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INICIO : Electrotecnia para aplicaciones industriales

Neumática e Hidráulica

Matemáticas. Elementos Básicos. Problemas resueltos.

 

 

 


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CONCEPTOS DE ELECTROTECNIA PARA APLICACIONES INDUSTRIALES

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EFECTO TÉRMICO DE LA ELECTRICIDAD

Cuando la corriente eléctrica fluye por una resistencia eléctrica ésta se calienta. El calor producido depende de la energía eléctrica consumida por la misma, es decir del producto de la potencia por el tiempo. Las aplicaciones del efecto térmico de la electricidad son muy variadas: calefacción, cocinas y hornos, etc. Ahora bien, el efecto térmico también provoca inconvenientes cuando no es deseado, como por ejemplo el calentamiento que se produce en los conductores de las líneas eléctricas cuando son recorridos por corriente. Para evitar que este calentamiento sea excesivo en los mismos se aumenta su sección.

Contenido:

  • Efecto Joule.
  • Calor especifico.
  • Transmisión del calor.
  • Cálculo de la sección de conductores.

Objetivos:

  • Describir los procesos de conversión de energía eléctrica a calorífica.
  • Emplear el calor específico de los cuerpos para determinar la elevación de su temperatura.
  • Distinguir los sistemas de transmisión del calor.
  • Relacionar el calentamiento de un conductor con la intensidad que fluye por él y su resistencia eléctrica.
  • Calcular la sección de un conductor en función de su intensidad máxima admisible.
  • Determinar la caída de tensión de las líneas eléctricas y tenerla en cuenta para el cálculo de la sección de los conductores de una línea eléctrica.

Efecto Joule

Hemos visto que los conductores y las resistencia se calientan cuando son atravesados por una corriente eléctrica. Este fenómeno es también conocido por "efecto Joule".

El físico P. James Joule estudió la relación que existe entre la energía y su transformación plena en calor. A base de experimentar con un calorímetro, llegó a la conclusión de que la energía de 1 Julio es equivalente a 0,24 calorías.

Q =0,24· E

Q = calor en calorías

E = energía en Julios

De esta manera, si quisiéramos determinar el calor que se produce en una resistencia R en un tiempo determinado t cuando es recorrida por una corriente eléctrica I, tendremos que:

E = P.t; a su vez P = R.I2; si llevamos estos valores a la primera expresión, tenemos:

Efecto térmico de la electricidad. Problemas de ejemplo :

1) Calcular el calor desprendido por un horno eléctrico de 2000 W en 5 minutos de funcionamiento.

Solución: La energía en julios consumida durante ese período de tiempo, es:

E = P t = 2000 . 300 = 600.000 Julios

t = 5 . 60 = 300 s

Como cada julio se transforma en 0,24 calorías, tendremos que:

Q= 0,24 E = 0,24· 600.000 = 144.000 calorías = 144 Kcal.

2) Calcular el calor desprendido por un conductor de cobre de 100 m de longitud y 1,5 mm2 de sección que alimenta un grupo de lámparas de 1.500W de potencia a una tensión de 230 V durante un día.

Solución: Primero se calcula la intensidad de corriente que circula por dicho conductor:

Calculemos ahora la resistencia del conductor de la línea:

El calor producido por el conductor, que eleva su temperatura y que se contabiliza como energía perdida, es:

La energía calorífica desarrollada por una resistencia calefactora o por un conductor cuando es atravesado por una corriente eléctrica tiende a elevar la temperatura del mismo.

Esta elevación depende de varios factores, como son el calor específico de los materiales, su masa, su temperatura, los coeficientes de transmisión por donde se propaga y disipa el calor, etc.

Calor específico

El calor específico de una substancia es la cantidad de calor que se precisa para aumentar la temperatura en 1°C una masa de 1 gramo.

Así, por ejemplo, para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado se necesita una caloría, bastante más que lo que se necesita para hacer lo mismo con un gramo de cobre (0,093 calorías). En la Tabla siguiente se expone el calor específico de diferentes substancias, expresado en calorías /gramo . ºC.

Sustancia Calor Específico en calorías /gramo .ºC
cobre 0,093
acero 0,110
PVC 0,210
aluminio 0,220
agua 1

Conociendo el calor específico de una sustancia y su masa es posible calcular la cantidad de calor que es necesario aplicar para elevar su temperatura. Para ello aplicaremos la expresión :

3) Deteminar el calor necesario para elevar la temperatura de 1 litro de agua de 20ºC a 50ºC.

Solución: Como 1 litro de agua equivale a 1000 gramos, el calor específico del agua es 1 y la elevación de temperatura que deseamos conseguir es (50 - 20) = 30 ºC, el calor aplicar es :

4) Determinar la potencia que deberá tener un termo eléctrico de agua para calentar un depósito de 50 litros en 1 hora. El agua entra a 12 ºC y se desea calentarla hasta 60ºC. Calcular también el valor óhmico de la resistencia de caldeo para una tensión de 230 V.

Nota : Para hacer los cálculos no tener en cuenta el calentamiento de la cuba ni de la resistencia calefactora.

Solución : El calor que debe aportar la resistencia de caldeo, es :

La energía eléctrica para producir este calor, es:

La potencia para desarrollar esta energía en 1 hora (3.600 segundos) será :

5) Cuál será el costo de la energía de ejemplo 2) anterior, si el precio del KWh es de 17 pesos.

Solución:

6) Determinar el aumento de temperatura que experimentará una plancha eléctrica de acero si se calienta mediante una resistencia de caldeo de 10 ohmios a 125 V durante 10 minutos. La plancha posee una masa de 7 kg y se supone que se pierde un 25% del calor generado.

Solución: Calculamos primeros el calor generado.

El calor transmitido a la plancha será sólo el 75% del total generado:

Como el calor específico del acero es 0,11, el incremento de temperatura será de :

 

 

 

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