▷ Ley de Joule

En este post te explicamos en qué consiste la ley de Joule. Así pues, encontrarás qué dice la ley de Joule, su fórmula y un ejercicio resuelto. Además, podrás ver varios ejemplos de las aplicaciones de la ley de Joule.

Índice

¿Qué es la ley de Joule?

La ley de Joule sirve para calcular la energía térmica que disipa un conductor por el que circula corriente eléctrica. En concreto, la ley de Joule dice que el calor disipado es proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente, a la resistencia del conductor y al tiempo durante el cual circula la corriente.

Seguro que en más de una ocasión has notado calentarse un dispositivo por el que circula electricidad, esto es debido a la ley de Joule. La electricidad consiste en electrones que se mueven a través de un conductor, pues los electrones chocan con el material conductor y en consecuencia se eleva la temperatura del conductor.

En definitiva, cuando en conductor circula electricidad, una parte de la energía eléctrica se disipa en forma de calor, y esta energía térmica disipada se puede determinar mediante la ley de Joule.

Como podrás imaginar, el nombre de la ley de Joule es en honor al físico británico James Prescott Joule, quien descubrió esta ley eléctrica.

Ten en cuenta que la ley de Joule tiene dos desventajas. Por un lado, normalmente toda la energía disipada por los conductores se pierde, lo que provoca que la eficiencia del sistema sea menor. Por otro lado, los circuitos eléctricos se pueden sobrecalentar debido a este efecto, así que es importante añadir un sistema de ventilación o refrigeración para bajar la temperatura.

Fórmula de la ley de Joule

La ley de Joule dice que la energía disipada por un conductor es igual al cuadrado de la intensidad de la corriente por la resistencia del conductor por el tiempo que fluye la corriente por el conductor (Q=I²·R·t).

Por lo tanto, la fórmula de la ley de Joule es la siguiente:

Donde:

$Q$ es el calor o energía térmica disipada, expresada en julios (J)
$I$ es la intensidad de corriente eléctrica que circula por el conductor, expresada en amperios (A).
$R$ es la resistencia eléctrica del conductor, expresada en ohmios (Ω).
$t$ es el tiempo durante el cual la corriente circula por el conductor, expresado en segundos (s).

➤ Puedes utilizar la calculadora online de la ley de Joule que hay más abajo.

Ejercicio resuelto de la ley de Joule

Para acabar de entender el concepto, a continuación te dejamos un ejercicio resuelto de la ley de Joule.

Una cafetera que calienta agua durante 2 minutos tiene una resistencia eléctrica de 8 Ω. Si está conectada a una tensión de 80 V y el precio de la energía es de 0,82$/kWh, calcula el coste económico que supone calentar el agua. Supón un rendimiento del 100%, es decir, que toda la energía se utiliza para calentar el agua.

En primer lugar, tenemos que determinar la intensidad de la corriente eléctrica. Para ello, simplemente tenemos que dividir la tensión por la resistencia:

$\begin{aligned}I&=\cfrac{V}{R}\\[1.5ex]I&=\cfrac{80}{8}\\[2ex]I&=10 \ A \end{aligned}$

Para poder emplear la ley de Joule primero tenemos que pasar el tiempo a segundos:

$2 \ min \cdot \cfrac{60\ s}{1\ min}=120 \ s$

Ahora aplicamos la fórmula de la ley de Joule para calcular la energía disipada:

$\begin{aligned}Q&=I^2\cdot R \cdot t \\[2ex]Q&=10^2\cdot 8 \cdot 120 \\[2ex]Q&=96000 \ J \end{aligned}$

Utilizamos el factor de conversión correspondiente para cambiar las unidades de la energía y pasarla a kilovatios por hora:

$96000 \ J \cdot \cfrac{1 \ kWh}{3,6 \cdot 10^6 \ J}=0,027 \ kWh$

Por último, solo nos queda multiplicar el valor obtenido en el paso anterior por el precio del kilovatio hora:

$0,027 \ kWh\cdot \cfrac{0,82 \ \$}{1 \ kWh}=0,02 \ \$$

Calculadora de la ley de Joule

Puedes usar la siguiente calculadora online de ley de Joule para calcular la energía calorífica que disipa un conductor. Para ello, introduce los valores necesarios y luego pulsa el botón de abajo.

Aplicaciones de la ley de Joule

A continuación te dejamos algunos ejemplos de las aplicaciones de la ley de Joule:

Lámparas incandescentes: las lámparas incandescentes aplican la ley de Joule para funcionar, ya que se iluminan cuando el filamento se calienta por la ley de Joule.
Electrodomésticos: calentadores eléctricos, planchas, tostadoras y cafeteras aplican la ley de Joule para convertir la energía eléctrica en calor y realizar diversas tareas domésticas.
Electrónica: dispositivos electrónicos, como computadoras, teléfonos y televisores, generan calor debido a la resistencia en los circuitos. La ley de Joule se aplica aquí, por eso los sistemas eléctricos a menudo incorporan métodos de disipación de calor para evitar el sobrecalentamiento.
Industria manufacturera: en procesos industriales, como la soldadura por resistencia, la ley de Joule se utiliza para generar calor intenso al pasar una corriente eléctrica a través de materiales conductores.
Sistemas de calefacción: los calefactores eléctricos y sistemas de calefacción por resistencia utilizan la ley de Joule para generar calor y calentar ambientes o fluidos.

Ley de Joule y ley de Ohm

La ley de Ohm establece que la intensidad de corriente que circula por un conductor es igual a la diferencia de voltaje entre sus extremos dividido por su resistencia eléctrica. Por lo tanto, la fórmula de la ley de Ohm es la siguiente:

$I=\cfrac{V}{R}$

Así pues, combinando la ley de Joule con la ley de Ohm podemos obtener dos fórmulas más con las que se puede calcular la energía térmica disipada por un conductor:

$\left\begin{array}{c}Q=I^2\cdot R \cdot t\\[2ex]I=\cfrac{V}{R}\end{array}\right\}\ \color{orange}\bm{\longrightarrow}\color{black} \ \begin{array}{c}Q=V\cdot I \cdot t\\[2ex]Q=\cfrac{V^2}{R}\cdot t\end{array}$

➤ Ver: Ley de Ohm