Joule
Odvozená jednotka SI · veličina: energie, práce, množství tepla
01 · Definice
Práce síly jednoho newtonu na dráze jednoho metru. Zhruba tolik padne na to, aby člověk zvedl jablko ze stolu do výše ramene.
Jediná definice obsluhuje tři veličiny naráz: práci, energii a množství tepla. Nevzniklo to z nedbalosti, nýbrž z podstaty věci — všechny tři přecházejí jedna v druhou bez ztráty a beze zbytku. Do poloviny devatenáctého století se teplo pokládalo za zvláštní látku a měřilo se v kaloriích, práce v kilogrammetrech, a vztah mezi oběma stupnicemi bylo nutno zjistit pokusem. Joule ukázal, že tento vztah je stálý, a po něm se oddělené jednotky staly zbytečnými: zbyl jeden joule pro všechny formy energie, od zdviženého závaží po ohřátou vodu a nabitý kondenzátor.
Práce vzniká, když síla působí podél posunutí; moment, když síla působí napříč ramene a nic neposouvá. Rozměr je v obou případech kilogram krát metr čtvereční za sekundu na druhou, ale jednotky zaměňovat nelze: utahovací moment šroubu se píše v newtonmetrech a práce v joulech, a norma tento rozdíl udržuje. Klíč, který utáhl šroub momentem čtyřiceti newtonmetrů, práci téměř nevykonal — šroub se otočil o čtvrt otáčky.
02 · Převod
Jouly, kalorie, kilowatthodiny
Součinitele jsou z definice přesné, ale u kalorie je třeba opatrnosti: je jich několik a liší se na třetím místě. V tabulce je použita mezinárodní — čtyři celé jedna osm šest osm.
Potravinová kalorie je ve skutečnosti kilokalorie, tisíc malých kalorií, a v evropském značení stojí vedle ní vždy hodnota v kilojoulech. Patnáct set kilokalorií denní dávky je šest celých tři desetiny megajoulu. Mezinárodní kalorie je určena přesně jako čtyři celé jedna osm šest osm joulu, termochemická jako čtyři celé jedna osm čtyři, a ve výpočtech se ty dvě občas pletou.
| Jednotka | Název | Hodnota | Kde se vyskytuje |
|---|---|---|---|
| J | joule, jednotka SI | 1 | fyzika a technika |
| kJ | kilojoule | 0,001 | značení potravin |
| MJ | megajoule | 1·10⁻⁶ | tepelná technika |
| GJ | gigajoule | 1·10⁻⁹ | účty za vytápění |
| W·h | watthodina | 2,778·10⁻⁴ | akumulátory |
| kW·h | kilowatthodina | 2,778·10⁻⁷ | elektroměr |
| cal | kalorie mezinárodní | 0,2388 | tepelná technika, starší výpočty |
| kcal | kilokalorie, potravinová kalorie | 2,388·10⁻⁴ | etikety potravin |
| Gcal | gigakalorie | 2,388·10⁻¹⁰ | účty za teplo v Rusku |
| erg | erg, soustava CGS | 1·10⁷ | fyzika před přechodem na SI |
| BTU | britská tepelná jednotka | 9,478·10⁻⁴ | anglofonní tepelná technika |
| kp·m | kilopondmetr | 0,102 | starší mechanické výpočty |
Joule, wattsekunda a newtonmetr jsou totéž. Kilowatthodina se hodí lépe k účtu za elektřinu, protože výkon domácích spotřebičů se měří ve wattech a čas v hodinách
03 · Řády veličin
od elektronvoltu po zemětřeseníJeden joule — jablko zvednuté o metr
04 · Měřicí přístroje
Čím se měří energie
Každou energii je nejsnazší proměnit v teplo a změřit podle ohřevu známé hmotnosti vody. Přesně tak pracoval první Joulův pokus a přesně tak se dnes ověřují ohřívače a paliva — mění se jen teploměry a izolace.
Násobí proud a napětí a výsledek sčítá v čase. Indukční kotouč počítal otáčky, elektronický přístroj počítá vzorky, ale veličina je táž — jouly, jen ukázané v kilowatthodinách, jichž se do každé vejde tři a půl milionu.
