A calor da lei de Joule "Aplicacións - Exercicios"
Joule estudou o efecto que se produce cando circula unha corrente eléctrica un condutor e así o establece a coñecida lei de Joule. Cando a carga eléctrica se move a través dun condutor, os electróns chocar entre si xerando calor.
Utilizando o efecto Joule, deseñáronse varios electrodomésticos e equipos industriais onde a enerxía eléctrica convértese en calor por este principio, como cociñas eléctricas e ferros.
A lei de Joule úsase no deseño de equipos para reducir as perdas de enerxía pola calor.
Coñecer un pouco a James Joule:
James Prescott Joule (1818-1889)
Foi un físico británico que realizou investigacións en termodinámica, enerxía, electricidade e magnetismo.
Xunto con William Thomson descubriron o chamado efecto Joule - Thomson polo que demostraron que era posible arrefriar un gas ao expandirse sen facer un traballo externo, un principio básico do desenvolvemento dos refrixeradores e climatizadores actuais. Traballou con Lord Kelvin para desenvolver a escala absoluta de temperatura, axudou a explicar a teoría cinética dos gases.
A unidade internacional de enerxía, calor e traballo, o joule, foi nomeada na súa honra. [1]
Lei de Joule
Que propón a lei de Joule?
Cando unha corrente eléctrica flúe a través dun elemento, parte da enerxía disipase como calor. A lei de Joule permítenos determinar a cantidade de calor que se disipa nun elemento, como resultado da corrente eléctrica que circula por el. Vexa a figura 1.
A lei de Joule establece que a calor (Q) que se xera nun condutor é proporcional á súa resistencia eléctrica R, ao cadrado da corrente que o atravesa e ao intervalo de tempo. Vexa a figura 2.
Expresión matemática da lei de Joule
A calor que se disipa nun elemento, cando unha corrente circula por el, vén dada pola expresión matemática da figura 3. Requírese coñecer o valor da corrente eléctrica que circula polo elemento, a súa resistencia eléctrica e o intervalo de tempo. [dúas].
Ao estudar a perda de calor nun elemento, normalmente exprésase como a calor disipada na unidade "calorías" en lugar de en Joule. A figura 4 mostra a fórmula para determinar a cantidade de calor en calorías.
Como sucede o quecemento?
Cando unha corrente eléctrica flúe a través dun condutor, a carga eléctrica choca cos átomos do condutor ao moverse a través del. Debido a estes choques, unha parte da enerxía convértese en calor, aumentando a temperatura do material condutor. Vexa a figura 5.
Cantos máis fluxos de corrente, maior é o aumento da temperatura e máis calor se disipa. A calor producida pola corrente eléctrica que circula por un condutor é unha medida do traballo realizado pola corrente para superar a resistencia do condutor.
O movemento da carga eléctrica require unha fonte de tensión. A fonte de tensión debe subministrar máis enerxía canto máis calor se disipa. Ao determinar a cantidade de calor que se produce, pode determinar canta enerxía debe subministrar a fonte de tensión.
Aplicacións da lei de Joule
Efecto Joule en lámpadas incandescentes
As lámpadas incandescentes fabrícanse colocando un filamento de volframio de alta fusión nunha lámpada de vidro. A unha temperatura de 500 ºC, os corpos emiten unha luz avermellada que evoluciona a branco se a temperatura aumenta. O filamento da lámpada, ao alcanzar os 3.000 ºC, emite luz branca. Dentro da ampola faise un alto baleiro e colócase un gas inerte para que o filamento non arda.
A calor desprendida pola corrente (efecto Joule) ao seu paso polo dito filamento permítelle alcanzar a temperatura necesaria para que se produza a incandescencia, efecto dos materiais para emitir luz cando están sometidos a altas temperaturas. Vexa a figura 6.
É importante escoller a bombilla axeitada para maior eficiencia enerxética. Nas lámpadas incandescentes só se usa un máximo do 15% da enerxía, o resto da enerxía eléctrica disipase en calor. Nas lámpadas led o 80 ao 90% transfórmase en enerxía luminosa, só se desperdicia o 10% ao disiparse en forma de calor. As lámpadas led son a mellor opción, con maior eficiencia enerxética e menor consumo eléctrico. Ver figura 7. [3]
Exercicio 1
Para unha lámpada incandescente de 100 W, 110 V, determine:
a) A intensidade da corrente que circula pola bombilla.
b) A enerxía que consume por hora.
Solución:
a) Corrente eléctrica:
Utilízase a expresión de enerxía eléctrica:
Convidámoste a ver o artigo de Lei de Watt Enerxía
Pola lei de Ohm obtense o valor da resistencia eléctrica da lámpada:
invitámoste a ver o artigo A lei de Ohm e os seus segredos
b) Enerxía consumida por hora
A lei de Joule determina a cantidade de calor que se disipa no bulbo
Se 1 quilowatt-hora = 3.600.000 Joule, a enerxía consumida por hora é:
Q = 0,002 kWh
Resultado:
i = 0,91 A; Q = 0,002 kWh
Efecto Joule: transmisión e distribución de enerxía eléctrica
A enerxía eléctrica, que se xera nunha planta, é transportada por cables condutores para usala posteriormente en fogares, empresas e industrias. [4]
A medida que circula a corrente, a calor é disipada polo efecto Joule, perdendo parte da enerxía para o medio ambiente. Canto maior sexa a corrente, maior será a calor disipada. Para evitar a perda de enerxía, as correntes transportanse a baixas correntes e altas tensións de 380 kV. Isto mellora a eficiencia no transporte de enerxía eléctrica. Nas subestacións e transformadores redúcense aos niveis de tensión de 110 V e 220 V para o seu uso final25 ou 220 voltios). Vexa a figura 8.
En moitos aparellos úsase o efecto Joule, onde a enerxía eléctrica transfórmase en calor, como en ferros eléctricos, quentadores de auga, fusibles, tostadoras, cociñas eléctricas, entre outros. Vexa a figura 9.
Exercicio 2
Utilízase un ferro eléctrico de 400W durante 10 minutos. Sabendo que o ferro está conectado a unha toma eléctrica de 110 V, determine:
a) A intensidade da corrente que flúe polo ferro.
b) A cantidade de calor disipada polo ferro.
Solución:
Corrente eléctrica
Utilízase a expresión de enerxía eléctrica:
p = vi
Pola lei de Ohm obtense o valor da resistencia eléctrica da lámpada:
Quente
A lei de Joule determina a cantidade de calor que se disipa na placa. Se un minuto contén 60 segundos, entón 10 minutos = 600 s.
Se 1 quilowatt-hora = 3.600.000 Joule, a calor liberada é:
Q = 0,07 kWh
Conclusións
A lei de Joule establece que a calor producida por unha corrente eléctrica cando circula por un condutor é directamente proporcional ao cadrado da intensidade da corrente, veces a resistencia e o tempo que tarda en circular a corrente. En homenaxe a Joule, a unidade de enerxía no sistema internacional agora chámase "Joule".
Moitos dispositivos usan o "efecto joule”Ao xerar calor facendo pasar corrente por un condutor, como fornos, estufas, torradeiras, placas, entre outros.
Convidámoste a que deixes os teus comentarios e preguntas sobre este interesante tema.