Aquecimento Joule - Joule heating

Um elemento de aquecimento em espiral de uma torradeira elétrica, mostrando incandescência vermelha a amarela

O aquecimento por Joule , também conhecido como resistivo , resistência ou aquecimento ôhmico , é o processo pelo qual a passagem de uma corrente elétrica por um condutor produz calor .

A primeira lei de Joule (também apenas a lei de Joule ), também conhecida como lei de Joule-Lenz , afirma que a potência de aquecimento gerada por um condutor elétrico é proporcional ao produto de sua resistência e ao quadrado da corrente:

O aquecimento Joule afeta todo o condutor elétrico, ao contrário do efeito Peltier, que transfere o calor de uma junção elétrica para outra.

História

James Prescott Joule publicou pela primeira vez em dezembro de 1840, um resumo nos Proceedings of the Royal Society , sugerindo que o calor poderia ser gerado por uma corrente elétrica. Joule imergiu um pedaço de fio em uma massa fixa de água e mediu o aumento de temperatura devido a uma corrente conhecida fluindo pelo fio por um período de 30 minutos . Variando a corrente e o comprimento do fio, ele deduziu que o calor produzido era proporcional ao quadrado da corrente multiplicado pela resistência elétrica do fio imerso.

Em 1841 e 1842, experimentos subsequentes mostraram que a quantidade de calor gerada era proporcional à energia química usada na pilha voltaica que gerou o modelo. Isso levou Joule a rejeitar a teoria calórica (na época a teoria dominante) em favor da teoria mecânica do calor (segundo a qual o calor é outra forma de energia ).

O aquecimento resistivo foi estudado independentemente por Heinrich Lenz em 1842.

A unidade SI de energia foi posteriormente nomeado o joule e dado o símbolo J . A unidade de potência comumente conhecida, o watt , é equivalente a um joule por segundo.

Descrição microscópica

O aquecimento de Joule é causado por interações entre os portadores de carga (geralmente elétrons ) e o corpo do condutor (geralmente íons atômicos ).

Uma diferença de tensão entre dois pontos de um condutor cria um campo elétrico que acelera os portadores de carga na direção do campo elétrico, fornecendo-lhes energia cinética . Quando as partículas carregadas colidem com íons no condutor, as partículas são espalhadas ; sua direção de movimento torna-se aleatória, em vez de alinhada com o campo elétrico, que constitui o movimento térmico . Assim, a energia do campo elétrico é convertida em energia térmica .

Perda de energia e ruído

O aquecimento por Joule é conhecido como aquecimento ôhmico ou aquecimento resistivo por causa de sua relação com a Lei de Ohm . Ele forma a base para um grande número de aplicações práticas envolvendo aquecimento elétrico . No entanto, em aplicações onde o aquecimento é um indesejável sub-produto de uso corrente (por exemplo, as perdas de carga em transformadores eléctricos ) o desvio de energia é muitas vezes referido como perda resistiva . O uso de altas tensões em sistemas de transmissão de energia elétrica é projetado especificamente para reduzir tais perdas no cabeamento operando com correntes proporcionalmente mais baixas. Os circuitos em anel , ou rede em anel, usados ​​em residências no Reino Unido são outro exemplo, onde a energia é fornecida às tomadas com correntes mais baixas (por fio, usando dois caminhos em paralelo), reduzindo assim o aquecimento Joule nos fios. O aquecimento Joule não ocorre em materiais supercondutores , pois esses materiais apresentam resistência elétrica nula no estado supercondutor.

Os resistores criam ruído elétrico, denominado ruído Johnson-Nyquist . Existe uma relação íntima entre o ruído Johnson-Nyquist e o aquecimento Joule, explicada pelo teorema da flutuação-dissipação .

Fórmulas

Corrente direta

A fórmula mais fundamental para o aquecimento Joule é a equação de potência generalizada:

Onde

  • é a potência (energia por unidade de tempo) convertida de energia elétrica em energia térmica,
  • é a corrente viajando através do resistor ou outro elemento,
  • é a queda de tensão no elemento.

A explicação desta fórmula ( ) é:

( Energia dissipada por unidade de tempo ) = ( Carga passando pelo resistor por unidade de tempo ) × ( Energia dissipada por carga que passa pelo resistor )

Assumindo que os comporta elemento como uma resistência perfeita e que a potência é completamente convertido em calor, a fórmula pode ser re-escrita substituindo a lei de Ohm , , na equação de energia generalizado:

onde R é a resistência .

Corrente alternada

Quando a corrente varia, como acontece nos circuitos AC,

onde t é o tempo e P é a potência instantânea sendo convertida de energia elétrica em calor. Com muito mais frequência, a potência média é de mais interesse do que a potência instantânea:

onde "avg" denota a média (média) em um ou mais ciclos, e "rms" denota a raiz quadrada média .

Essas fórmulas são válidas para um resistor ideal, com reatância zero . Se a reatância for diferente de zero, as fórmulas são modificadas:

onde é a diferença de fase entre a corrente e a tensão, significa parte real , Z é a impedância complexa e Y * é o conjugado complexo da admitância (igual a 1 / Z * ).

Para obter mais detalhes no caso reativo, consulte alimentação CA ∆0}

Forma diferencial

O aquecimento Joule também pode ser calculado em um determinado local no espaço. A forma diferencial da equação de aquecimento Joule fornece a potência por unidade de volume.

Aqui está a densidade da corrente e o campo elétrico. Para um material com condutividade e , portanto,

onde está a resistividade . Isso se assemelha diretamente ao " " termo da forma macroscópica.

