La ley de Joule o ¿por qué se calienta el cable?
La ley de Joule o ¿por qué se calienta el cable?
La ley de Joule o ¿por qué se calienta el cable?
El fenómeno de la liberación de calor en instalaciones y dispositivos eléctricos es de suma importancia desde el punto de vista de la durabilidad del propio dispositivo y de la seguridad del usuario. Reducir las pérdidas de energía minimizando la generación de calor residual es un gran desafío para los diseñadores de instalaciones, dispositivos y redes de transmisión eléctricas. Esta cuestión es especialmente relevante hoy en día, cuando luchamos contra los altos precios de la electricidad y la escasez de electricidad. Afortunadamente, la ley de Joule-Lenz nos permitió comprender este tema y contribuyó al desarrollo de la tecnología.
- Ley de Joule – conceptos básicos
- El efecto del calor sobre un circuito eléctrico
- El efecto del calor en la electrónica
- Temperatura límite
- Transmisión de energía y pérdidas de potencia
¿Por qué la unidad de calor se expresa en julios?
Comúnmente utilizamos unidades Joule para interpretar la cantidad de energía térmica, y la descripción precisa del fenómeno se la debemos a un distinguido personaje del siglo XIX. James Prescott Joule es un físico de Gran Bretaña que, cuando sólo tenía 22 años, formuló una ley física llamada ley de Joule en su honor. Cabe mencionar que el nombre completo de esta teoría es ley de Joule-Lenz, pues un año después un científico ruso de origen alemán, Heinrich Lenz, llegó a una conclusión similar. Esta relación es un registro matemático del fenómeno de generar energía térmica como resultado del flujo de corriente eléctrica.
La definición dice que "la cantidad de calor generada cuando una corriente eléctrica fluye a través de un conductor es directamente proporcional a la resistencia eléctrica, el cuadrado de la intensidad de la corriente y el tiempo de su flujo".
La notación matemática es la siguiente:
Dónde:
Q – cantidad de calor liberado [J];
I – intensidad de corriente eléctrica [A];
R – resistencia eléctrica del conductor [Ω];
t – tiempo de flujo de corriente eléctrica [s].
Las fórmulas y relaciones matemáticas mencionadas anteriormente pueden parecer un poco complicadas. Sin embargo, el proceso físico de liberación de calor durante el flujo de electricidad es fácil de imaginar comparándolo con el ejemplo frecuentemente citado del flujo de líquido en un sistema hidráulico. Supongamos que la corriente es la cantidad de agua que fluye por la tubería y el voltaje es la presión con la que el agua recorre los siguientes metros de la tubería (en nuestro caso, el conductor). Según la ley de Ohm, la resistencia de la corriente eléctrica es igual a:
Dónde:
U – voltaje eléctrico [V];
I – intensidad de la corriente [A].
La resistencia eléctrica mencionada anteriormente refleja la presión ejercida por las paredes de la tubería e impide que el fluido se mueva. ¿De dónde viene esta resistencia? Es causada por la fricción entre el líquido y las paredes de la tubería. De manera similar, en el caso del movimiento ordenado de electrones, que es el flujo de corriente eléctrica, las cargas eléctricas golpean las paredes del conductor y rozan constantemente contra ellas. Aquí llegamos al meollo de la cuestión – la fricción genera calor.
Liberación de calor en un circuito eléctrico – ¿un fenómeno deseable o todo lo contrario?
La liberación de calor cuando la corriente fluye a través de un conductor puede ser un fenómeno indeseable, pero no tiene por qué serlo. ¿Por qué? En una situación en la que la generación de calor es un efecto secundario, por ejemplo, cuando se alimenta un dispositivo o una máquina, hablamos de pérdida de energía en forma de calor que se libera al medio ambiente. Este tipo de pérdida se considera un fenómeno indeseable. Vale la pena señalar que incluso en este caso, existen formas de limitar el impacto negativo de la pérdida en la cuenta económica. El calor generado se puede utilizar para calentar el entorno, por ejemplo utilizando intercambiador de calor, lo que al mismo tiempo reduce la factura de la fuente primaria de calefacción.
