O calor da Lei de Joule "Aplicações - Exercícios"
Joule estudou o efeito produzido quando uma corrente elétrica circula através maestro e assim estabelecido pela conhecida lei de Joule. À medida que a carga elétrica se move através de um condutor, os elétrons colidem uns com os outros gerando calor.
Aproveitando o efeito Joule, foram projetados vários eletrodomésticos e equipamentos industriais, onde por esse princípio a energia elétrica é convertida em calor, como fogões elétricos e ferros de engomar.
A Lei de Joule é usada no projeto de equipamentos para reduzir as perdas de energia por meio do calor.
Conhecendo um pouco James Joule:
James Prescott Joule (1818-1889)
Ele era um físico britânico que conduziu pesquisas em termodinâmica, energia, eletricidade e magnetismo.
Junto com William Thomson descobriram o chamado efeito Joule - Thomson pelo qual demonstraram que era possível resfriar um gás ao se expandir sem fazer trabalho externo, princípio básico do desenvolvimento dos atuais refrigeradores e condicionadores de ar. Ele trabalhou com Lord Kelvin para desenvolver a escala absoluta de temperatura, ajudou a explicar a teoria cinética dos gases.
A unidade internacional de energia, calor e trabalho, o joule, foi nomeada em sua homenagem. [1]
Lei de Joule
O que a Lei de Joule propõe?
Quando uma corrente elétrica flui por um elemento, parte da energia é dissipada como calor. A lei de Joule permite determinar a quantidade de calor que é dissipada em um elemento, como resultado da corrente elétrica que circula por ele. Veja a figura 1.
A Lei de Joule afirma que o calor (Q) gerado em um condutor é proporcional à sua resistência elétrica R, ao quadrado da corrente que o atravessa e ao intervalo de tempo. Veja a figura 2.
Expressão matemática da Lei 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 tempo. [dois].
Ao estudar a perda de calor em um elemento, ela geralmente é expressa como o calor dissipado na unidade "caloria" em vez de em Joule. A Figura 4 mostra a fórmula para determinar a quantidade de calor em calorias.
Como o aquecimento acontece?
Quando uma corrente elétrica flui através de um condutor, a carga elétrica colide com os átomos do condutor conforme eles se movem através dele. Devido a esses choques, parte da energia é convertida em calor, aumentando a temperatura do material condutor. Veja a figura 5.
Quanto mais corrente flui, maior é o aumento da temperatura e mais calor é dissipado. O calor produzido pela corrente elétrica que flui por um condutor é uma medida do trabalho realizado pela corrente para superar a resistência do condutor.
Mover a carga elétrica requer uma fonte de voltagem. A fonte de tensão deve fornecer mais energia quanto mais calor for dissipado. Ao determinar quanto calor é produzido, você pode determinar quanta energia a fonte de tensão deve fornecer.
Aplicações da lei de Joule
Efeito Joule em lâmpadas incandescentes
Lâmpadas incandescentes são feitas colocando um filamento de tungstênio de alto ponto de fusão em uma lâmpada de vidro. A uma temperatura de 500 ºC, os corpos emitem uma luz avermelhada, que evolui para o branco com o aumento da temperatura. O filamento da lâmpada, ao atingir 3.000 ºC, emite luz branca. Dentro da ampola é feito um alto vácuo e um gás inerte é colocado para que o filamento não queime.
O calor liberado pela corrente (efeito Joule) ao passar pelo referido filamento permite que ela atinja a temperatura necessária para que ocorra a incandescência, efeito dos materiais em emitir luz quando submetidos a altas temperaturas. Veja a figura 6.
É importante escolher a lâmpada certa para maior Eficiência Energética. Nas lâmpadas incandescentes apenas no máximo 15% da energia é utilizada, o restante da energia elétrica é dissipada em calor. Nas lâmpadas led 80 a 90% é transformado em energia luminosa, apenas 10% é desperdiçado ao se dissipar na forma de calor. As lâmpadas Led são a melhor opção, pois apresentam maior eficiência energética e menor consumo de energia elétrica. Veja a figura 7. [3]
Exercício 1
Para uma lâmpada incandescente de 100 W, 110 V, determine:
a) A intensidade da corrente que flui através da lâmpada.
b) A energia que consome por hora.
solução:
a) Corrente elétrica:
A expressão de energia elétrica é usada:
Nós convidamos você a ver o artigo de Lei da Energia de Watt
Pela Lei de Ohm, o valor da resistência elétrica da lâmpada é obtido:
nós convidamos você para ver o artigo Lei de Ohm e seus segredos
b) Energia consumida por hora
A Lei de Joule determina a quantidade de calor que é dissipada na lâmpada
Se 1 quilowatt-hora = 3.600.000 Joule, a energia consumida por hora é:
Q = 0,002 kWh
Resultar:
i = 0,91 A; Q = 0,002 kWh
Efeito Joule - Transmissão e distribuição de energia elétrica
A energia elétrica, que é gerada em uma planta, é transportada por cabos condutores para serem utilizados posteriormente em residências, empresas e indústrias. [4]
Conforme a corrente circula, o calor é dissipado pelo efeito Joule, perdendo parte da energia para o meio ambiente. Quanto maior for a corrente, maior será o calor dissipado. Para evitar a perda de energia, as correntes são transportadas em baixas correntes e altas tensões de 380 kV. Isso melhora a eficiência no transporte de energia elétrica. Em subestações e transformadores são reduzidos aos níveis de tensão de 110 V e 220 V para seu uso final (25 ou 220 volts). Veja a figura 8.
Em muitos eletrodomésticos é utilizado o efeito Joule, onde a energia elétrica é transformada em calor, como em ferros elétricos, esquentadores, fusíveis, torradeiras, fogões elétricos, entre outros. Veja a figura 9.
Exercício 2
Um ferro elétrico de 400 W é usado por 10 minutos. Sabendo que o ferro está conectado a uma tomada elétrica de 110 V, determine:
a) A intensidade da corrente que flui pelo ferro.
b) A quantidade de calor dissipado pelo ferro.
solução:
Corrente elétrica
A expressão de energia elétrica é usada:
p = vi
Pela Lei de Ohm, o valor da resistência elétrica da lâmpada é obtido:
Calor
A Lei de Joule determina a quantidade de calor que é dissipada na placa. Se um minuto contém 60 segundos, então 10 minutos = 600 s.
Se 1 quilowatt-hora = 3.600.000 Joule, o calor liberado é:
Q = 0,07 kWh
Conclusão
A Lei de Joule afirma que o calor produzido por uma corrente elétrica ao circular por um condutor é diretamente proporcional ao quadrado da intensidade da corrente, vezes a resistência e o tempo que a corrente leva para circular. Em homenagem a Joule a unidade de energia do sistema internacional passou a se chamar “Joule”.
Muitos dispositivos usam o “efeito joule“Gerando calor pela passagem de corrente por um condutor, como fornos, fogões, torradeiras, pratos, entre outros.
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