«La energía ni se crea ni se destruye. Se transforma.»
¿Cuántas veces hemos oído y estudiado esta frase? Y muchas de ellas iba acompañada de un ejemplo ilustrativo relacionado con el calor y la termodinámica.
Uno de estos ejemplos es el Efecto Joule. Que es la aplicación de la Ley de Joule o la descripción de por que los aparatos eléctricos se calientan. Esta ley fue descrita en el año 1841 por James Prescott Joule, un físico inglés que estudiaba la relación entre la energía, el trabajo y el calor.
La Ley descrita por Joule suele asociarse mucho con la Ley de Ohm. Esta segunda describe la tensión o voltaje generado en un elemento de un circuito que ejerce una resistencia a la corriente, y dicha corriente (V=I*R). Por lo que un material sometido a una corriente eléctrica, dependiendo de sus propiedades físicas, necesitará consumir una parte de la energía de dicha corriente para que los electrones se sumen a la conducción. Esto se denomina resistencia del material (R), se mide en Ohmios y es equivalente a tensión entre la intensidad (Ω = V/A).
En un mundo ideal, esto quiere decir que los electrones alterados por una corriente eléctrica se mueven en el interior del material generando energía en forma de potencia. Pero como el mundo no es ideal, los electrones al moverse por el material interaccionan entre sí y con el resto de partículas en forma de pequeñas colisiones. Por lo que las partículas ejercen interacciones cinéticas entre ellas.
Si dos materiales interaccionan entre sí de forma cinética, se comunican la energía de la interacción. Y si esa interacción se propaga por el tiempo, parte de esa interacción se transforma en calor. Como cuando nos frotamos las manos en una noche fría.
Lo que analizo Joule es por tanto las consecuencias temporales del paso de una corriente eléctrica por un material. En concreto el incremento del calor en los circuitos y el calentamiento de los sistemas eléctricos. El Efecto Joule es por tanto una explicación matemática de un evento natural observable. El calentamiento de un sólido conductor tras la exposición a una corriente durante un tiempo prolongado.
Matemáticamente el Efecto Joule se puede representar de diferentes maneras, todas ellas relacionadas, pero siempre dependientes del tiempo:
E = P·t = V·I·t = (R·I)·I·t= R·I2·t
Siendo la energía obtenida energía térmica que calienta el material.
Conocer y controlar este Efecto Joule nos permite realizar aplicaciones prácticas como sistemas de convección o radiación tanto a nivel comercial como industrial. Desde climatizadores hasta soldaduras. Pero lo más importante es que gracias esta simple ecuación podemos controlar la eficiencia de los sistemas eléctricos y electrónicos al ser capaces de calcular las pérdidas por calor de los materiales.
Referencias:
