ژول
یکای فرعی SI · کمیت: انرژی، کار، مقدار گرما
01 · تعریف
کار نیرویی به اندازهٔ یک نیوتون در مسیری به طول یک متر. تقریباً همینقدر صرف میشود تا سیبی را از روی میز تا ارتفاع شانه بالا ببرند.
یک تعریف به سه کمیت یکجا خدمت میکند: کار، انرژی و مقدار گرما. این از سهلانگاری نبود بلکه از خودِ ماهیت کار برخاست — هر سه بی هیچ اتلاف و بی هیچ باقیمانده به یکدیگر تبدیل میشوند. تا میانهٔ سدهٔ نوزدهم گرما را مادهٔ ویژهای میشمردند و با کالری میسنجیدند، کار را با کیلوگرممتر، و پیوند میان دو مقیاس را باید با آزمایش به دست میآوردند. ژول نشان داد که این پیوند ثابت است، و پس از او یکاهای جداگانه بیفایده شدند: یک ژول ماند برای همهٔ صورتهای انرژی، از وزنهٔ بالابرده تا آب گرمشده و خازن باردار.
کار وقتی پدید میآید که نیرو در امتداد جابهجایی اثر کند؛ گشتاور وقتی که نیرو عمود بر بازو وارد شود و چیزی را جابهجا نکند. بُعد در هر دو حالت کیلوگرم ضرب در متر مربع بر ثانیهٔ توان دو است، اما یکاها را نمیتوان جابهجا کرد: گشتاور بستن پیچ را با نیوتونمتر مینویسند و کار را با ژول، و استاندارد این تفاوت را نگه میدارد. آچاری که پیچی را با گشتاور چهل نیوتونمتر سفت کرده، تقریباً هیچ کاری انجام نداده — پیچ یکچهارم دور چرخیده است.
02 · تبدیل
ژول، کالری، کیلوواتساعت
ضریبها بنا بر تعریف دقیقاند، اما با کالری باید محتاط بود: چند نوع دارد و در رقم سوم فرق میکنند. در جدول از بینالمللی استفاده شده — چهار ممیز یک هشت شش هشت.
کالری خوراکی در حقیقت کیلوکالری است، هزار کالری کوچک، و در برچسب اروپایی همیشه مقدار به کیلوژول در کنارش میآید. هزار و پانصد کیلوکالری خوراک روزانه شش ممیز سه مگاژول است. کالری بینالمللی دقیقاً چهار ممیز یک هشت شش هشت ژول تعریف شده و ترموشیمیایی چهار ممیز یک هشت چهار، و در محاسبات گاه این دو را اشتباه میگیرند.
| یکا | نام | مقدار | کجا دیده میشود |
|---|---|---|---|
| J | ژول، یکای SI | 1 | فیزیک و فنّاوری |
| kJ | کیلوژول | 0,001 | برچسب مواد غذایی |
| MJ | مگاژول | 1·10⁻⁶ | مهندسی حرارت |
| GJ | گیگاژول | 1·10⁻⁹ | قبضهای گرمایش |
| W·h | واتساعت | 2,778·10⁻⁴ | باتریها |
| kW·h | کیلوواتساعت | 2,778·10⁻⁷ | کنتور برق |
| cal | کالری بینالمللی | 0,2388 | مهندسی حرارت، محاسبات قدیمی |
| kcal | کیلوکالری، کالری خوراکی | 2,388·10⁻⁴ | برچسب فرآوردهها |
| Gcal | گیگاکالری | 2,388·10⁻¹⁰ | قبضهای گرما در روسیه |
| erg | ارگ، دستگاه CGS | 1·10⁷ | فیزیک پیش از SI |
| BTU | یکای گرمایی بریتانیایی | 9,478·10⁻⁴ | مهندسی حرارت انگلیسیزبان |
| kgf·m | کیلوگرمنیرومتر | 0,102 | محاسبات مکانیکی قدیمی |
ژول و واتثانیه و نیوتونمتر یک چیزند. کیلوواتساعت برای قبض برق مناسبتر است، چون توان لوازم خانگی با وات و زمان با ساعت سنجیده میشود
03 · مرتبههای بزرگی
از الکترونولت تا زمینلرزهیک ژول — سیبی که یک متر بالا رفته
04 · ابزارهای اندازهگیری
انرژی را با چه میسنجند
سادهترین کار آن است که هر انرژی را به گرما بدل کنند و از گرم شدن جرم معلومی از آب اندازه بگیرند. نخستین آزمایش ژول دقیقاً چنین کار میکرد، و امروز هم بخاریها و سوختها به همین شیوه سنجیده میشوند — تنها دماسنجها و عایق عوض شدهاند.
جریان را در ولتاژ ضرب میکند و حاصل را در طول زمان جمع میزند. صفحهٔ القایی دور میشمرد، دستگاه الکترونیکی نمونه میشمارد، اما کمیت یکی است — ژول، فقط به کیلوواتساعت نشان داده شده که در هر یک سه و نیم میلیون از آن جای میگیرد.
صفحهای سیاهشده تابش را میگیرد و هزارمهای درجه گرم میشود؛ دماسنج درون آن انرژی را میدهد. توان لیزر، شار خورشید در ایستگاه هواشناسی و ضعیفترین تابش زمینه در دستگاههای سرمازا اینگونه سنجیده میشوند.
