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El calor de la Ley de Joule “Aplicaciones – Ejercicios”

Joule estudió el efecto que se produce cuando circula una corriente eléctrica por un conductor y así lo establece la conocida ley de Joule. Al moverse la carga eléctrica a través de un conductor los electrones chocan entre si generando calor.

Haciendo uso del efecto Joule se han diseñado múltiples artefactos electrodomésticos y equipos industriales, donde se convierte la energía eléctrica en calor este principio, tales como las cocinas eléctricas y planchas.

La Ley de Joule se utiliza en el diseño de equipos para reducir las pérdidas de energía por calor.

Conociendo un poco a James Joule:

James Prescott Joule (1818-1889)
Fue un físico británico que realizó investigaciones en termodinámica, energía, electricidad y magnetismo.
Junto con William Thomson descubrieron el llamado efecto Joule – Thomson mediante el cual demostraron que era posible enfriar un gas al expandirse sin realizar trabajo externo, principio base del desarrollo de los refrigeradores y aparatos de aire acondicionado actuales. Trabajó con lord Kelvin para desarrollar la escala absoluta de la temperatura, contribuyó a explicar la teoría cinética de los gases.
La unidad internacional de energía, el calor y trabajo, el joule, fue bautizada en su honor. [1]

La ley de Joule

¿Qué plantea la Ley de Joule?

Cuando circula una corriente eléctrica a través de un elemento, parte de la energía se disipa en forma de calor. La ley de Joule permite determinar la cantidad de calor que se disipa en un elemento, por efecto de la corriente eléctrica que circula por él. Ver figura 1.

Disipación de calor por efecto de la corriente eléctrica en un conductor
citeia.com (fig 1)

La Ley de Joule establece que el calor (Q) que se genera en un conductor es proporcional a su resistencia eléctrica R, al cuadrado de la corriente que pasa a través de él, y al intervalo de tiempo. Ver figura 2.


Ley de Joule
citeia.com (fig 2)

Expresión matemática de la Ley de Joule

El calor que se disipa en un elemento, cuando circula una corriente a través de él, viene dado por la expresión matemática de la figura 3. Se requiere conocer el valor de la corriente eléctrica que circula por el elemento, su resistencia eléctrica y el intervalo de tiempo. [2].

Expresión matemática de la Ley de Joule
citeia.com (fig 3)

Cuando se estudia la pérdida de calor en un elemento, se suele expresar al calor disipado en la unidad “caloría” en lugar de en Joule. En la figura 4 se muestra la fórmula para determinar la cantidad de calor en calorías.

Cantidad de calor, en calorías
citeia.com (fig 4)

¿Cómo ocurre el calentamiento?

Cuando circula una corriente eléctrica a través de un conductor la carga eléctrica produce choques con los átomos del conductor al moverse a través del mismo. Debido a estos choques una parte de la energía se convierte en calor, aumentando la temperatura del material conductor.  Ver figura 5.

El choque de los electrones produce calentamiento
citeia.com (fig 5)

Mientras más corriente fluya mayor será el aumento de la temperatura, y se disipa más calor. El calor producido por la corriente eléctrica que fluye través de un conductor es una medida del trabajo hecho por la corriente al vencer la resistencia del conductor.

Para mover la carga eléctrica se requiere de una fuente de tensión. La fuente de tensión debe suministrar mayor energía mientras más calor se disipe. Determinando cuanto calor se produce se puede determinar cuanta energía debe suministrar la fuente de tensión.

Aplicaciones de la ley de Joule

Efecto Joule en bombillos incandescentes

Los bombillos incandescentes se fabrican colocando en una ampolla de vidrio un filamento de tungsteno de alto punto de fusión. A una temperatura de 500 ºC los cuerpos emiten una luz rojiza, que va evolucionando al blanco si la temperatura aumenta. El filamento del bombillo, al llegar a 3.000 ºC, emite luz blanca. En el interior de la ampolla se hace un alto vacío y se coloca un gas inerte para que el filamento no arda.

El calor desprendido por la corriente (efecto Joule) a su paso por dicho filamento permite alcanzar la temperatura necesaria para que se produzca la incandescencia, efecto de los materiales de emitir luz al estar sometido a temperaturas elevadas. Ver figura 6.