Začerněná destička pohlcuje záření a ohřívá se o tisíciny stupně; teploměr v ní pak dává energii. Tak se měří výkon laseru, sluneční tok na meteorologické stanici i nejslabší reliktní záření v kryogenních aparaturách.
Střela uvázne v zavěšeném závaží a z výšky, do níž se závaží zvedne, se vypočte její kinetická energie. Metoda je starší než sama jednotka a dodnes slouží jako srovnávací zkouška v balistických laboratořích.
05 · Pravidla zápisu
Velké J bez tečky
Značka je odvozena od příjmení, a proto je velká, kdežto název v textu se píše malým písmenem: joule, ale J. Ruská značka je Дж, ze tří písmen, a tečka za ní se nepíše. Předpony se připojují dohromady: kJ, MJ, GJ.
Moment síly v joulech je rozšířená a škodlivá chyba: veličiny jsou různé, ačkoli rozměr souhlasí. Kalorie a kilowatthodina se v jednotlivých oborech zachovávají rozhodnutím Mezinárodního úřadu pro míry a váhy, ale ve vědeckém zápisu se dává přednost joulu. Značení potravin v Evropské unii musí uvádět nejprve kilojouly a kilokalorie vedle nich, v závorce nebo na druhém řádku.
06 · Sousední jednotky
Joule stojí uprostřed řetězu: newton vynásobený dráhou jej dává, a on sám, vztažený k času, dává watt.
V sousedních listech Simetria: newton a watt po obou stranách řetězu, kalorie a kilowatthodina jako jednotky mimo SI téže veličiny, elektronvolt pro fyziku částic a erg ze soustavy CGS.
07 · Historický oddíl
Jak teplo přestalo být látkou
Vládla teorie beztížné látky, přetékající od teplého ke studenému. Vysvětlovala docela dobře ohřev i chladnutí, ale neuměla odpovědět, odkud se bere teplo při tření — a toho se uvolňovalo, kolik jen kdo chtěl.
Benjamin Thompson přihlížel v Mnichově vyvrtávání dělových hlavní a povšiml si: teplo se uvolňuje, dokud se vrták točí, bez jakékoli meze. Látka by došla; práce nikoli.
Sládek ze Salfordu zavěsil závaží na lopatkové míchadlo v nádobě s vodou a měřil ohřev s přesností na setiny stupně. Práce klesajícího závaží dávala přesně určené množství tepla — převodní součinitel mezi dvěma světy.
Název navrhl Siemens na sjezdu Britské asociace roku 1882 a Mezinárodní kongres elektrotechniků jej potvrdil roku 1889, ještě za vědcova života. Generální konference pro míry a váhy učinila z joulu jednotku energie, práce i tepla naráz a kalorie zůstala v kuchyni a ve starých učebnicích.
Jednotka, v níž se sešly tři stupnice
Joulův pokus byl méně objevem než měřením: získal převodní součinitel mezi prací a teplem a dovedl jej na třetí místo na přístrojích, kde ohřev činil zlomky stupně. Přesnost přinesla izolace a trpělivost — řadu opakoval léta. Po uznání zákona zachování energie byla kalorie určena už ne přes vodu, nýbrž přes joule, a její dnešní hodnota — čtyři celé jedna osm šest osm — je stanovena, nikoli změřena. Od dvou tisíc devatenácti je joule navíc veličinou přesnou svou stavbou: Planckova konstanta je stanovena číslem vyjádřeným v joulesekundách a jejím prostřednictvím je určen kilogram. Jednotka energie přestala záviset na jakékoli látce, včetně vody, jejímž ohřevem kdysi všechno začalo.
Katalog · měřicí jednotky
List pro každou veličinu
Sedm základních jednotek SI, dvaadvacet odvozených s vlastními názvy a jednotky mimo soustavu, bez nichž se neobejde technika ani běžný život. Každá má svůj list: definice, převod, přístroje, pravidla zápisu. V 16 jazycích.
Odvozené jednotky SI s vlastním názvem
otevřen list jouluZákladní jednotky SI
terakotou — kilogram, metr a sekunda, z nichž je joule složenJednotky mimo SI
terakotou — jednotky energie jiných soustavJazyk listu
16 jazyků. Značka J je mezinárodní, ale zvyklosti se liší: evropská etiketa uvádí nejprve kilojouly, americká jen kalorie.