi này, các cá thể có hai chiến lược để lựa chọn, là “Hợp tác” và “Đào ngũ”. Dưới đây là ma trận các trường hợp xảy ra của trò chơi này:

	Hợp tác	Đào ngũ
Hợp tác	(R, R’)	(S,T’)
Đào ngũ	(T, S’)	(P, P’)

Trong đó, T > R > P > S và T’ > R’ > P’ > S’.

Đầu tiên, hãy giả sử rằng quần thể này đủ lớn, trong trường hợp này, chúng ta có thể biểu diễn sự bền vững của quần thể bằng các tỷ lệ hợp tác p_c và tỷ lệ đào ngũ p_d. Khi đó, độ tương thích trung bình của cả quần thể khi hợp tác là W_c và khi đào ngũ là W_d, W là độ tương thích trung bình của cả quần thể.

W_c= F₀ + p_cΔF(C,C) + p_dΔF(C,D)

W_d= F₀ + p_cΔF(D,C) + p_dΔF(D,D)

W = p_cW_c + p_dW_d

Thứ hai, nếu giả thiết rằng tỷ lệ quần thể theo chiến lược hợp tác và đào ngũ trong lần chơi kế tiếp có liên quan đến tỷ lệ hợp tác và đào ngũ ở lần chơi này thì ta có:

Độ thích ứng của quần thể là:

W­_c= F₀ +  p_cΔF(C,C) + p_dΔF(C,D)

      = F₀ +  p_cR  + p_dS

W_d= F₀ +  p_cΔF(D,C) + p_d ΔF(D,D)

      = F₀ + p_cT + p_dP

Do T > R và P > S nên W_d > W_c và W_d > W > W_c. Điều này có nghĩa là:

Do đó, tỷ lệ chọn chiến lược ở các thế hệ tiếp sau sẽ là:

Theo thời gian, quần thể lựa chọn chiến lược hợp tác có thể sẽ bị tuyệt chủng.

Các mô hình trên đây chứng minh rằng, mặc dù có thể tồn tại một số lượng rất lớn các trường hợp có thể xảy ra nhưng cả hai cách tiếp cận đều hướng đến một kết luận chung là chiến lược tiến hóa tốt sẽ giúp các loài không bị tuyệt chủng.

Biên dịch: Phạm Ngọc Sơn

Nguồn:

Stanford Encyclopedia of Philosophy: http://plato.stanford.edu/index.html