La calor de la Llei de Joule "Aplicacions - Exercicis"
Joule va estudiar l'efecte que es produeix quan circula un corrent elèctric per un conductor i així ho estableix la coneguda llei de Joule. A l'moure la càrrega elèctrica a través d'un conductor els electrons xoquen entre si generant calor.
Fent ús de l'efecte Joule s'han dissenyat múltiples artefactes electrodomèstics i equips industrials, on es converteix l'energia elèctrica en calor aquest principi, com ara les cuines elèctriques i planxes.
La Llei de Joule s'utilitza en el disseny d'equips per reduir les pèrdues d'energia per calor.
Coneixent una mica a James Joule:
James Prescott Joule (1818-1889)
Va ser un físic britànic que va realitzar investigacions en termodinàmica, energia, electricitat i magnetisme.
Juntament amb William Thomson van descobrir l'anomenat efecte Joule - Thomson mitjançant el qual van demostrar que era possible refredar un gas a l'expandir-se sense realitzar treball extern, principi base de el desenvolupament dels refrigeradors i aparells d'aire condicionat actuals. Va treballar amb lord Kelvin per desenvolupar l'escala absoluta de la temperatura, va contribuir a explicar la teoria cinètica dels gasos.
La unitat internacional d'energia, la calor i treball, el joule, va ser batejada en el seu honor. [1]
La llei de Joule
Què planteja la Llei de Joule?
Quan circula un corrent elèctric a través d'un element, part de l'energia es dissipa en forma de calor. La llei de Joule permet determinar la quantitat de calor que es dissipa en un element, per efecte del corrent elèctric que circula per ell. Veure figura 1.
La Llei de Joule estableix que la calor (Q) que es genera en un conductor és proporcional a la seva resistència elèctrica R, a el quadrat del corrent que passa a través d'ell, i a l'interval de temps. Veure figura 2.
Expressió matemàtica de la Llei de Joule
La calor que es dissipa en un element, quan circula un corrent a través d'ell, ve donat per l'expressió matemàtica de la figura 3. Es requereix conèixer el valor del corrent elèctric que circula per l'element, la seva resistència elèctrica i l'interval de temps. [2].
Quan s'estudia la pèrdua de calor en un element, se sol expressar a la calor dissipada en la unitat "caloria" en lloc d'en Joule. A la figura 4 es mostra la fórmula per determinar la quantitat de calor en calories.
Com passa l'escalfament?
Quan circula un corrent elèctric a través d'un conductor la càrrega elèctrica produeix xocs amb els àtoms de l'conductor a l'moure a través de la mateixa. A causa d'aquests xocs una part de l'energia es converteix en calor, augmentant la temperatura de l'material conductor. Veure figura 5.
Com més corrent flueixi més gran serà l'augment de la temperatura, i es dissipa més calor. La calor produïda pel corrent elèctric que flueix través d'un conductor és una mesura de la feina feta pel corrent a l'vèncer la resistència al conductor.
Per moure la càrrega elèctrica es requereix d'una font de tensió. La font de tensió ha de subministrar més energia com més calor es dissipi. Determinant que fa calor es produeix es pot determinar quanta energia ha de subministrar la font de tensió.
Aplicacions de la llei de Joule
Efecte Joule en bombetes incandescents
Els bombetes incandescents es fabriquen col·locant en una ampolla de vidre un filament de tungstè d'alt punt de fusió. A una temperatura de 500 ºC els cossos emeten una llum rogenca, que va evolucionant a el blanc si la temperatura augmenta. El filament de el bombí, a l'arribar a 3.000 ºC, emet llum blanca. A l'interior de l'ampolla es fa un alt buit i es col·loca un gas inert perquè el filament no cremi.
La calor despresa per la corrent (efecte Joule) al seu pas per aquest filament permet aconseguir la temperatura necessària perquè es produeixi la incandescència, efecte dels materials d'emetre llum a l'estar sotmès a temperatures elevades. Veure figura 6.
És important triar el bombí adequat per a major eficiència energètica. En les bombetes incandescents només s'aprofita un 15% màxim de l'energia, la resta de l'energia elèctrica es dissipa en calor. En els bombins led de l'80 a l'90% es transforma en energia lumínica, només el 10% es malgasta a l'dissipar-se en forma de calor. Els bombetes led són la millor opció, tenint major eficiència energètica i menor consum elèctric. Veure figura 7. [3]
exercici 1
Per a un bombí incandescent de 100 W, 110 V, determineu:
a) La intensitat del corrent que circula pel bombí.
b) L'energia que consumeix per hora.
Solució:
a) Corrent elèctric:
S'utilitza l'expressió de potència elèctrica:
Et convidem a veure l'article de l'Energia de la llei de Watt
Per Llei d'Ohm s'obté el valor de la resistència elèctrica de el bombí:
et convidem a veure l'article Llei d'Ohm i els seus secrets
b) Energia consumida per hora
Per Llei de Joule es determina la quantitat de calor que es dissipa en el bombí
Si 1 Kilowatt-hora = 3.600.000 Joule, l'energia consumida per hora és:
Q = 0,002 kWh
Resultar:
i = 0,91 A; Q = 0,002 kWh
Efecte Joule - Transport i distribució de l'energia elèctrica
L'energia elèctrica, que es genera en una central, es transporta per cables conductors per ser utilitzada després en llars, comerços i indústries. [4]
A l'circular el corrent es dissipa calor per efecte Joule, perdent-se part de l'energia a l'entorn. Mentre major és el corrent més gran és la calor que es dissipa. Per evitar la pèrdua d'energia, els corrents es transporten a baixes intensitats i altes tensions de 380 kV. Així es millora l'eficiència en el transport de l'energia elèctrica. En subestacions i transformadors es redueixen als nivells de tensió a 110 V i 220 V per al seu ús final25 o 220 volts). Veure figura 8.
En molts artefactes s'aprofita l'efecte Joule, on es transforma l'energia elèctrica en calor, tal com en planxa elèctriques, escalfadors d'aigua, fusibles, torradora de pa, cuines elèctriques, entre d'altres. Veure figura 9.
exercici 2
S'utilitza una planxa elèctrica de 400 W durant 10 minuts. Sabent que la planxa es connecta a una presa d'electricitat de 110 V, determineu:
a) La intensitat del corrent que circula per la planxa.
b) La quantitat de calor que dissipa la planxa.
Solució:
corrent elèctric
S'utilitza l'expressió de potència elèctrica:
p = vaig veure
Per Llei d'Ohm s'obté el valor de la resistència elèctrica de el bombí:
calor
Per Llei de Joule es determina la quantitat de calor que es dissipa en la planxa. Si un minut conté 60 segons, llavors 10minuts = 600 s.
Si 1 Kilowatt-hora = 3.600.000 Joule, la calor despresa és:
Q = 0,07 kWh
Conclusions
La Llei de Joule estableix que la calor que produeix un corrent elèctric quan circula per un conductor és directament proporcional a el quadrat de la intensitat del corrent, per la resistència i el temps que demora en circular el corrent. En homenatge a Joule la unitat d'energia en el sistema internacional es denomina actualment "Joule".
Molts dispositius utilitzen el "efecte Joule", A l'generar calor fent passar corrent per un conductor, com ara forns, cuines, torradores, planxes, entre d'altres.
Els convidem a deixar els seus comentaris i dubtes d'aquest interessant tema.