TERMODINÁMICA

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Un elemento calefactor enrollado de una tostadora eléctrica, que muestra incandescencia roja a amarilla.

El calentamiento de Joule , también conocido como calentamiento óhmico y calentamiento resistivo , es el proceso mediante el cual el paso de una corriente eléctrica a través de un conductor produce calor .

La primera ley de Joule , también conocida como ley Joule-Lenz , ^[1]establece que la potencia de calentamiento generada por un conductor eléctrico es proporcional al producto de su resistencia y al cuadrado de la corriente:

$${\ displaystyle P \ propto I ^ {2} R}

El calentamiento de Joule afecta a todo el conductor eléctrico, a diferencia del efecto Peltier que transfiere calor de una unión eléctrica a otra.

Historia [ editar ]

James Prescott Joule publicó por primera vez en diciembre de 1840, un resumen en las Actas de la Royal Society , lo que sugiere que el calor puede ser generado por una corriente eléctrica. Joule sumergió un trozo de alambre en una fija masa de agua y se mide la temperatura aumento debido a una corriente conocida que fluye a través del alambre para a 30 minuto período. Al variar la corriente y la longitud del cable, dedujo que el calor producido era proporcional al cuadrado de la corriente multiplicado por la resistencia eléctrica del cable sumergido. ^[2]

En 1841 y 1842, experimentos posteriores demostraron que la cantidad de calor generado era proporcional a la energía química utilizada en la pila voltaica que generaba la corriente. Esto llevó a Joule a rechazar la teoría calórica (en ese momento la teoría dominante) a favor de la teoría mecánica del calor (según la cual el calor es otra forma de energía ). ^[2]

El calentamiento resistivo fue estudiado de forma independiente por Heinrich Lenz en 1842. ^[1]

La unidad SI de la energía fue nombrado posteriormente el joule y dado el símbolo J . La unidad de potencia comúnmente conocida, el vatio , es equivalente a un julio por segundo.

Descripción microscópica [ editar ]

Consulte también: resistividad y conductividad eléctrica , velocidad de deriva y modelo Drude

El calentamiento de Joule es causado por las interacciones entre los portadores de carga (generalmente electrones ) y el cuerpo del conductor (generalmente iones atómicos ).

Una diferencia de voltaje entre dos puntos de un conductor crea un campo eléctrico que acelera los portadores de carga en la dirección del campo eléctrico, dándoles energía cinética . Cuando las partículas cargadas chocan con los iones en el conductor, las partículas se dispersan ; su dirección de movimiento se vuelve aleatoria en lugar de estar alineada con el campo eléctrico, que constituye un movimiento térmico . Así, la energía del campo eléctrico se convierte en energía térmica . ^[3]

Pérdida de potencia y ruido [ editar ]

La calefacción Joule se conoce como calefacción óhmica o calefacción resistiva debido a su relación con la Ley de Ohm . Constituye la base de la gran cantidad de aplicaciones prácticas relacionadas con la calefacción eléctrica . Sin embargo, en aplicaciones en las que el calentamiento es un no deseado subproducto de uso corriente (por ejemplo, las pérdidas de carga en transformadores eléctricos ) la desviación de la energía se refiere como a menudo la pérdida resistiva . El uso de altos voltajes en los sistemas de transmisión de energía eléctrica está diseñado específicamente para reducir tales pérdidas en el cableado al operar con corrientes proporcionalmente más bajas. losLos circuitos de anillo , o red de anillo, utilizados en hogares del Reino Unido son otro ejemplo, donde la energía se entrega a las salidas a corrientes más bajas [por cable, utilizando dos vías en paralelo], lo que reduce el calentamiento de Joule en los cables. El calentamiento de Joule no se produce en materiales superconductores , ya que estos materiales tienen resistencia eléctrica cero en el estado superconductor.

Las resistencias generan ruido eléctrico, llamado ruido de Johnson – Nyquist . Existe una relación íntima entre el ruido de Johnson-Nyquist y el calentamiento de Joule, explicado por el teorema de la fluctuación-disipación .

Fórmulas [ editar ]

Corriente directa [ editar ]

La fórmula más fundamental para el calentamiento de Joule es la ecuación de potencia generalizada:

$${\ displaystyle P = (V_ {A} -V_ {B}) I}

dónde

• P es la potencia (energía por unidad de tiempo) convertida de energía eléctrica a energía térmica,
• I es la corriente que viaja a través de la resistencia u otro elemento,
• $${\ displaystyle V_ {A} -V_ {B}} Es la caída de voltaje a través del elemento.

La explicación de esta fórmula ( P = VI ) es: ^[4]

( Energía disipada por unidad de tiempo ) = ( Energía disipada por carga que pasa a través de la resistencia ) × ( Carga que pasa a través de resistencia por unidad de tiempo )

Suponiendo que el elemento se comporte como una resistencia perfecta y que la energía se convierta completamente en calor, la fórmula se puede reescribir sustituyendo la ley de Ohm .$${\ displaystyle V = I * R}, en la ecuación de potencia generalizada:

$${\ displaystyle P = IV = I ^ {2} R = V ^ {2} / R}

donde R es la resistencia .

