الجول
وحدة SI مشتقة · المقدار: الطاقة، الشغل، كمية الحرارة
01 · التعريف
شغل قوة مقدارها نيوتن واحد على مسار طوله متر واحد. هذا تقريباً ما يُنفق لرفع تفاحة من الطاولة إلى مستوى الكتف.
تعريف واحد يخدم ثلاثة مقادير دفعة واحدة: الشغل والطاقة وكمية الحرارة. لم يحدث ذلك عن إهمال بل من صميم المسألة — الثلاثة تتحول بعضها إلى بعض بلا فقد ولا بقية. حتى منتصف القرن التاسع عشر كانت الحرارة تُعدّ مادة خاصة وتُقاس بالسعرات، والشغل بالكيلوغرام·متر، وكان لا بد من إقامة الصلة بين المقياسين بالتجربة. أثبت جول أن هذه الصلة ثابتة، وبعده صارت الوحدات المنفصلة لا لزوم لها: بقي جول واحد لكل صور الطاقة، من ثقل مرفوع إلى ماء مسخَّن ومكثِّف مشحون.
ينشأ الشغل حين تعمل القوة على امتداد الإزاحة؛ وينشأ العزم حين تُطبَّق القوة عرضاً على الذراع ولا تزيح شيئاً. البُعد في الحالتين كيلوغرام في متر مربع على ثانية مربعة، لكن لا يجوز تبديل الوحدات: عزم ربط البرغي يُكتب بالنيوتن·متر والشغل بالجول، والمعيار يثبّت هذا الفارق. المفتاح الذي ربط برغياً بعزم أربعين نيوتن·متر لم يؤدِّ شغلاً يُذكر — إذ دار البرغي ربع دورة.
02 · التحويل
جولات وسعرات وكيلوواط ساعة
المعاملات دقيقة بحكم التعريف، لكن السعرة تستدعي الحذر: منها عدة أنواع تختلف في المرتبة الثالثة. استُعملت في الجدول الدولية — أربعة فاصلة واحد ثمانية ستة ثمانية.
السعرة الغذائية هي في الحقيقة كيلوسعرة، ألف سعرة صغيرة، وفي البطاقات الأوروبية تقف إلى جانبها دائماً القيمة بالكيلوجول. وألف وخمسمئة كيلوسعرة من الحصة اليومية هي ستة فاصلة ثلاثة ميغاجول. والسعرة الدولية معرَّفة بأنها أربعة فاصلة واحد ثمانية ستة ثمانية جول بالضبط، والكيميائية الحرارية أربعة فاصلة واحد ثمانية أربعة، وفي الحسابات يُخلط بينهما أحياناً.
| الوحدة | الاسم | القيمة | أين تُصادَف |
|---|---|---|---|
| J | الجول، وحدة SI | 1 | الفيزياء والتقنية |
| kJ | كيلوجول | 0,001 | بطاقات الأغذية |
| MJ | ميغاجول | 1·10⁻⁶ | الهندسة الحرارية |
| GJ | غيغاجول | 1·10⁻⁹ | فواتير التدفئة |
| W·h | واط ساعة | 2,778·10⁻⁴ | البطاريات |
| kW·h | كيلوواط ساعة | 2,778·10⁻⁷ | عدّاد الكهرباء |
| cal | السعرة الدولية | 0,2388 | الهندسة الحرارية، حسابات قديمة |
| kcal | كيلوسعرة، السعرة الغذائية | 2,388·10⁻⁴ | ملصقات المنتجات |
| Gcal | غيغاسعرة | 2,388·10⁻¹⁰ | فواتير التدفئة في روسيا |
| erg | إرغ، نظام CGS | 1·10⁷ | الفيزياء قبل SI |
| BTU | الوحدة الحرارية البريطانية | 9,478·10⁻⁴ | الهندسة الحرارية الناطقة بالإنجليزية |
| kgf·m | كيلوغرام·قوة·متر | 0,102 | حسابات ميكانيكية قديمة |
الجول والواط·ثانية والنيوتن·متر شيء واحد. وكيلوواط ساعة أنسب لفاتورة الكهرباء، لأن قدرة الأجهزة المنزلية تُقاس بالواط والزمن بالساعات
03 · رتب المقادير
من الإلكترون فولت إلى الزلزالجول واحد — تفاحة مرفوعة متراً
04 · أجهزة القياس
بم تُقاس الطاقة
أيسر ما يكون تحويل أي طاقة إلى حرارة وقياسها بتسخين كتلة معلومة من الماء. هكذا بالضبط عملت تجربة جول الأولى، وهكذا تُعاير المسخّنات والوقود اليوم — لا يتغير سوى الموازين الحرارية والعزل.
يضرب التيار في الجهد ويجمع الحاصل عبر الزمن. كان القرص الحثي يعدّ الدورات، والجهاز الإلكتروني يعدّ العيّنات، لكن المقدار واحد — جولات، معروضة بكيلوواط ساعة فحسب، يسع كلٌّ منها ثلاثة ملايين ونصف منها.