گلوله در وزنهای آویخته فرو میرود، و از ارتفاعی که وزنه بالا میآید انرژی جنبشی آن را حساب میکنند. این روش از خودِ یکا کهنتر است و هنوز در آزمایشگاههای بالستیک آزمون مرجع به شمار میآید.
05 · قواعد نگارش
J بزرگ بدون نقطه
نماد از نام خانوادگی گرفته شده و از این رو بزرگ است، حال آنکه نام در متن با حرف کوچک میآید: ژول، اما J. نماد روسی Дж است، از سه حرف، و پس از آن نقطه نمیگذارند. پیشوندها چسبیده نوشته میشوند: kJ و MJ و GJ.
نوشتن گشتاور با ژول خطایی رایج و زیانبار است: کمیتها متفاوتاند هرچند بُعد یکسان باشد. کالری و کیلوواتساعت به تصمیم دفتر بینالمللی اوزان و مقادیر در برخی رشتهها باقی ماندهاند، اما در نگارش علمی ژول برتری دارد. برچسب مواد غذایی در اتحادیهٔ اروپا موظف است نخست کیلوژول را بیاورد و کیلوکالری را کنارش، در پرانتز یا در سطر دوم.
06 · یکاهای همسایه
ژول در میانهٔ زنجیری ایستاده است: نیوتون ضرب در مسیر آن را میدهد، و خودش نسبت به زمان، وات را.
در شناسنامههای همسایهٔ Simetrium: نیوتن و وات در دو سوی زنجیر، کالری و کیلوواتساعت بهعنوان یکاهای بیرون از SI برای همان کمیت، الکترونولت برای فیزیک ذرات، و erg از دستگاه CGS.
07 · بخش تاریخی
چگونه گرما از مادّه بودن بازایستاد
نظریهٔ مادهٔ بیوزنی حاکم بود که از گرم به سرد روان میشود. گرم شدن و سرد شدن را بد توضیح نمیداد، اما نمیتوانست بگوید گرمای اصطکاک از کجا میآید — و از آن هر قدر بخواهی آزاد میشد.
بنجامین تامپسون در مونیخ سوراخکردن لولهٔ توپها را تماشا میکرد و دریافت: تا وقتی مته میچرخد، گرما آزاد میشود، بی هیچ مرزی. ماده تمام میشد؛ کار نه.
آبجوسازی از سالفورد وزنههایی را به همزنِ پرهدار در مخزنی از آب آویخت و گرم شدن را با دقت صدمهای درجه سنجید. کار وزنهٔ فرودآینده مقدار گرمای کاملاً معیّنی میداد — ضریب تبدیل میان دو جهان.
نام را زیمنس در گردهمایی انجمن بریتانیا در سال 1882 پیشنهاد کرد و کنگرهٔ بینالمللی برقکاران در 1889، هنوز در زمان زندگی دانشمند، آن را تثبیت کرد. کنفرانس عمومی اوزان و مقادیر ژول را یکجا یکای انرژی و کار و گرما کرد، و کالری در آشپزخانه و کتابهای درسی کهنه ماند.
یکایی که سه مقیاس در آن به هم رسیدند
آزمایش ژول کمتر کشف بود و بیشتر اندازهگیری: ضریب تبدیل میان کار و گرما را به دست آورد و آن را با دستگاههایی که گرم شدن در آنها کسری از درجه بود تا رقم سوم پیش برد. دقت از عایقبندی و شکیبایی آمد — این مجموعه را سالها تکرار کردند. پس از پذیرفتن قانون پایستگی انرژی، کالری را دیگر نه از راه آب بلکه از راه ژول تعریف کردند، و مقدار امروزیاش — چهار ممیز یک هشت شش هشت — تعیینشده است نه اندازهگیریشده. از سال دو هزار و نوزده ژول افزون بر این کمیتی دقیق بر پایهٔ ساختار شد: ثابت پلانک بهصورت عددی بر حسب ژولثانیه ثابت شده و کیلوگرم از راه آن تعریف میشود. یکای انرژی دیگر به هیچ مادهای وابسته نیست، حتی به آبی که گرم کردنش روزی سرآغاز همه چیز بود.
فهرست · یکاهای اندازهگیری
شناسنامهای برای هر کمیت
هفت یکای اصلی SI، بیستودو یکای فرعی با نامهای ویژه و یکاهای بیرون دستگاه که نه فناوری از آنها بینیاز است و نه زندگی روزمره. هر یکا برگ خود را دارد: تعریف، تبدیل، ابزارها، قواعد نگارش. به 32 زبان.
یکاهای فرعی SI با نام ویژه
شناسنامهٔ ژول باز استیکاهای اصلی SI
به رنگ سفالی — کیلوگرم و متر و ثانیه، که ژول از آنها ساخته شدهیکاهای بیرون از SI
به رنگ سفالی — یکاهای انرژی دستگاههای دیگرزبان شناسنامه
32 زبان. نماد J بینالمللی است، اما عادت فرق میکند: برچسب اروپایی نخست کیلوژول را میآورد، آمریکایی تنها کالری میدهد.