Corriente alterna [ editar ]

Artículo principal: alimentación de CA

Cuando la corriente varía, como lo hace en los circuitos de CA,

$${\ displaystyle P (t) = U (t) I (t)}

donde t es tiempo y P es la potencia instantánea que se convierte de energía eléctrica a calor. Mucho más a menudo, el poder promedio es más interesante que el poder instantáneo:

$${\ displaystyle P _ {\ rm {avg}} = U _ {\ text {rms}} I _ {\ text {rms}} = I _ {\ text {rms}} ^ {2} R = U _ {\ text {rms} } ^ {2} / R}

donde "avg" denota el promedio (promedio) durante uno o más ciclos, y "rms" denota el cuadrado de la raíz .

Estas fórmulas son válidas para una resistencia ideal, con reactancia cero . Si la reactancia es distinta de cero, se modifican las fórmulas:

$${\ displaystyle P _ {\ rm {avg}} = U _ {\ text {rms}} I _ {\ text {rms}} \ cos \ phi = I _ {\ text {rms}} ^ {2} \ operatorname {Re} (Z) = U _ {\ text {rms}} ^ {2} \ operatorname {Re} (Y ^ {*})}

dónde $${\ displaystyle \ phi} es la diferencia de fase entre la corriente y el voltaje, $${\ displaystyle \ operatorname {Re}}significa parte real , Z es la impedancia compleja e Y * es el conjugado complejo de la admitancia (igual a 1 / Z * ).

Para obtener más detalles en el caso reactivo, consulte la potencia de CA ∆0}

Forma diferencial [ editar ]

En la física del plasma, el calentamiento de Joule a menudo debe calcularse en una ubicación particular en el espacio. La forma diferencial de la ecuación de calentamiento de Joule da la potencia por unidad de volumen.

$${\ displaystyle \ mathrm {d} P / \ mathrm {d} V = \ mathbf {J} \ cdot \ mathbf {E}}

Aquí, $${\ displaystyle \ mathbf {J}} es la densidad de corriente, y $${\ displaystyle \ mathbf {E}}Es el campo eléctrico. Para un plasma neutro no en campo magnético y con una conductividad.$${\ displaystyle \ sigma}, $${\ displaystyle \ mathbf {J} = \ sigma \ mathbf {E}} y por lo tanto

$${\ displaystyle \ mathrm {d} P / \ mathrm {d} V = \ mathbf {J} \ cdot \ mathbf {E} = \ mathbf {J} \ cdot \ mathbf {J} \ rho = J ^ {2} / \ sigma}

dónde $${\ displaystyle \ rho = 1 / \ sigma}Es la resistividad . Esto se parece directamente a la "$${\ displaystyle I ^ {2} R}"Término de la forma macroscópica.

Transmisión de corriente alterna de alta tensión de la electricidad [ editar ]

Artículo principal: Transmisión de energía eléctrica § Ventaja de la transmisión de energía de alto voltaje

Ver también: Transformador y Guerra de Corrientes.

Las líneas eléctricas aéreas transfieren energía eléctrica de los productores de electricidad a los consumidores. Esas líneas eléctricas tienen una resistencia distinta de cero y, por lo tanto, están sujetas a calentamiento Joule, lo que provoca pérdidas en la transmisión.

La división de la potencia entre las pérdidas de transmisión (calentamiento de Joule en las líneas de transmisión) y la carga (energía útil entregada al consumidor) se puede aproximar mediante un divisor de voltaje . Para minimizar las pérdidas de transmisión, la resistencia de las líneas debe ser lo más pequeña posible en comparación con la carga (resistencia de los aparatos de consumo). La resistencia de la línea se minimiza mediante el uso de conductores de cobre , pero las especificaciones de la resistencia y la fuente de alimentaciónde los aparatos de consumo son fijas.

Por lo general, un transformador se coloca entre las líneas y el consumo. Cuando una corriente de alto voltaje y baja intensidad en el circuito primario (antes del transformador) se convierte en una corriente de bajo voltaje y alta intensidad en el circuito secundario (después del transformador), la resistencia equivalente del circuito secundario aumenta. ^[5] y las pérdidas de transmisión se reducen en proporción.

Durante la Guerra de Corrientes , las instalaciones de CA podrían usar transformadores para reducir las pérdidas de línea por el calentamiento de Joule, a costa de un mayor voltaje en las líneas de transmisión, en comparación con las instalaciones de CC .

Aplicaciones [ editar ]

El calentamiento de Joule o el calentamiento por resistencia se utilizan en múltiples dispositivos y procesos industriales. La parte que convierte la electricidad en calor mediante calentamiento Joule se denomina elemento calefactor .

Galería: Diferentes aplicaciones de calefacción Joule.

• 

  Una bombilla incandescente que emite un filamento de luz.
 
• 

  Infrarrojo - Imagen térmica de una bombilla.
 