No caso harmônico, onde todas as grandezas de campo variam com a frequência angular como , fasores de valor complexo e são geralmente introduzidos para a densidade de corrente e a intensidade do campo elétrico, respectivamente. O aquecimento Joule então lê

,

onde denota o conjugado complexo .

Transmissão de corrente alternada de alta tensão de eletricidade

As linhas de força aéreas transferem energia elétrica dos produtores de eletricidade para os consumidores. Essas linhas de transmissão têm uma resistência diferente de zero e, portanto, estão sujeitas ao aquecimento Joule, que causa perdas de transmissão.

A divisão da potência entre as perdas de transmissão (aquecimento Joule nas linhas de transmissão) e a carga (energia útil entregue ao consumidor) pode ser aproximada por um divisor de tensão . Para minimizar as perdas de transmissão, a resistência das linhas deve ser a menor possível em comparação com a carga (resistência dos aparelhos de consumo). A resistência da linha é minimizada pelo uso de condutores de cobre , mas a resistência e as especificações da fonte de alimentação dos aparelhos de consumo são fixas.

Normalmente, um transformador é colocado entre as linhas e o consumo. Quando uma corrente de alta tensão e baixa intensidade no circuito primário (antes do transformador) é convertida em uma corrente de baixa tensão e alta intensidade no circuito secundário (após o transformador), a resistência equivalente do circuito secundário torna-se mais alta e as perdas de transmissão são reduzidas proporcionalmente.

Durante a guerra das correntes , as instalações CA poderiam usar transformadores para reduzir as perdas de linha por aquecimento Joule, ao custo de uma tensão mais elevada nas linhas de transmissão, em comparação com as instalações CC .

Formulários

O aquecimento por Joule ou aquecimento resistivo é usado em vários dispositivos e processos industriais. A parte que converte eletricidade em calor é chamada de elemento de aquecimento .

Entre os muitos usos práticos estão:

  • Uma lâmpada incandescente brilha quando o filamento é aquecido pelo aquecimento Joule, devido à radiação térmica (também chamada de radiação de corpo negro ).
  • Fusíveis elétricos são usados ​​como segurança, interrompendo o circuito derretendo se houver corrente suficiente para derretê-los.
  • Os cigarros eletrônicos vaporizam o propilenoglicol e a glicerina vegetal por aquecimento Joule.
  • Vários dispositivos de aquecimento usar aquecimento por efeito Joule, tais como fogões eléctricos , aquecedores eléctricos , ferros de soldar , aquecedores de cartucho .
  • Alguns equipamentos de processamento de alimentos podem fazer uso do aquecimento Joule: a passagem de corrente pelo material alimentar (que se comporta como um resistor elétrico) causa liberação de calor no interior do alimento. A corrente elétrica alternada aliada à resistência do alimento provoca a geração de calor. Uma resistência maior aumenta o calor gerado. O aquecimento ôhmico permite o aquecimento rápido e uniforme de produtos alimentícios, o que mantém a qualidade. Produtos com partículas aquecem mais rápido (em comparação com o processamento térmico convencional) devido à maior resistência.

Processamento de comida

O aquecimento Joule é um processo asséptico de pasteurização flash (também chamado de "alta temperatura de curta duração" (HTST)) que faz passar uma corrente alternada de 50–60 Hz pelos alimentos. O calor é gerado pela resistência elétrica dos alimentos. À medida que o produto aquece, a condutividade elétrica aumenta linearmente. Uma frequência de corrente elétrica mais alta é melhor, pois reduz a oxidação e a contaminação metálica. Este método de aquecimento é melhor para alimentos que contêm partículas suspensas em um meio contendo sal fraco devido às suas propriedades de alta resistência.

Síntese e processamento de materiais

O aquecimento joule flash (aquecimento eletrotérmico transitório de alta temperatura) tem sido usado para sintetizar alótropos de carbono , incluindo grafeno e diamante. O aquecimento de várias matérias-primas de carbono sólido (negro de fumo, carvão, pó de café, etc.) a temperaturas de ~ 3000 K por 10-150 milissegundos produz flocos de grafeno turboestrático. Começando a partir de uma fonte de carbono fluorado, carvão ativado fluorado, nanodiamante fluorado , carbono concêntrico (casca de carbono em torno de um núcleo de nanodiamante) e grafeno flash fluorado podem ser sintetizados.

Eficiência de aquecimento

Como tecnologia de aquecimento, o aquecimento Joule tem um coeficiente de desempenho de 1,0, o que significa que cada joule de energia elétrica fornecida produz um joule de calor. Em contraste, uma bomba de calor pode ter um coeficiente de mais de 1,0, uma vez que move energia térmica adicional do ambiente para o item aquecido.

A definição da eficiência de um processo de aquecimento requer a definição dos limites do sistema a ser considerado. Ao aquecer um edifício, a eficiência geral é diferente quando se considera o efeito de aquecimento por unidade de energia elétrica entregue no medidor do lado do cliente, em comparação com a eficiência geral quando se considera também as perdas na usina e na transmissão de energia.

Equivalente hidráulico

No balanço de energia do fluxo de água subterrânea, um equivalente hidráulico da lei de Joule é usado:

Onde:

= perda de energia hidráulica ( ) devido ao atrito do fluxo na direção por unidade de tempo (m / dia) - comparável a
= velocidade de fluxo na direção (m / dia) - comparável a
= condutividade hidráulica do solo (m / dia) - a condutividade hidráulica é inversamente proporcional à resistência hidráulica que se compara a

Veja também

Referências