Sin embargo, la liberación de calor será un fenómeno completamente deseable en el caso de dispositivos equipados con calentadores de resistencia. El principio de su funcionamiento se basa en el aprovechamiento del calor generado durante el flujo de corriente eléctrica. Su propósito puede ser muy diferente. Un ejemplo de dicho dispositivo sería una lavadora que utiliza dicho sistema para calentar el agua utilizada para lavar. La energía eléctrica también se convierte en energía térmica en un hervidor eléctrico. Este es un caso en el que dicho fenómeno determina la funcionalidad del dispositivo.
Calor en sistemas electrónicos
Según la información presentada, ya sabemos que el calor observado por Joule puede ser un fenómeno deseable. Sin embargo, en consideraciones posteriores nos centraremos en limitar o al menos disipar eficazmente el calor generado.
No es ningún secreto que uno de los mayores enemigos de los sistemas electrónicos es el calentamiento excesivo. Una temperatura demasiado alta provocada por la liberación de calor durante el funcionamiento del dispositivo puede provocar un sobrecalentamiento de elementos como condensadores o relés. Debido a esta amenaza, los fabricantes y contratistas de dispositivos eléctricos avanzados dedican mucho tiempo a dotar al circuito de un sistema de refrigeración adecuado y eficiente, a menudo combinado con la eliminación de aire caliente. Para ello se suelen utilizar todo tipo de ventiladores, que generan un movimiento de aire que reduce la temperatura ambiente. Otra solución son los sistemas de refrigeración líquida más complicados, pero al mismo tiempo muy eficientes.
Temperatura límite de cables
Debido a la liberación de calor durante la transmisión de electricidad a través de cable, uno de los criterios básicos en el proceso de selección del diámetro del conductor y del aislamiento mecánico es la capacidad de carga y la capacidad de sobrecarga de corriente. Volviendo una vez más a la fórmula presentada por James Joule, la segunda potencia de la corriente que fluye llama inmediatamente la atención. Por eso la intensidad tiene el mayor impacto en la cantidad de calor liberado (como resultado del movimiento de los electrones en el conductor). Esto es lógico: cuanto mayor es la intensidad de las partículas que fluyen, mayor es su fricción contra las paredes del conductor.
Cada cable eléctrico, y con él el aislamiento mecánico, tiene una determinada resistencia a la temperatura, cuyo exceso puede provocar que el cable se derrita o se incendie. Dependiendo del material del conductor (normalmente cobre o aluminio), los diseñadores de instalaciones eléctricas realizan, según la normativa vigente, los cálculos correspondientes, de los que se obtiene la sección transversal de conductor más pequeña permitida (indicada en mm2). Determinar el diámetro adecuado protegerá el cable contra el calentamiento excesivo y la transferencia de calor al aislamiento. El aumento de temperatura se ve influenciado además por otros factores que tienen un gran impacto en el gradiente de temperatura. Éstas incluyen:
- método de tendido del cable – la instalación eléctrica se puede realizar en lo alto, en el suelo o en la pared del edificio, debajo del yeso;
- valor actual inicial – en el caso de los motores grandes la corriente de arranque puede ser mucho mayor que la corriente nominal;
- alta corriente de cortocircuito, que provoca un aumento repentino de temperatura.
Los factores mencionados anteriormente son sólo la base de todo el proceso de selección del cable adecuado para la instalación eléctrica planificada. En primer lugar, debe ser seguro y resistente a los aumentos de temperatura, incluso si las condiciones eléctricas superan sus valores nominales.
Transmisión de electricidad a largas distancias y pérdidas de energía
La electricidad generada en las centrales eléctricas se transmite a distancias considerables. Uno de los ejemplos más ilustrativos son los aerogeneradores situados en el mar, a varios kilómetros de la tierra. Grandes cantidades de energía fluyen continuamente en los cables eléctricos. Como ya sabemos, las pérdidas de potencia están muy relacionadas con la corriente en segunda potencia. Por lo tanto, si en nuestros hogares fluyera electricidad de alta intensidad, las pérdidas de energía serían enormes y pagaríamos muchas veces más por ella. Para evitar esto, la electricidad se transmite mediante alto voltaje. Las líneas de mayor tensión alcanzan valores de hasta 750 kV.