Master en formacin del profesorado Enrique Sastre Ayuso

El efecto joule, la propagacin y disipacin del calor Instalaciones

Mster Universitario en Formacin del Profesorado de Educacin Secundaria Obligatoria, Bachillerato y Formacin Profesional Instalaciones Enrique Sastre Ayuso

ndice

1. Exposicin terica. ...............................................................................................................2

2. Materiales necesarios. .........................................................................................................4

2.1. Comprobar la necesidad del ventilador en un ordenador. ...........................................4

2.2. Refrigeracin del agua en un botijo. .............................................................................4

3. Descripcin de la prctica.........................................................................................................4

Prctica 1 ..................................................................................................................................4

Prctica 2 ..................................................................................................................................5

3. Posibles riesgos y mecanismos preventivos. ........................................................................5

Prctica 1 ..................................................................................................................................5

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1. Exposicin terica. El efecto Joule y por ende la disipacin de calor

son conceptos claves en el desarrollo de las

nuevas tecnologas pues la bsqueda de

diseos ms compactos y potentes ha llevado

consigo tambin la necesidad de dar

importancia a estos aspectos que antes slo se

tenan en cuenta en grandes computadores.

El efecto Joule fue descubierto por el fsico britnico James Prescott Joule quien estudi la

relacin entre la corriente elctrica y la disipacin en forma de calor. Los electrones al circular

por el conductor, chocan con las molculas que lo forman perdiendo parte de su energa

cintica que pasar a estas molculas hacindolas vibrar, aumentando as su temperatura, pues

la temperatura es una magnitud que mide el grado de agitacin de las partculas, y por

consiguiente, desprendiendo calor.

= 0,24 2

Siendo Q el calor disipado por una corriente elctrica al atravesar un conductor o un

componente, I la intensidad de corriente, R la resistencia, y t el tiempo.

Este efecto puede resultar beneficioso o

fusibles, pero es totalmente daino en

electrnica ya que har que los

componentes adquieran temperaturas

muy elevadas, algunas cercanas a los

100C, por lo que es de suma importancia

disear dispositivos que disipen ese

calor.

La propagacin del calor es la forma en que dos cuerpos o sistemas intercambian energa

trmica y puede ser por: conduccin, conveccin o radiacin. Analizaremos la conduccin y la

conveccin que es el fundamento de la disipacin lquida mediante heatpipes

-Conduccin: se produce entre cuerpos en contacto a distinta temperatura. Su mecanismo se

basa en la transferencia directa de energa cintica a escala atmico-molecular.

-Conveccin: tambin precisa materia, pero en forma fluida (gas o lquido). El calor se propaga

por el establecimiento, dentro de la masa fluida de corrientes llamadas corrientes de

conveccin. Las corrientes de conveccin se originan por la diferencia de densidad que provocan

los cambios de temperatura.

Cambios de estado de la agregacin

Para que no aumente la temperatura de los componentes diseamos un sistema basado en la

transmisin de calor a travs del cambio de estado de agregacin del agua que se encuentra

dentro de las heatpipes.

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La caracterstica fundamental de los cambios de estado es que ocurren a temperatura constante,

porque todo el calor ganado o perdido por el cuerpo se consume en dicho cambio. En los

cambios de estado interviene una cantidad de calor caracterstica de cada sustancia llamada

tradicionalmente calor latente, L, y ms actualmente, variacin de entalpa.

=

En los porttiles, los microprocesadores y las

tarjetas grficas se calientan por el efecto

Joule y transmiten por conduccin ese calor a

los filamentos de cobre que rellenan el interior

de las heatpipes que situadas debajo de los

componentes.

Entre los filamentos de

cobre se encuentra agua

pura en estado lquido.

Esta agua absorber el

calor del cobre y lo

utilizar para cambiar a

estado gaseoso

El vapor de agua se propagar por conveccin a lo largo de las heatpipes, desde el extremo

caliente hasta el extremo fro donde estn las aletas y los ventiladores. All, las paredes

absorbern el calor del vapor de agua que ser expulsado del ordenador gracias a los

ventiladores. El vapor de agua al perder calor, cambiar de estado y se condensar, pasando a

estado lquido que volver a la parte caliente de las heatpipes, comenzando de nuevo el proceso.

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2. Materiales necesarios. Realizaremos dos sencillas prcticas, una primera para poder observar el efecto Joule y otra para

apreciar la disipacin de calor por cambio de estado.

2.1. Comprobar la necesidad del ventilador en un ordenador. -Una CPU antigua.

-Destornillador

-Termmetro.

2.2. Refrigeracin del agua en un botijo. -Botijo de cermica con agua.

-Termmetro.

3. Descripcin de la prctica.

Prctica 1

Desmontamos parte de la caja de la CPU y colocamos el termmetro en el interior

Volvemos a colocar la parte extrada y le encendemos.

Tras 10 minutos en funcionamiento sacamos el termmetro y anotamos el valor de

la temperatura.

Desmontamos el ventilador de la CPU y dejamos el termmetro en el interior de

nuevo.

Tras otros 10 minutos, sacamos el termmetro y comparamos cmo la temperatura

es mayor que tras la primera vez.

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Prctica 2

Siempre se dice la expresin Ms simple que el mecanismo de un botijo pero, sabe

todo el mundo cul es dicho mecanismo? El objetivo de esta prctica es que el alumno

se d cuenta de que procedimientos tan antiguos y de saber popular como el

enfriamiento de un botijo se utilizan en cierta medida para refrigerar algunas partes del

ordenador.

Pese a ser algo sencillo, esto se basa en el principio fsico de la absorcin de calor por

cambio de estado. El enfriamiento es a costa del calor latente de evaporizacin, que es

del orden de 600 cal/g, lo que quiere decir que para el enfriamiento de 6C

necesitaramos la evaporacin de un 1% del agua del botijo.

En un da caluroso echaremos agua a una temperatura templada en un botijo y lo

dejaremos al sol unos 10-20

Durante ese tiempo una pequea parte del agua del botijo sale por los micro-poros

del barro y se evapora, absorbiendo el calor del barro y bajando su temperatura, con

la consiguiente disminucin tambin de la temperatura del agua interior.

Es fundamental que el botijo est como mnimo a partes de su capacidad porque

cuando menos agua tenga, menos sudar y menor ser su efecto.

Pasado el tiempo, mediremos la temperatura interior del agua y comprobaremos

cmo efectivamente ha disminuido.

3. Posibles riesgos y mecanismos preventivos.

Prctica 1

No operar con los componentes del ordenador si ste se encuentra encendido.

Tener cuidado al desconectar el ventilador, para que no lo estropeemos.

Guardar las pequeas piezas, como tornillos, para montarlo nuevamente.