• 

  Filamento del bulbo magnificado por microscopio electrónico de barrido
• 

  Bobinas de calentamiento de resistencia de 30 kW
 
• 

  Calefactor radiativo eléctrico.
 
• 

  Pequeño calentador de inmersión doméstico, 500 W
• 

  Elemento calefactor tubular plegado de máquina de café espresso
 
• 

  Baño de agua de laboratorioutilizado para reacciones a temperaturas cálidas.
 
• 

  Placa eléctrica de mesa
• 

  Placa caliente de laboratorio utilizada para reacciones a altas temperaturas.
 
• 

  Plancha de ropa usada para eliminar arrugas de la ropa.
 
• 

  Soldador , usado para fundir soldadura en trabajos electrónicos.
• 

  Portable calentador de ventilador , que se utiliza para calentar una habitación
 
• 

  Secador de pelo , produce flujo de aire caliente.
 
• 

  Calentador de cartucho que brilla al rojo vivo
• 

  Calentador de PTC flexible hecho de caucho conductor

Hay muchos usos prácticos de la calefacción Joule:

• Una bombilla incandescente se ilumina cuando el filamento se calienta por calentamiento de Joule, debido a la radiación térmica (también llamada radiación de cuerpo negro ).
• Los fusibles eléctricos se usan como seguridad, rompiendo el circuito al fundirse si fluye suficiente corriente para fundirlos.
• Los cigarrillos electrónicos vaporizan propilenglicol y glicerina vegetal mediante el calentamiento de Joule.
• Dispositivos de calentamiento múltiples utilizan calentamiento por efecto Joule, tal como estufas eléctricas , calentadores eléctricos , soldadores , calentadores de cartucho .
• Algunos equipos de procesamiento de alimentos pueden hacer uso de la calefacción Joule: la corriente que pasa a través del material alimenticio (que se comporta como una resistencia eléctrica) provoca la liberación de calor dentro de los alimentos. ^[6] La corriente eléctrica alterna junto con la resistencia del alimento provoca la generación de calor. ^[7] Una mayor resistencia aumenta el calor generado. El calentamiento óhmico permite un calentamiento rápido y uniforme de los productos alimenticios, lo que mantiene la alta calidad en los alimentos. Los productos con partículas se calientan más rápido en el calentamiento óhmico (en comparación con el procesamiento térmico convencional) debido a una mayor resistencia. ^[8]

Procesamiento de alimentos [ editar ]

Joule Heating ( Ohmic Heating ) es un proceso aséptico de pasteurización instantánea (también llamado "tiempo de alta temperatura y corto tiempo" (HTST)) que recorre una corriente alterna de 50–60 Hz a través de los alimentos. ^{[9] El} calor se genera a través de la resistencia eléctrica de los alimentos. ^[9] A medida que el producto se calienta, la conductividad eléctrica aumenta linealmente. ^[7] Una frecuencia de corriente eléctrica más alta es la mejor, ya que reduce la oxidación y la contaminación metálica. ^[9] Este método de calentamiento es mejor para alimentos que contienen partículas suspendidas en un medio que contiene sal débil debido a sus propiedades de alta resistencia. ^[8]El calentamiento óhmico permite mantener la calidad de los alimentos debido al calentamiento uniforme que disminuye el deterioro y el procesamiento excesivo de los alimentos. ^[9]

Eficiencia de calefacción [ editar ]

Artículo principal: Calefacción eléctrica.

Como tecnología de calefacción, la calefacción Joule tiene un coeficiente de rendimiento de 1.0, lo que significa que cada joule de energía eléctrica suministrada produce un joule de calor. En contraste, una bomba de calorpuede tener un coeficiente de más de 1.0, ya que mueve energía térmica adicional del ambiente al elemento calentado.

La definición de la eficiencia de un proceso de calentamiento requiere definir los límites del sistema a considerar. Al calentar un edificio, la eficiencia general es diferente cuando se considera el efecto de calefacción por unidad de energía eléctrica suministrada en el lado del medidor del cliente, en comparación con la eficiencia general al considerar también las pérdidas en la planta de energía y la transmisión de energía.

Equivalente hidráulico [ editar ]

Artículo principal: Ley de Darcy.

En el balance energético del flujo de agua subterránea se usa un equivalente hidráulico de la ley de Joule: ^[10]

$${\ displaystyle {dE \ over dx} = {v_ {x} ^ {2} \ over K}}

dónde:

$${\ displaystyle dE / dx} = pérdida de energía hidráulica ($${\ displaystyle E}) debido a la fricción del flujo en $${\ displaystyle x}-dirección por unidad de tiempo (m / día) - comparable a $${\ displaystyle P}

$${\ displaystyle v_ {x}} = velocidad de flujo en $${\ displaystyle x}-direccion (m / dia) - comparable a $${\ displaystyle I}

$${\ displaystyle K}= conductividad hidráulica del suelo (m / día): la conductividad hidráulica es inversamente proporcional a la resistencia hidráulica que se compara con$${\ displaystyle R}