Efecto Joule en bombillos incandescentes
citeia.com (fig 6)

Es importante elegir el bombillo adecuado para mayor eficiencia energética. En los bombillos incandescentes solo se aprovecha un 15% máximo de la energía, el resto de la energía eléctrica se disipa en calor. En los bombillos led del 80 al 90% se transforma en energía lumínica, solo el 10% se desperdicia al disiparse en forma de calor. Los bombillos led son la mejor opción, teniendo mayor eficiencia energética y menor consumo eléctrico. Ver figura 7. [3]

Efecto Joule – eficiencia energética
citeia.com (fig 7)

Ejercicio 1

Para un bombillo incandescente de 100 W, 110 V, determine:
a) La intensidad de la corriente que circula por el bombillo.
b) La energía que consume por hora.

Solución:

a) Corriente eléctrica:

Se utiliza la expresión de potencia eléctrica:

Te invitamos a ver el artículo de la Energía de la ley de Watt

La Potencia de la Ley de Watt (Aplicaciones - Ejercicios) portada de artículo
citeia.com

Formula de potencia eléctrica
citeia.com

Por Ley de Ohm se obtiene el valor de la resistencia eléctrica del bombillo:

te invitamos a ver el articulo Ley de Ohm y sus secretos

Formula La ley de Ohm
Formula La ley de Ohm
b) Energía consumida por hora

Por Ley de Joule se determina la cantidad de calor que se disipa en el bombillo

Formula de Energía consumida por hora
Formula de Energía consumida por hora

Si 1 Kilowatt-hora = 3.600.000 Joule, la energía consumida por hora es:

Q=0,002 kWh

Resultado:

i=0,91 A; Q=0,002 kWh

Efecto Joule – Transporte y distribución de la energía eléctrica

La energía eléctrica, que se genera en una central, se transporta por cables conductores para ser utilizada luego en hogares, comercios e industrias. [4]

Al circular la corriente se disipa calor por efecto Joule, perdiéndose parte de la energía al medio ambiente. Mientras mayor es la corriente mayor es el calor que se disipa. Para evitar la pérdida de energía, las corrientes se transportan a bajas intensidades y altas tensiones de 380 kV. Así se mejora la eficiencia en el transporte de la energía eléctrica. En subestaciones y transformadores se reducen a los niveles de tensión a 110 V y 220 V para su uso final25 o 220 voltios). Ver figura 8.

Efecto Joule – eficiencia energética
citeia.com (fig 8)

En muchos artefactos se aprovecha el efecto Joule, donde se transforma la energía eléctrica en calor, tal como en plancha eléctricas, calentadores de agua, fusibles, tostadora de pan, cocinas eléctricas, entre otras. Ver figura 9.

 Electrodomésticos que funcionan se utiliza el efecto Joule
citeia.com (fig 9)

Ejercicio 2

Se utiliza una plancha eléctrica de 400 W durante 10 minutos. Sabiendo que la plancha se conecta a una toma de electricidad de 110 V, determine:

a) La intensidad de la corriente que circula por la plancha.
b) La cantidad de calor que disipa la plancha
.

Solución:

Corriente eléctrica

Se utiliza la expresión de potencia eléctrica:

p=v.i

 Potencia eléctrica
Formula Potencia eléctrica

Por Ley de Ohm se obtiene el valor de la resistencia eléctrica del bombillo:

Formula de la ley de Ohm
Formula de la ley de Ohm

Calor

Por Ley de Joule se determina la cantidad de calor que se disipa en la plancha. Si un minuto contiene 60 segundos, entonces 10minutos=600 s.

formula ley de Joule
formula ley de Joule

Si 1 Kilowatt-hora = 3.600.000 Joule, el calor desprendido es:

Q=0,07 kWh

Conclusiones

La Ley de Joule establece que el calor que produce una corriente eléctrica cuando circula por un conductor es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente, por la resistencia y el tiempo que demora en circular la corriente. En homenaje a Joule la unidad de energía en el sistema internacional se denomina actualmente “Joule”.

Muchos dispositivos utilizan el “efecto Joule”, al generar calor haciendo pasar corriente por un conductor, tales como hornos, cocinas, tostadores, planchas, entre otros.

Los invitamos a dejar sus comentarios y dudas de este interesante tema.

REFERENCIAS

[1][2][3][4]

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