CONCEPTOS DE ELECTROTECNIA PARA APLICACIONES INDUSTRIALES

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EFECTO TÉRMICO DE LA ELECTRICIDAD

 


 

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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".

Este fenómeno no es otra cosa que una verdadera transformación de energía eléctrica en calorífica. Esta es utilizada en muchas ocasiones pero, en otras, es perjudicial. La teoría electrónica explica el calentamiento de un conductor por efecto Joule, para lo cual supone que, al recorrer los electrones el conductor a través de los espacios libres existentes entre los núcleos de los átomos, sufren rozamientos y choques entre sí y con los núcleos, lo que hace aumentar la temperatura del conductor .

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:

Para determinar la cantidad de calor producido en un conductor por efecto Joule al ser recorrido por una corriente eléctrica, basta multiplicar por el coeficiente de equivalencia 0,24 el valor de la energía eléctrica consumida.

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.

3) ¿Qué cantidad de calor producirá una estufa de 1.500 W en un minuto ?

En un minuto, la energía consumida por la estufa será

W = P t= 1.500 X 60 = 90.000 J

Por consiguiente, el calor producido por la estufa en ese tiempo será

Q = 0,24 W = 0,24 X 90.000 = 21.600 cal = 21,6 kcal

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 :

4) 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 :

5) 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 :

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

Solución:

7) 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 :

Distintas expresiones del calor producido

Mediante sustituciones en las fórmulas vista en ésta página, se obtienen tres formas diferentes para expresar el calor producido por efecto Joule .

La primera permite calcular el calor producido partiendo de los valores de la tensión, intensidad de la corriente y tiempo de conexión

Q = 0,24 V I t

La segunda permite el cálculo partiendo de los valores de la resistencia del circuito, intensidad de corriente y tiempo de conexión

Q = 0,24 P I2 t

Finalmente, la tercera da el valor del calor producido a partir de los valores de la tensión, la resistencia del circuito y el tiempo de conexión

Q = 0,24 (V2/R) t

8) ¿Qué cantidad de calor producirá en medio minuto un calentador de inmersión de 40 Ω de resistencia conectado a una red de 120 V de tensión ?

La cantidad de calor producido será

Calor útil y calor perdido

El calor producido por efecto Joule, unas veces es útil y otras es indeseable, incluso perjudicial .

El calor producido es útil cuando deliberadamente se busca, al utilizar la energía eléctrica, la obtención del calor, que es aprovechado para diversas operaciones industriales o domésticas . Ejemplos de calor útil los tenemos en las estufas, planchas, cocinas, calentadores de agua y de aire, etc .

En otras ocasiones, el calor producido por efecto Joule es totalmente indeseable. Tal como sucede con el calor desarrollado en las líneas de conducción, en los cables de alimentación y en los conductores de los bobinados de las máquinas eléctricas. Este calor no deseado recibe el nombre de calor perdido.

El calor perdido es siempre perjudicial en más o menos grado. En casos extremos origina importantes averías debido a que el calentamiento excesivo de los conductores determina la carbonización de las materias que forman los aislamientos de aquellos . Por tal motivo, es de gran importancia reducir al mínimo posible el calor desarrollado por efecto Joule, con objeto de que el calentamiento de conductores y aislamientos no sobrepase los límites admitidos por las Normas de Ensayos vigentes .

Sobrecargas y cortocircuitos

En todo circuito pueden presentarse calentamientos excesivos a causa de ser anormal el valor de la intensidad de la corriente que la recorre. Los calentamientos excesivos pueden provocar incluso un efecto de ignición de los materiales combustibles próximos .

Las dos causas que dan lugar a un aumento de la intensidad de la corriente son las sobrecargas y los cortocircuitos. Se entiende por sobrecarga el aumento de la intensidad de la corriente que recorre un circuito eléctrico sobre el valor normal correspondiente. Así, una línea de alimentación de un motor, calculada para una intensidad de corriente de 10 amperios, se encontrará sobrecargada cuando el valor de la corriente que la recorra sea superior a los 10 amperios de intensidad .

Se presenta un cortocircuito cuando, por avería o error, quedan directamente unidos dos puntos entre los cuales existe una tensión eléctrica . En la práctica, también se considera como cortocircuito cuando la unión de esos dos puntos se establece a través de un conductor de resistencia muy pequeña. En el caso de existir un cortocircuito, teóricamente la intensidad de la corriente debería ser de valor infinito . Sin embargo, llega un instante en que la corriente es tan elevada que el calor producido por efecto Joule pone incandescentes los puntos débiles del circuito, terminando por fundirlos, con lo que queda interrumpida la circulación de corriente .

Todas las instalaciones eléctricas deben ser protegidas contra las corrientes de excesiva intensidad. Para conseguir la protección adecuada se emplean los fusibles o cortacircuitos y los interruptores automáticos.

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