Calentamiento Joule

Proceso por el cual el paso de una corriente eléctrica a través de un conductor produce calor.

Un elemento calefactor en espiral de una tostadora eléctrica, que muestra una incandescencia de rojo a amarillo.

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El calentamiento Joule , también conocido como calentamiento resistivo , por resistencia o óhmico , 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 de Joule-Lenz, ^[1] establece que la potencia de calentamiento generada por un conductor eléctrico es proporcional al producto de su resistencia por el cuadrado de la corriente:

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

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

Historia

James Prescott Joule publicó por primera vez en diciembre de 1840 un resumen en Proceedings of the Royal Society , sugiriendo que el calor podría ser generado por una corriente eléctrica. Joule sumergió un trozo de alambre en una masa fija de agua y midió el aumento de temperatura debido a una corriente conocida que fluía a través del alambre durante un período de 30 minutos . Variando 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 mostraron que la cantidad de calor generado era proporcional a la energía química utilizada en la pila voltaica que generó la plantilla. Esto llevó a Joule a rechazar la teoría calórica (en ese momento la teoría dominante) a favor de la mecánica. teoría 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 , equivale a un julio por segundo.

Descripción microscópica

Ver también: resistividad y conductividad eléctricas , velocidad de deriva y modelo de Drude

El calentamiento Joule es causado por 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 alinearse con el campo eléctrico, que constituye el movimiento térmico . Por tanto, la energía del campo eléctrico se convierte en energía térmica . ^[3]

Pérdida de energía y ruido

El calentamiento por Joule se conoce como calentamiento óhmico o calentamiento resistivo debido a su relación con la ley de Ohm . Constituye la base de un gran número 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 a menudo como 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. LaLos circuitos en anillo , o red eléctrica en anillo, utilizados en los hogares del Reino Unido son otro ejemplo, donde la energía se entrega a los tomacorrientes a corrientes más bajas (por cable, utilizando dos rutas en paralelo), lo que reduce el calentamiento Joule en los cables. El calentamiento Joule no ocurre en materiales superconductores , ya que estos materiales tienen una resistencia eléctrica cero en el estado superconductor.

Los resistores crean ruido eléctrico, llamado ruido de Johnson-Nyquist . Existe una relación íntima entre el ruido de Johnson-Nyquist y el calentamiento de Joule, que se explica por el teorema de fluctuación-disipación .

Fórmulas

Corriente continua

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

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

dónde

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

La explicación de esta fórmula ( ) es: ^[4]${\displaystyle P=IV}$

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

Suponiendo que los comporta elemento como una resistencia perfecta y que la potencia se convierte completamente en calor, la fórmula puede ser re-escrito mediante la sustitución de la ley de Ohm , , en la ecuación de energía generalizada:${\displaystyle V=I\cdot R}$

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

donde R es la resistencia .

Corriente alterna

Artículo principal: alimentación de CA

Cuando la corriente varía, como ocurre en los circuitos de CA,

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

donde t es el tiempo y P es la potencia instantánea que se convierte de energía eléctrica en calor. Con mucha más frecuencia, la potencia media es más interesante que la potencia instantánea:

${\displaystyle P_{\rm {avg}}=U_{\text{rms}}I_{\text{rms}}=I_{\text{rms}}^{2}R=U_{\text{rms}}^{2}/R}$

donde "avg" denota la media (media) durante uno o más ciclos, y "rms" denota la raíz cuadrada media .

