Efecto Joule – Ejercicios Resueltos

Efecto Joule o Ley de Joule

El Efecto Joule o Ley de Joule es una ley descubierta por el físico británico Jame Joule que se basa en el enunciado de que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. Por ejemplo, la energía eléctrica que pasa a través de una plancha, o una tostadora, se termina disipando en forma de calor. A este efecto se le conoce como efecto Joule. En este artículo comprenderemos los puntos más importantes de este tema, para después aprender a resolver ejercicios sin dificultad alguna.

¿Qué nos dice la Ley de Joule?

Para entender mucho mejor el efecto Joule, pensemos en una corriente eléctrica que circula a través de un conductor, durante ese lapso de tiempo la energía cinética de los electrones se transforma en calor y eleva su temperatura lo que origina el famoso “Efecto Joule”.

Ejemplo del efecto Joule

Podríamos decir que la ley de Joule nos dice el siguiente enunciado:

El calor que produce una corriente eléctrica cuando circula por un conductor es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente, por la resistencia y el tiempo que que demora en circular la corriente.

ejemplo de la ley de Joule

Fórmula de la Ley de Joule

Para comprender mejor el tema de la Ley de Joule, podemos analizar la fórmula que utilizaremos para resolver los diversos ejercicios que expondremos aquí mismo. Matemáticamente nuestra expresión es de esta forma:

Fórmula del efecto Joule

Dónde:

W = Cantidad de Calor (expresada en Joules)

I = Intensidad de Corriente (expresada en Amperes)

R = Resistencia Eléctrica (expresada en Ohms)

t = Unidad de tiempo (expresado en segundos)

Por lo general como se trata de una pérdida de calor, se suele utilizar las unidades de Caloría, y no la de Joules. Por lo que al realizar nuestra conversión de unidades, obtenemos una nueva fórmula:

$\displaystyle 1J\left( \frac{0.24cal}{1Joule} \right)=0.24cal$

Es decir, que nuestra fórmula tomará la siguiente forma:

Fórmula de la ley de Joule

Dónde:

Q = Cantidad de Calor (expresada en Calorías).

Ejercicios Resueltos de la Ley de Joule

Recordar que cuando nos referimos a la Ley de Joule, nos referimos al efecto Joule. Muchos autores de libros de Física lo consideran de las dos formas, por eso aquí explicamos que son lo mismo. Para profundizar mejor el tema, resolvamos algunos ejercicios sobre este tema.

Problema 1.- Por el embobinado de un motor eléctrico circulan 5 amperes al estar conectado a una diferencia de potencial de 220 Volts, ¿Qué calor genera en dos minutos?

Solución:

Al circular corriente a través del embobinado del motor eléctrico, este producirá de alguna forma calor. La pregunta que nos hace el problema es saber qué cantidad de calor se genera en dos minutos, para ello coloquemos nuestros datos:

Datos:

$\displaystyle I=5A$

$\displaystyle V=220V$

$\displaystyle t=2\min$

Lo primero que haremos, será convertir los minutos a segundos

$\displaystyle t=2\min \left( \frac{60s}{1\min } \right)=120s$

Ahora debemos encontrar el valor de la resistencia, para ello aplicamos la Ley del Ohm

$\displaystyle I=\frac{V}{R}$

Despejando a “R”

$\displaystyle R=\frac{V}{I}$

Sustituyendo datos:

$\displaystyle R=\frac{V}{I}=\frac{220V}{5A}=44\Omega$

Ahora si podemos sustituirlo en nuestra fórmula:

$\displaystyle Q=0.24{{\left( 5A \right)}^{2}}\left( 44\Omega \right)\left( 120s \right)=31680cal$

Es decir que se disipó en calor un valor aproximado de 31680 calorías en dos minutos.

Resultado:

$\displaystyle Q=31680cal$

Problema 2.- Por la resistencia de 60Ω de un radiador eléctrico circula una corriente de 9A al estar conectado a una diferencia de potencial de 120 V. ¿Qué cantidad de calor produce en 8 minutos?

Solución:

A diferencia del ejercicio anterior, en este problema si contamos con el valor de la resistencia, y los demás datos necesarios para la resolución correcta del ejemplo, entonces vamos a recopilar nuestros datos y ver la manera de como introducirlos en la fórmula sin problema alguno.

Datos:

$\displaystyle R=60\Omega$

$\displaystyle I=9A$

$\displaystyle V=120V$

$\displaystyle t=8\min$

Lo primero que podemos observar es que los minutos deben pasarse a segundos, para ello aplicamos el factor de conversión y convertimos:

$\displaystyle t=8\min \left( \frac{60s}{1\min } \right)=480s$

Ahora si podemos hacer uso de la fórmula la ley de Joule

$\displaystyle Q=0.24{{\left( 9A \right)}^{2}}\left( 60\Omega \right)\left( 480s \right)=559872cal$

Lo que nos daría un total de 559,872 Calorías que se produce en 8 minutos.

Resultado:

$\displaystyle Q=559872cal$

Problema 3.- Determinar el calor desarrollado en tres minutos por un cautín para soldar cuya potencia es de 180 Watts

Solución:

A diferencia de los ejemplos anteriores, en este caso no contamos con el valor de la resistencia, corriente o resistencia. Solamente tenemos el dato del tiempo y de la potencia. Pero si analizamos bien nuestra fórmula, sabremos que es un problema fácil de resolver. Recopilemos nuestros datos.

Datos.

$\displaystyle P=180W$

$\displaystyle t=3\min$

Antes de comenzar, primero pasaremos los minutos a segundos

$\displaystyle t=3\min \left( \frac{60s}{1\min } \right)=180s$

Sabemos por el tema de Potencia Eléctrica que la potencia es el cuadrado de la corriente por el voltaje, entonces:

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

Si sustituimos la fórmula en la Ley de Joule, obtenemos:

$\displaystyle Q=0.24{{I}^{2}}Rt=0.24Pt$

$\displaystyle Q=0.24Pt$

Sustituyendo los datos en la fórmula:

$\displaystyle Q=0.24Pt=0.24\left( 180W \right)\left( 180s \right)=7776cal$

Por lo que obtenemos un total de 7,776 calorías.

Resultado:

$\displaystyle Q=7776cal$

Ejercicios Para Practicar de La Ley de Joule

Ahora es momento de que perfecciones el tema, resolviendo diversos ejercicios sobre el tema del efecto Joule.

Problema 4.- Una plancha eléctrica tiene una resistencia de 35Ω y se conecta durante 30 minutos a una diferencia de potencial de 110V. ¿Qué cantidad de calor produce?

Ver Solución

Problema 5.- Una secadora de cabello tiene una resistencia de 15Ω al circular una corriente de 8 Amperes, si está conectado a una diferencia de potencial de 120 V, durante 32 minutos ¿Qué cantidad de calor produce?

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