¿Qué es el Efecto Joule? Aplicaciones para calefacción

Explicación del Efecto Joule

James Prescott Joule descubrió en 1841 que cuando una corriente eléctrica fluye por un sólido o líquido con una cierta conductividad, la energía eléctrica se convierte en calor a través de las pérdidas resistivas de forma irreversible. Los electrones que colisionan, tal y como se ha explicado, con los átomos del material conductor, causando que el calentamiento de éste. Pero ¿de qué factores depende este fenómeno?

La Resistencia (R): Es la oposición que ejerce un material al paso de los electrones. Cuanto mayor sea, más colisiones ocurrirán y el material se calentará más. Se expresa en ohmios.

La Intensidad (I): La cantidad de electrones que recorren el circuito por unidad de tiempo. Se expresa en amperios.

Energía disipada (E): La energía que se disipa en un conductor al circular por él energía eléctrica. Se expresa en Joules o Julios.

Tiempo (t): El tiempo durante el que fluye la corriente.

Por lo tanto, la fórmula que relaciona estos conceptos a través de Efecto Joule es la siguiente:

E = R·I²·t

Debemos recordar que esta fórmula puede expresarse de distintas maneras teniendo en cuenta la correlación de los parámetros. En algunos casos también aparece expresada en función de la Potencia (P), siendo ésta el Voltaje (V) por la Intensidad, y siendo el Voltaje, la Intensidad por la Resistencia. Es decir:

E = P·t = V·I·t = (R·I)·I·t= R·I²·t

El efecto Joule en calefacción

El Efecto Joule tiene diversas aplicaciones en calefacción, conocidos todos ellos como sistemas de calefacción eléctricos. A pesar de que todos los sistemas funcionan mediante el mismo principio, hay notables diferencias con respecto a la forma en la que se difunde el calor. De hecho, los sistemas existentes de calefacción se pueden dividir en sistemas de convección y sistemas de radiación.

Sistemas de Convección

La convección se basa en el calentamiento del aire de una estancia. Este aire cambiará de densidad, ascendiendo y haciendo a su vez descender el aire más frío, que se calentará a su vez al descender. De esta forma se crea un ciclo que acaba conllevando una climatización de la estancia. A su vez, también existen distinciones con respecto a los sistemas que utilizan la convección:

• Convección natural: Es una fuente de calor a través de una resistencia, en forma de panel o de cable retorcido. Es un sistema lento que crea corrientes ascendientes de aire para la convección. También es importante mencionar que las corrientes de aire que se generan hacen que el polvo de la estancia se queme en la resistencia, dejando en ocasiones una mancha negruzca en la pared.
• Convección con inercia: Son radiadores eléctricos en los que la resistencia interna está sumergida en un fluido (como aceite). Al calentarse el aceite calienta el radiador, y este calienta la estancia. Tarda en arrancar, pero calienta bien las estancias.
• Convección forzada: Son los calefactores o termoventiladores. Estos sistemas hacen pasar aire a través de las resistencias expulsando aire caliente. Estos sistemas son más rápidos calentando las estancias, pero también tienen un consumo elevado.

Sistemas de radiación

Estos sistemas de emisión de calor calientan mediante radiación electromagnética los objetos que se encuentran cerca de las fuentes de emisión. La ventaja de estos sistemas es que no consumen una gran cantidad de energía, pero si no nos colocamos en la trayectoria del calor irradiado es posible que nuestra sensación térmica sea de frío, ya que no calientan la estancia igual de bien que los sistemas eficientes de convección.

A este tipo de estufas que se iluminan con una luz rojiza se la llama también calefacción infrarroja de onda corta. Existe también una calefacción infrarroja de onda larga, que difunfunde el calor de una forma menos directa.

Esta radicación no genera ningún tipo de problema en la salud, a excepción de las quemaduras o el envejecimiento de la piel si nos acercamos demasiado a los focos intensos de calor.

Efecto Joule y eficiencia

La calefacción eléctrica mediante efecto Joule no suele ser muy recomendable como sistema de calefacción principal en primeras viviendas. Si bien es cierto que el rendimiento de estos equipos a base de resistencias suele ser que por 1 kWh de energía eléctrica consumida se consigue emitir un 1 kWh de energía térmica, la obtención de ese kWh de energía eléctrica ha supuesto unas importantes cantidades de emisiones en el mix energético español actual. En el momento en el que toda la energía eléctrica sea limpia, será un sistema sostenible, aunque no eficiente.

¿Por qué se dice que, si con un rendimiento cercano al 100%, no es un sistema eficiente? Porque hoy en día existen sistemas eléctricos que son 1 kWh de energía eléctrica consumida se consiguen un mínimo de 4 kWh de energía térmica mediante sistemas a base de bomba de calor. Y además estos sistemas están en continuo desarrollo, mejorando esas eficiencias día a día. Por ello, la calefacción eléctrica mediante efecto Joule puede ser una solución válida para ciertos casos concretos, pero para una calefacción central convencional se debe estudiar cuál es el sistema más apropiado.