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

${\displaystyle P_{\rm {avg}}=U_{\text{rms}}I_{\text{rms}}\cos \phi =I_{\text{rms}}^{2}\operatorname {Re} (Z)=U_{\text{rms}}^{2}\operatorname {Re} (Y^{*})}$

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

Para obtener más detalles sobre el caso reactivo, consulte Alimentación de CA ∆0}

Forma diferencial

El calentamiento Joule también se puede calcular 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, está la densidad de corriente y es el campo eléctrico. Para un material con conductividad , y por lo tanto${\displaystyle \mathbf {J} }$${\displaystyle \mathbf {E} }$${\displaystyle \sigma }$${\displaystyle \mathbf {J} =\sigma \mathbf {E} }$

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

donde esta la resistividad . Esto se parece directamente al término " " de la forma macroscópica.${\displaystyle \rho =1/\sigma }$${\displaystyle I^{2}R}$

En el caso de armónicos, donde todas las cantidades de campo varían con la frecuencia angular como , fasores de valor complejo y generalmente se introducen para la densidad de corriente y la intensidad del campo eléctrico, respectivamente. El calentamiento Joule luego lee ${\displaystyle \omega }$${\displaystyle e^{-\mathrm {i} \omega t}}$ ${\displaystyle {\hat {\mathbf {J} }}}$${\displaystyle {\hat {\mathbf {E} }}}$

${\displaystyle \mathrm {d} P/\mathrm {d} V={\frac {1}{2}}{\hat {\mathbf {J} }}\cdot {\hat {\mathbf {E} }}^{*}={\frac {1}{2}}{\hat {\mathbf {J} }}\cdot {\hat {\mathbf {J} }}^{*}\rho ={\frac {1}{2}}J^{2}/\sigma }$,

donde denota el conjugado complejo .${\displaystyle \bullet ^{*}}$

Transmisión de electricidad en corriente alterna de alto voltaje

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

Ver también: Transformador y Guerra de las 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 al calentamiento Joule, lo que provoca pérdidas de transmisión.

La división de la potencia entre las pérdidas de transmisión (calentamiento 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 resistencia y suministro de energía de los aparatos de consumo son fijas.

Por lo general, se coloca un transformador entre las líneas y el consumo. Cuando una corriente de alta tensión y baja intensidad en el circuito primario (antes del transformador) se convierte en una corriente de baja tensión 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 proporcionalmente.

Durante la guerra de corrientes , las instalaciones de CA podrían usar transformadores para reducir las pérdidas de línea por calentamiento Joule, a costa de un voltaje más alto en las líneas de transmisión, en comparación con las instalaciones de CC .

Aplicaciones

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

Galería: Diferentes aplicaciones de calentamiento Joule

• El filamento de una bombilla incandescente que emite luz

• Infrarrojos : imagen térmica de una bombilla

• Filamento de bulbo magnificado por microscopio electrónico de barrido

• Serpentines calefactores de resistencia de 30 kW

• Calentador de espacio radiativo eléctrico

• Calentador de inmersión doméstico pequeño, 500 W

• Elemento calefactor tubular plegado de la máquina de café espresso

• Baño de agua de laboratorio utilizado para reacciones a temperaturas cálidas.

• Placa de cocción eléctrica de sobremesa

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

• Plancha de ropa utilizada para eliminar las arrugas de la ropa.

• Soldador , utilizado para fundir soldaduras en trabajos electrónicos.

• Calentador de ventilador portátil , utilizado para calentar una habitación.

• Secador de pelo , produce flujo de aire caliente.

• Calentador de cartucho incandescente al rojo vivo

• Calentador PTC flexible de caucho conductor

Hay muchos usos prácticos de la calefacción Joule:

• Una bombilla de luz incandescente se enciende cuando el filamento se calienta mediante calentamiento Joule, debido a la radiación térmica (también llamada radiación de cuerpo negro ).
• Los fusibles eléctricos se utilizan como seguridad, rompiendo el circuito al derretirse si fluye suficiente corriente para derretirlos.
• Los cigarrillos electrónicos vaporizan propilenglicol y glicerina vegetal mediante calentamiento 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 utilizar el calentamiento Joule: el paso de corriente a través del material alimentario (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 de los alimentos 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 calentamiento óhmico (en comparación con el procesamiento térmico convencional) debido a una mayor resistencia. ^[8]

