El efecto Joule y el calor

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El efecto Joule es la disipación de calor a través de un conductor. Éste puede ser favorable, como en el caso de algunos electrodomésticos, o desfavorable cuando interfiere en el normal funcionamiento de ciertos dispositivos.

El efecto Joule y el fenómeno de luminiscencia dan como resultado la luz en una lámpara.

Este fenómeno lleva el apellido del científico James Prescott Joule. Antes de descubrir de qué se trata, conozcamos a este eminente físico.

James Prescott Joule

Nació en Reino Unido, en 1818, su familia trabajaba fabricando cervezas, así que él también realizó esta actividad en una etapa de su vida.

Su maestro fue el conocido químico John Dalton, quien le daba clases de física y matemática en forma particular. Dalton motivó a Joule para que se dedique a la investigación científica, así fue que el joven James comenzó a realizar experimentos.

Entre las experiencias de laboratorio realizadas por él se pueden nombrar aquellas relacionadas con el magnetismo, la magnetostricción y la electricidad. Sus investigaciones dieron como resultado el descubrimiento del motor eléctrico.

Joule publicó Producción de calor por la electricidad voltaica en 1840, donde enuncia una ley fundamental para la física que lleva su nombre.

Relacionó el calor y el trabajo, tomando como base los hallazgos de Benjamín Thompson (Conde de Rumford) en dicha rama de estudio. Todos sus análisis tuvieron en cuenta el principio de la conservación de la energía: "La energía no se crea ni se destruye, se transforma."

Ayudó a Willian Thomson (Lord Kelvin) en sus investigaciones y ambos descubrieron el denominado efecto Joule-Thompson, conocido en forma abreviada como Efecto Joule.

Joule fallece en el año 1889, dejando grandes aportes a la física. En su honor la unidad de energía en el Sistema Internacional de Medidas es el joule, cuyo símbolo es J.

Ley de Joule

"El calor generado en un conductor por el paso de la corriente eléctrica es proporcional a la resistencia del conductor, al cuadrado de la intensidad de la corriente y al tiempo durante el cual la misma pasa."

Q(t) = 0,24. I².R.t

Siendo:

Q(t): calor desprendido en un determinado tiempo.

0,24 es el factor de conversión para que el calor se exprese en calorías.

I: intensidad de la corriente.

R: resistencia del conductor.

t: tiempo durante el cual pasa la corriente.

Si a la fórmula anterior no se le aplica el factor de conversión 0,24 el resultado se expresa en joules [J] y es equivalente al trabajo realizado (W).

W = I².R.t

Reemplazando por la ley de Ohm se obtiene:

Se simplifica R:

Se vuelve a reemplazar utilizando la ley de Ohm:

Quedando:

W = I.V.t

El trabajo realizado queda expresado en joules.

Efecto Joule

La ley de Joule nos permite realizar cálculos exactos de la energía que se transformó en calor. Los mismos posibilitan, entre otras aplicaciones, diseñar dispositivos para calefaccionar un domicilio.

El efecto Joule es aquel mediante el cual la energía cinética de los electrones que circulan por un conductor se transforma en calor. Es decir:

"Al hacer circular una corriente eléctrica a través de un conductor se desprende calor."

Este calor puede considerarse como una pérdida de energía o aprovecharse. Veamos algunas de las aplicaciones de este fenómeno.

Aplicaciones del Efecto Joule

Plancha: Este electrodoméstico funciona mediante un circuito eléctrico que permite dar un uso específico al calor generado. Aparece por primera vez en 1882, ya que anteriormente se utilizaban otros artefactos con el fin de quitar las arrugas a las prendas, pero éstos no eran eléctricos.

Lámpara incandescente: Su funcionamiento se debe al efecto Joule y al fenómeno de incandescencia. Los materiales que están sometidos a altas temperaturas emiten luz. El inconveniente es que éstos no soportan tan elevadas temperaturas y se queman. Por ello a la lámpara incandescente se le suma un componente fundamental: el vacío.

Dicha lámpara contiene un filamento metálico dentro de una burbuja, en su interior generalmente hay vacío o algún gas inerte con baja presión que permite el calentamiento del filamento y la emisión de luz sin que el mismo entre en combustión.

Partes de una lámpara incandescente.

Fusibles: Sirven para limitar el paso de la corriente eléctrica, ya que se funden cuando la intensidad de corriente que los atraviesa supera un valor prefijado. Existe gran variedad de fusibles, pero todos cumplen la función de proteger los aparatos en los que se hallan, evitando que se destruyan otros componentes o que se produzcan incendios.