صفيحة مسوَّدة تمتص الإشعاع وتسخن بأجزاء من الألف من الدرجة؛ والمقياس الحراري فيها هو الذي يعطي الطاقة. هكذا تُقاس قدرة الليزر، وتدفق الشمس في محطة الأرصاد، وأضعف إشعاع الخلفية في أجهزة التبريد العميق.
تنغرس الرصاصة في ثقل معلّق، ومن الارتفاع الذي يصعده الثقل تُحسب طاقتها الحركية. الطريقة أقدم من الوحدة نفسها ولا تزال تُستعمل فحصاً مرجعياً في مختبرات الباليستيات.
05 · قواعد الكتابة
J كبيرة بلا نقطة
الرمز مشتق من اسم عائلة، ولذلك يُكتب بحرف كبير، بينما يُكتب الاسم في النص بحرف صغير: جول، لكن J. والرمز الروسي Дж من ثلاثة أحرف، ولا تُوضع نقطة بعده. وتُلحق البادئات ملتصقة: kJ وMJ وGJ.
ذكر العزم بالجول خطأ شائع وضار: المقادير مختلفة وإن تطابق البُعد. تبقى السعرة وكيلوواط ساعة في مجالات بعينها بقرار من المكتب الدولي للموازين والمقاييس، غير أن الكتابة العلمية تفضّل الجول. وبطاقات الأغذية في الاتحاد الأوروبي ملزَمة بذكر الكيلوجولات أولاً والكيلوسعرات إلى جانبها، بين قوسين أو في سطر ثانٍ.
06 · الوحدات المجاورة
يقف الجول في وسط سلسلة: النيوتن مضروباً في المسار يعطيه، وهو نفسه منسوباً إلى الزمن يعطي الواط.
في بطاقات Simetrium المجاورة: نيوتن و واط على جانبي السلسلة، سعر حراري و كيلوواط ساعة بوصفها وحدات خارج SI للمقدار نفسه، إلكترون فولت لفيزياء الجسيمات، و erg من نظام CGS.
07 · القسم التاريخي
كيف كفّت الحرارة عن كونها مادة
سادت نظرية مادة عديمة الوزن تنساب من الحار إلى البارد. كانت تفسّر التسخين والتبريد تفسيراً لا بأس به، لكنها عجزت عن الجواب من أين تأتي حرارة الاحتكاك — وكان يتحرر منها ما شئت.
راقب بنجامين طومسون في ميونخ تجويف سبطانات المدافع فلاحظ: الحرارة تتحرر ما دام المثقاب يدور، بلا حد البتة. المادة كانت ستنفد؛ أما الشغل فلا.
علّق صانع جعة من سالفورد أثقالاً على خلّاط ذي ريش في حوض ماء، وقاس التسخين بدقة أجزاء من المئة من الدرجة. وكان شغل الثقل الهابط يعطي كمية حرارة محددة تحديداً صارماً — معامل التحويل بين عالمين.
اقترح الاسم سيمنس في اجتماع الجمعية البريطانية سنة 1882، وأقرّه المؤتمر الدولي للكهربائيين سنة 1889، والعالِم ما يزال حياً. وجعل المؤتمر العام للموازين والمقاييس الجول وحدة الطاقة والشغل والحرارة دفعة واحدة، وبقيت السعرة في المطبخ وفي الكتب المدرسية القديمة.
الوحدة التي التقت فيها ثلاثة مقاييس
لم تكن تجربة جول اكتشافاً بقدر ما كانت قياساً: حصل على معامل التحويل بين الشغل والحرارة وبلغ به المرتبة الثالثة على أجهزة كان التسخين فيها أجزاءً من الدرجة. جاءت الدقة من العزل والصبر — إذ كُرّرت السلسلة سنين. وبعد إقرار قانون حفظ الطاقة عُرِّفت السعرة لا عبر الماء بل عبر الجول، وقيمتها اليوم — أربعة فاصلة واحد ثمانية ستة ثمانية — مقرَّرة لا مقيسة. ومنذ عام ألفين وتسعة عشر صار الجول كذلك مقداراً دقيقاً بحكم البناء: ثابت بلانك مثبَّت عدداً معبَّراً عنه بالجول·ثانية، وبه يُعرَّف الكيلوغرام. لقد كفّت وحدة الطاقة عن الاعتماد على أي مادة كانت، بما فيها الماء الذي بتسخينه بدأ كل شيء يوماً.
الدليل · وحدات القياس
بطاقة لكل مقدار
سبع وحدات أساسية في النظام الدولي، واثنتان وعشرون وحدة مشتقة لها أسماء خاصة، ووحدات خارج النظام لا تستغني عنها التقنية ولا الحياة اليومية. لكل وحدة ورقتها: التعريف، التحويل، الأجهزة، قواعد الكتابة. بـ 32 لغة.
وحدات دولية مشتقة لها أسماء خاصة
بطاقة الجول مفتوحةالوحدات الأساسية في النظام الدولي
باللون الطيني — الكيلوغرام والمتر والثانية، التي يتركب منها الجولوحدات خارج SI
باللون الطيني — وحدات طاقة من أنظمة أخرىلغة البطاقة
32 لغة. الرمز J دولي، أما العادة فمختلفة: البطاقة الأوروبية تضع الكيلوجولات أولاً، والأمريكية تكتفي بالسعرات.