Ley de Joule

Por Ing. Hernán Hernández Jiménez

Para poder comprender el efecto Joule debemos primero explicar brevemente el concepto de calor, el cual es el desprendimiento de energía por parte de un sistema como causa del movimiento, a escala microscópica, de las partículas que lo componen.

Un ejemplo muy claro se da al calentar agua: lo que se produce es un aumento de la energía del sistema, algo que, a nivel molecular, se traduce como un mayor movimiento de las partículas que lo componen. La energía absorbida, más tarde, se desprende nuevamente al exterior en forma de calor, siempre que el entorno que rodee a dicho sistema cuente con unos niveles energéticos inferiores, es decir, que la temperatura fuera del recipiente sea más baja.

La energía se desprende debido a que los sistemas tienden, por naturaleza, a buscar una situación de reposo o calma (que el movimiento de sus partículas sea el menor posible). Por ello, cuando este estado de relativa calma se altera, los sistemas intercambian energía con los que les rodean para tratar de aproximarse lo máximo posible a dicho estado. En el caso del recipiente de agua, el calor emitido al exterior permite enfriar al sistema y reducir sus niveles energéticos. Ese intercambio de energía es a lo que llamamos calor.

Para el caso de los sistemas eléctricos, al circular una corriente eléctrica a través de un conductor, el movimiento de los electrones dentro del mismo produce choques con los átomos del conductor cuando adquieren velocidad constante, lo que hace que parte de la energía cinética de los electrones se convierta en calor, con un consiguiente aumento en la temperatura del conductor. Mientras más corriente fluya, mayor será el aumento de la energía térmica del conductor y por consiguiente, mayor será el calor liberado. A este fenómeno se le conoce como efecto Joule.

“La cantidad de calor que desarrolla una corriente eléctrica al pasar por un conductor es directamente proporcional a la resistencia, al cuadrado de la intensidad de la corriente y el tiempo que dura la corriente”.

¿Por qué se llama efecto Joule?
El nombre de efecto Joule lo recibe del físico británico James Prescott Joule, quien es reconocido como uno de los más notables físicos de su época, sobre todo por su investigación en electricidad y termodinámica. En el transcurso de sus investigaciones sobre el calor desprendido en un circuito eléctrico, pudo establecer que la cantidad de calor producida en un conductor por el paso de una corriente eléctrica, dada en una unidad de tiempo, es proporcional a la resistencia del conductor y al cuadrado de la intensidad de corriente.

El calor producido por la corriente eléctrica que fluye a través de un conductor, entonces, es una medida del trabajo hecho por la corriente venciendo la resistencia del conductor; la energía requerida para este trabajo es suministrada por una fuente, mientras más calor produzca mayor será el trabajo hecho por la corriente y, por consiguiente, mayor será la energía suministrada por la fuente; entonces, determinando cuánto calor se produce, se puede conocer cuánta energía suministra la fuente y viceversa.

La fórmula de Joule
El calor generado por este efecto se puede calcular mediante la Ley de Joule, que dice:

“La cantidad de calor que desarrolla una corriente eléctrica al pasar por un conductor es directamente proporcional a la resistencia, al cuadrado de la intensidad de la corriente y el tiempo que dura la corriente”.

Expresado como fórmula tenemos:
Q=I²×R×t

Donde:
Q = Cantidad de calor, en Joules
I = Intensidad de la corriente, en Amperes
R = Resistencia eléctrica, en Ohms
t = Tiempo de duración que fluye la corriente, en segundos

Esto equivale a la ecuación para la energía eléctrica, ya que la causa del efecto Joule es precisamente una pérdida de energía en forma de calor.

Ejemplo del cálculo
Calculemos el calor producido por una corriente de 2.5 A sobre una resistencia de 130 Ω, durante 10 segundos.

Q = ?
I = 2.5 A
R = 130 Ω
t = 10 s
Q = (2.5)² ×130×10 = 6.25×130×10 = 8125 J, es decir se producen 8125 Joules de calor.

Normalmente cuando el trabajo eléctrico se manifiesta en forma de calor se suele usar la caloría como unidad. El número de calorías es fácil de calcular sabiendo que:
1 Joule = 0.24 calorías (equivalente calorífico del trabajo).

Por lo que la Ley de Joule queda expresada como:
Q=0.24×I²×R×t

Veamos el mismo ejemplo en calorías.
Q = 0.24×(2.5)² ×130×10 = 0.24×6.25×130×10 = 1950 cal.

Cuando una corriente fluye a través de un conductor, la energía térmica se genera en él. Los efectos de calentamiento dependen de la corriente que circula, la resistencia del conductor y el tiempo que fluye la corriente.

¿Dónde se aplica el efecto Joule?
Este fenómeno se presenta entonces en cualquier conductor donde circula la corriente, por lo que es de esperarse que en artefactos como motores o sistemas eléctricos esto presente un problema. En los hogares se encuentra una gran cantidad de ejemplos: planchas de ropa y cabello, hervidores, hornos, calentadores de ambiente y de agua, secadores, rizadores, tostadores de pan, entre otros.

En la industria, el efecto Joule permite el funcionamiento de aparatos y equipos, como de soldadura, hornos eléctricos para la fundición y metalurgia y soldadores de punto. Este último, muy utilizado en la industria automotriz y en la chapistería, reemplaza con ventaja al sistema de remachado.

Como ves, el fenómeno del calor desprendido fue estudiado de forma minuciosa para lograr explicarlo y poder manejarlo de forma correcta en diversas aplicaciones.