PRÁCTICA Nº 11

FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA INGENIERÍA
Escuela de Ingenieros Técnicos de Minas
Torrelavega
PRÁCTICA Nº 11
Energía eléctrica. Ley de Joule
Objetivo.- Estudiar el efecto calorífico de una corriente eléctrica y la
determinación del equivalente mecánico de calor.
Descripción.- Una corriente eléctrica que circula por un conductor, produce
calor como consecuencia de la resistencia que opone el conductor a su paso.
Recordemos, que la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito, representa el
trabajo realizado por unidad de carga, para transportarla de un punto a otro de distinto
potencial. Así entonces, la energía se ha transformado en calor.
Expresemos esta transformación mediante la siguiente ecuación matemática:
VA  VB  V 
W
q
que representa la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito, para que circule
una corriente.
Si de esta ecuación despejamos el valor del trabajo W tendremos:
W  V.q
pero sabemos que:
V  R.I (Ley de Ohm)
y que:
q  I.t
luego sustituyendo en la ecuación del trabajo, tendremos la energía eléctrica
transformada en calor en un tiempo t y expresada en Julios:
W  R.I 2 .t
y también podremos expresarlo de la forma siguiente:
W  V.I.t
(1)
Como hemos indicado anteriormente el trabajo producido por una corriente a
través de un conductor, se transforma en calor, y este será tanto mayor, cuanto mayor
sea la energía gastada y cuanto más pura sea la resistencia. Existe por tanto una relación
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de proporcionalidad directa, entre la energía consumida expresada en julios como
energía mecánica y el calor producido, que representa una constante denominada
Equivalente mecánico del calor.
Su expresión matemática es la siguiente:
J
W
q
(2)
Por calorimetría, sabemos que la ecuación que nos deduce la cantidad de calor en
un calorímetro, viene dado por la relación siguiente:
q  (m  k).(t1  t 0 )
siendo k el equivalente en agua del calorímetro. En éste caso, el calor específico del
agua es igual a 1.
Sustituyendo en la ecuación (2) el valor de la ecuación (1), de W y de q,
obtendremos el valor de J.
J
V.I.t
R.I 2 .t
Julios

 4,19
(m  k).(t1  t 0 )
q
Calorias
es decir, 4,19 julios/calorías, que representa la relación de conversión de calor en energía
mecánica, obtenida experimentalmente por Joule agitando una masa de agua y midiendo
el calor desarrollado, en función del trabajo mecánico realizado.
Este y otros experimentos, han dado siempre el mismo valor de J en relación
entre el calor y el trabajo, en cualquier forma que se realice la transformación. Se deduce
por tanto que:
1
1 julio 
 0,24 calorias
4,19
Se puede enunciar la ley de Joule, de la forma siguiente: “El calor desprendido
en un conductor eléctrico al paso de una corriente, es proporcional al cuadrado de
la intensidad de la corriente, a la resistencia del conductor y al tiempo”.
Hay que considerar que es independiente del sentido de la corriente, por lo que el
valor de equivalencia es el mismo para una corriente alterna que continua, y como
consecuencia, es un proceso irreversible.
En los casos en los que esta transformación no se aplique como proceso térmico,
representará siempre una pérdida de energía, como por ejemplo en las líneas de
transporte eléctrico, motivo por el cual el cable debe tener la menor resistencia posible.
Material.- Calorímetro, voltímetro, amperímetro, fuente continua y cronómetro.
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Método operativo.( 1 ) Se toma el calorímetro vacío y bien seco, y se determina su equivalente en
agua, siguiendo los mismos pasos que la práctica del calorímetro.
( 2 ) Se vierte dentro del calorímetro una cantidad de agua m, que ocupe
aproximadamente las ¾ partes de su volumen y se toma su temperatura inicial t0.
( 3 ) Se monta el circuito eléctrico indicado en el esquema (Fig. 29) instalando en
él un amperímetro de corriente continua de unos 8 amperios y un voltímetro de unos 20
voltios, alimentando el circuito por medio de un generador de corriente continua
apropiado. Deberá emplearse para todas las conexiones del circuito, un conductor
grueso.
A
V
Figura 29
( 4 ) Una vez todo dispuesto así, conéctese la resistencia pura al circuito y
comiéncese a pasar corriente, anotando en un cuadro los valores obtenidos de la
intensidad y tensión cada 30 segundos, y la temperatura del agua, y a partir de estos
datos se podrá calcular el valor de J.
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Cálculos prácticos.-
( 1 ) Cálculo del equivalente en agua del calorímetro.
Datos correspondientes al agua sin calentar
masa del vaso vacío
(g) mv =
masa del vaso con agua
(g) mva =
masa del agua sin calentar
(g) m1 = mva - mv =
temperatura a la que está
( ºC) t1 =
Datos correspondientes al agua caliente
masa del vaso vacío
(g)
m’v =
masa del vaso con el agua
(g)
m’va =
masa del agua calentada
(g)
m2 = m’va - m’v =
temperatura a la que está
(ºC) t2 =
Datos correspondientes al equilibrio
Temperatura de equilibrio
(ºC) t3 =
K  m2
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t2  t3
 m1
t 3  t1
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(2) Cálculo del equivalente mecánico del calor.
Masa de agua en el calorímetro, m =
Tiempo
(s)
Intensidad
(A)
Tensión
(V)
gramos
Temp. agua
Ti (ºC)
Dif. Temp. Agua Julios/caloría
(Ti-T0) (ºC)
J
0
Valor de J 
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V.I.t
(m  K)(t  t 0 )
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