Ley de Joule

LEY DE JOULE

Efecto Joule

Se conoce como efecto Joule al fenómeno por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. El nombre es en honor a su descubridor, el físico británico James Prescott Joule.

El movimiento de los electrones en un cable es desordenado, esto provoca continuos choques entre ellos y como consecuencia un aumento de la temperatura en el propio cable.

Ley de Joule 

Este efecto es utilizado para calcular la energía disipada en un conductor atravesado por una corriente eléctrica de la siguiente manera:

La potencia W generada en un conductor es igual a la diferencia de potencial V a la que esta sometido por la intensidad de corriente I que lo atraviesa. La energía desarrollada E es el producto de la ponencia W por el tiempo t transcurrido, luego la energía E es el producto de la tensión V por la intensidad I y por el tiempo t.

Si a esta expresión añadimos la Ley de Ohm tendremos:

La energía desarrollada es igual al cuadrado de la intensidad por la resistencia y por el tiempo, o lo que es lo mismo, el cuadrado de la tensión dividido por la resistencia y por el tiempo.

Microscópicamente el efecto Joule se calcula a través de la integral de volumen del campo eléctrico E por  J la densidad de corriente :

La resistencia es el componente que transforma la energía eléctrica en calor, (por ejemplo un hornillo eléctrico, una estufa eléctrica, una plancha etc.).

1. EQUIVALENCIA ENTRE TRABAJO Y CALOR. LA LEY DE JOULE

Hemos llegado a una de las partes básicas de nuestro estudio. Debemos relacionar dos conceptos fundamentales: el calor y el trabajo. Donde hay trabajo se produce calor; donde existe un foco de calor hay una fuente de trabajo.Lo anterior se demuestra fácilmente. Por ejemplo, basta con frotarse las manos para que nuestros músculos experimenten cansancio y nuestras manos un calentamiento.

Todo motor o transformador eléctrico se calienta después de un tiempo de funcionar. Parte de la corriente que absorben se pierde en forma de calor (perjudicial) y solo el resto se transforma en energía mecánica. 

Las locomotoras de los trenes de vapor utilizan calor, que se transforma enseguida en energía mecánica. Esta le permite arrastrar los vagones. El CALOR es pues, una forma de energía y produce por lo tanto un trabajo.

La cantidad de calor necesaria para elevar en un grado centígrado de temperatura un gramo de agua se llama caloría y la representamos por C.

Después de múltiples experiencias se logró obtener una constante matemática (0.427) que es el valor numérico de la relación que existe entre el calor (en calorías) y el trabajo (Kgm).

Lo anterior quiere decir que una caloría equivale a 0.427 kilográmetros de trabajo mecánico. Dicho de otra manera, con una caloría podemos transportar 0.427 kilogramos a la distancia de un metro.

La constante 0.427 recibe el nombre de Equivalente mecánica del calor.

A. CANTIDAD DE CALOR PRODUCIDO POR UNA CORRIENTE ELÉCTRICA

Es evidente, que si la corriente eléctrica lleva implícita una producción de calor, entre ambas manifestaciones de energía DEBE EXISTIR una relación matemática, que unida al valor de la resistencia por la intensidad, nos diga cuál es el calor producido por dicha corriente eléctrica.

Fue el físico inglés James Joule quien se dedicó al estudio de los efectos caloríficos producidos por la corriente eléctrica. Después de varias experiencias, observó que:

1. La corriente eléctrica produce calentamiento en un conductor.

2. Este calentamiento del conductor recorrido por una corriente es proporcional al tiempo que dure el paso de dicha corriente.

3. El calentamiento varía con la intensidad de la corriente.

4. El calentamiento es proporcional a la resistencia del conductor.

Hechas estas observaciones formuló la siguiente Ley:

La cantidad de calor producido por un conductor eléctrico es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad (I2), al valor de la resistencia del conductor y al tiempo, en segundos, durante el cual circule la corriente.

En la práctica se calcula la cantidad de calor producido (en calorías) y se representa por Q. Para esto se necesita multiplicar todo lo anterior por una constante cuyo valor es 0.2392. Por lo tanto:

Q = 0.2392 x I2 x R x t LEY DE JOULE

Siendo:

Q = Calor en calorías

I = Intensidad en amperios

R = Resistencia en Ohmios

0.239 = Constante (K)

t = Tiempo

La constante 0.239 se aproxima por exceso a 0.24 y se tiene entonces:

Q = 0.24 x I2 x R x t calorías

B. ENERGÍA ELÉCTRICA Y CALOR

Se dijo antes que si al concepto de trabajo le unimos el factor tiempo (t), tendremos la noción de POTENCIA, que es “el trabajo realizado en la unidad de tiempo”. Siendo la potencia una consecuencia del trabajo, y éste una causa del calor, es inmediata la conclusión que nos lleva a relacionar calor y trabajo.

Si relacionamos la potencia con el factor tiempo, obtendremos el concepto de ENERGÍA ELÉCTRICA.

Energía Eléctrica es la POTENCIA desarrollada en la UNIDAD DE TIEMPO considerada.