Procesamiento de alimentos

El calentamiento Joule (calentamiento óhmico ) es un proceso aséptico de pasteurización instantánea (también llamado "alta temperatura y tiempo corto" (HTST)) que hace pasar una corriente alterna de 50 a 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] Es mejor una frecuencia de corriente eléctrica más alta 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

Artículo principal: Calefacción eléctrica

Como tecnología de calefacción, la calefacción Joule tiene un coeficiente de rendimiento de 1.0, lo que significa que cada julio de energía eléctrica suministrada produce un julio de calor. En contraste, una bomba de calor puede tener un coeficiente de más de 1.0 ya que mueve energía térmica adicional del ambiente al artículo 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 entregada en el lado del medidor del cliente, en comparación con la eficiencia general cuando se consideran también las pérdidas en la planta de energía y la transmisión de energía.

Equivalente hidráulico

Artículo principal: ley de Darcy

En el balance energético del flujo de agua subterránea se utiliza 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 ( ) debido a la fricción del flujo en dirección por unidad de tiempo (m / día) - comparable a${\displaystyle E}$${\displaystyle x}$${\displaystyle P}$

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

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

Ver también

• Alambre de resistencia
• Elemento de calefacción
• Nicromo
• Tungsteno
• Disilicida de molibdeno
• Sobrecalentamiento (electricidad)
• Gestión térmica (electrónica)
• Calentamiento por inducción

Referencias

1. Джоуля - Ленца закон Archivado el 30 de diciembre de 2014 en la Wayback Machine . Большая советская энциклопедия , 3-е изд., Гл. ред. А. М. Прохоров. Москва: Советская энциклопедия, 1972. Т. 8 ( AM Prokhorov; et al., Eds. (1972). "Ley de Joule-Lenz". Gran Enciclopedia Soviética (en ruso) 8. Moscú: Enciclopedia Soviética.)
2. "Historia de la física de este mes: diciembre de 1840: resumen de Joule sobre la conversión de energía mecánica en calor" . aps.org . Sociedad Física Estadounidense . Consultado el 16 de septiembre de 2016 .
3. "Velocidad de deriva, corriente de deriva y movilidad de electrones" . Electrical4U . Consultado el 26 de julio de 2017 .
4. Sistemas de energía eléctrica: una introducción conceptual de Alexandra von Meier, p67, enlace de libros de Google
5. "Circuitos transformadores" . Consultado el 26 de julio de 2017 .
6. Ramaswamy, Raghupathy. "Calentamiento óhmico de los alimentos" . Universidad del Estado de Ohio. Archivado desde el original el 8 de abril de 2013 . Consultado el 22 de abril de 2013 .
7. Becarios, PJ (2009). Tecnología de procesamiento de alimentos . MA: Elsevier. págs. 813–844. ISBN 978-0-08-101907-8.
8. Varghese, K. Shiby; Pandey, MC; Radhakrishna, K .; Bawa, AS (octubre de 2014). "Tecnología, aplicaciones y modelado del calentamiento óhmico: una revisión" . Revista de ciencia y tecnología de los alimentos . 51 (10): 2304–2317. doi : 10.1007 / s13197-012-0710-3 . ISSN 0022-1155 . PMC 4190208 . PMID 25328171 .   
9. 1953-, Becarios, P. (Peter) (2017) [2016]. Tecnología de procesamiento de alimentos: principios y práctica (4ª ed.). Kent: Woodhead Publishing / Elsevier Science. ISBN 9780081019078. OCLC  960758611 .
10. RJOosterbaan, J.Boonstra y KVGKRao (1996). El balance energético del flujo de agua subterránea (PDF) . En: VPSingh y B. Kumar (eds.), Subsurface-Water Hydrology, Vol.2 de las Actas de la Conferencia Internacional sobre Hidrología y Recursos Hídricos, Nueva Delhi, India. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Países Bajos. págs. 153–160. ISBN  978-0-7923-3651-8.