Fusibles cilíndricos, que suelen encontrarse en algunos electrodomésticos.

Secador de cabello: Funciona debido a que la corriente eléctrica que ingresa al aparato, circula por una resistencia que genera el calor necesario para que el aire circundante se caliente. Un motor hace rotar hélices para que este aire caliente sea dirigido a través de la carcasa y que cumpla su función de eliminar la humedad del cabello.

Cocina eléctrica: Existen varias clases, desde las más simples hasta las más sofisticadas. El componente principal son las bobinas que se calientan y transmiten la energía a otros objetos. En las más sencillas no existe una superficie entre las bobinas y el recipiente a calentar, mientras que en las de vitrocerámica se halla una superficie lisa para colocar las ollas o sartenes. Actualmente hay en el mercado cocinas de inducción, que funcionan con un campo electromagnético.

Las cocinas eléctricas no producen monóxido de carbono porque no tienen llamas.

Soldadura: Es otra aplicación del efecto Joule, se hace pasar corriente eléctrica a través de los metales que se desean unir. En la zona de unión la resistencia es mayor, por ello la temperatura aumenta y permite soldar.

La soldadura por puntos es una forma de unir metales.

Inconvenientes producidos por el efecto Joule

El efecto Joule puede tener resultados no deseados, como la pérdida de energía cuando se desea transportar energía a grandes distancias. La resistencia de los cables y las altas intensidades de corriente hacen que el efecto Joule deba atenuarse, lo que se logra mediante transformadores.

En las líneas de alta tensión también se genera el efecto corona que se evidencia mediante un halo luminoso alrededor del conductor, con la forma característica que le da su nombre. Este fenómeno se causa por la ionización del aire que rodea al conductor dando como resultado coronas coloreadas de rojo o azul.

En los cables de alta tensión el efecto Joule produce pérdidas de energía.

Calentamiento de aparatos

En algunos electrodomésticos como la plancha o estufas eléctricas, el efecto Joule es ventajoso, en cambio en determinados aparatos, hay que disminuirlo para evitar que se dañen otros componentes. Un caso que ejemplifica esto es el calor que se produce al utilizar una computadora, la misma no puede exceder cierta temperatura porque se dañarían sus componentes, para ello se colocan ventiladores que mantienen la temperatura adecuada para el normal funcionamiento de ésta.

Los ventiladores protegen a los componentes físicos de la computadora, evitando que la temperatura se eleve más de lo deseado.

Por lo tanto, el calentamiento por efecto Joule de ciertos dispositivos debe ser regulado para disminuir las pérdidas de energía.

¿Cómo ahorrar energía?

Además del efecto Joule, los electrodomésticos pueden calentarse o producir más gasto energético si no seguimos algunas recomendaciones importantes:

• Escoger electrodomésticos con menor consumo energético, aunque el precio sea un poco superior a otros, ya que con el tiempo se gastará menos y tendrán más duración.
• Situar la heladera o refrigerador en zonas ventiladas y alejada de fuentes de calor. Chequear que siempre esté bien cerrada y limpia.
• Apagar los aparatos que no estén en uso, desenchufándolos.
• Los lavarropas tienen mejor rendimiento en ambientes fríos, por lo que no es aconsejable ubicarlos cerca de fuentes de calor.
• Apagar las luces de los espacios que no se están utilizando.
• Utilizar lámparas de bajo consumo.
• No dejar las cocinas eléctricas encendidas si no se utilizan, además de consumir energía pueden ser causa de quemaduras.
• Llenar el lavarropas para realizar el lavado.
• Limpiar los electrodomésticos para evitar la acumulación de polvo que puede minimizar su rendimiento.
• Colocar la heladera con una distancia adecuada desde la pared para permitir su ventilación.
• No colocar alimentos calientes en la heladera, no sólo por el gasto de energía sino porque también pueden generar que ciertos microorganismos se reproduzcan con mayor facilidad.
• Descongelar la parte superior de la heladera cuando el hielo tenga una capa mayor a los 5 mm.
• Controlar la temperatura del aire acondicionado.
• El monitor de la computadora es una parte de ella que consume mucha energía, por eso es conveniente colocarlo en función ahorro de energía.

Estos son algunos de los consejos para que ahorres energía, ya que el propio efecto Joule genera una pérdida de energía en muchos de ellos. Cuidando la energía ahorras y proteges el planeta.