Joule
SI-johdannaisyksikkö · suure: energia, työ, lämpömäärä
01 · Määritelmä
Yhden newtonin voiman tekemä työ yhden metrin matkalla. Suunnilleen sen verran kuluu, kun nostaa omenan pöydältä olkapään korkeudelle.
Yksi ainoa määritelmä palvelee kolmea suuretta kerralla: työtä, energiaa ja lämpömäärää. Niin kävi ei huolimattomuudesta vaan asian luonteesta — kaikki kolme muuttuvat toisikseen ilman häviötä ja jäännöstä. Yhdeksännentoista vuosisadan puoliväliin asti lämpöä pidettiin erityisenä aineena ja mitattiin kaloreina, työtä kilogrammametreinä, ja asteikkojen välinen yhteys oli määritettävä kokeella. Joule osoitti tämän yhteyden vakioksi, ja hänen jälkeensä erilliset yksiköt kävivät tarpeettomiksi: jäljelle jäi yksi joule kaikille energian muodoille, nostetusta painosta lämmitettyyn veteen ja varattuun kondensaattoriin.
Työtä syntyy, kun voima vaikuttaa siirtymän suuntaisesti; momentti syntyy, kun voima kohdistuu poikittain varteen eikä siirrä mitään. Dimensio on molemmissa tapauksissa kilogramma kertaa neliömetri sekunnin neliötä kohti, mutta yksiköitä ei saa vaihtaa keskenään: pultin kiristysmomentti kirjoitetaan newtonmetreinä ja työ jouleina, ja standardi pitää eron voimassa. Avain, joka on kiristänyt pultin neljäänkymmeneen newtonmetriin, ei ole tehnyt juuri lainkaan työtä — pultti kääntyi neljänneskierroksen.
02 · Muunnos
Joulet, kalorit, kilowattitunnit
Kertoimet ovat määritelmän mukaan tarkkoja, mutta kalorin kanssa on oltava varovainen: niitä on useita ja ne eroavat kolmannessa numerossa. Taulukossa on käytetty kansainvälistä — neljä pilkku yksi kahdeksan kuusi kahdeksan.
Ravintokalori on todellisuudessa kilokalori, tuhat pientä kaloria, ja eurooppalaisessa merkinnässä sen vieressä on aina arvo kilojouleina. Puolitoistatuhatta kilokaloria päivän ruokaa on kuusi pilkku kolme megajoulea. Kansainvälinen kalori on määritelty tasan neljäksi pilkku yksi kahdeksan kuusi kahdeksan jouleksi ja termokemiallinen neljäksi pilkku yksi kahdeksan neljäksi, ja laskuissa nämä kaksi joskus sekoittuvat.
| Yksikkö | Nimi | Arvo | Missä esiintyy |
|---|---|---|---|
| J | joule, SI-yksikkö | 1 | fysiikka ja tekniikka |
| kJ | kilojoule | 0,001 | ravintosisältömerkinnät |
| MJ | megajoule | 1·10⁻⁶ | lämpötekniikka |
| GJ | gigajoule | 1·10⁻⁹ | lämmityslaskut |
| W·h | wattitunti | 2,778·10⁻⁴ | akut |
| kW·h | kilowattitunti | 2,778·10⁻⁷ | sähkömittari |
| cal | kansainvälinen kalori | 0,2388 | lämpötekniikka, vanhat laskelmat |
| kcal | kilokalori, ravinnon kalori | 2,388·10⁻⁴ | elintarvikkeiden etiketit |
| Gcal | gigakalori | 2,388·10⁻¹⁰ | lämpölaskut Venäjällä |
| erg | erg, CGS-järjestelmä | 1·10⁷ | fysiikka ennen SI:tä |
| BTU | brittiläinen lämpöyksikkö | 9,478·10⁻⁴ | englanninkielinen lämpötekniikka |
| kp·m | kilopondimetri | 0,102 | vanhat mekaaniset laskelmat |
Joule, wattisekunti ja newtonmetri ovat sama asia. Kilowattitunti sopii sähkölaskuun paremmin, koska kodinkoneiden teho mitataan watteina ja aika tunteina
03 · Suuruusluokat
elektronivoltista maanjäristykseenYksi joule — metrin verran nostettu omena
04 · Mittalaitteet
Millä energiaa mitataan
Mikä tahansa energia on helpointa muuttaa lämmöksi ja mitata tunnetun vesimäärän lämpenemisestä. Juuri näin toimi Joulen ensimmäinen koe, ja juuri näin tarkastetaan lämmittimet ja polttoaineet tänäänkin — vain lämpömittarit ja eristys ovat vaihtuneet.
Se kertoo virran ja jännitteen ja kerää tuloksen ajan yli. Induktiokiekko laski kierroksia, elektroninen laskee näytteitä, mutta suure on sama — jouleja, vain kilowattitunteina esitettyinä, joita kussakin on kolme ja puoli miljoonaa.
Mustattu levy imee säteilyä ja lämpenee tuhannesosia asteesta; siinä oleva lämpömittari antaa energian. Näin mitataan laserin teho, auringon vuo sääasemalla ja heikoin taustasäteily kryogeenisissä laitteistoissa.
Luoti jää riippuvaan painoon, ja siitä korkeudesta, jolle paino nousee, lasketaan sen liike-energia. Menetelmä on yksikköä itseään vanhempi ja toimii yhä vertailutarkastuksena ballistisissa laboratorioissa.
05 · Kirjoitussäännöt
Iso J ilman pistettä
Tunnus on muodostettu sukunimestä ja siksi iso, kun taas nimi tekstissä kirjoitetaan pienellä: joule, mutta J. Venäläinen tunnus on Дж, kolmesta kirjaimesta, eikä sen perään tule pistettä. Etuliitteet liitetään kiinni: kJ, MJ, GJ.
Momentin ilmoittaminen jouleina on yleinen ja haitallinen virhe: suureet ovat eri, vaikka dimensio osuu yhteen. Kalori ja kilowattitunti säilyvät yksittäisillä aloilla kansainvälisen paino- ja mittatoimiston päätöksellä, mutta tieteellisessä kirjoituksessa suositaan joulea. Euroopan unionin ravintosisältömerkinnän on ilmoitettava ensin kilojoulet ja kilokalorit vieressä, suluissa tai toisella rivillä.
06 · Naapuriyksiköt
Joule on ketjun keskellä: newton kerrottuna matkalla antaa sen, ja se itse aikaan suhteutettuna antaa watin.
Simetriumin naapurikorteissa: newton ja watti ketjun molemmin puolin, kalori ja kilowattitunti saman suureen SI:n ulkopuolisina yksikköinä, elektronivoltti hiukkasfysiikkaa varten, ja erg CGS-järjestelmästä.
07 · Historiallinen osa
Kuinka lämpö lakkasi olemasta ainetta
Vallalla oli oppi painottomasta aineesta, joka virtaa kuumasta kylmään. Se selitti lämpenemisen ja jäähtymisen jokseenkin hyvin, mutta ei osannut sanoa, mistä kitkan lämpö tulee — ja sitä vapautui niin paljon kuin haluttiin.
Benjamin Thompson seurasi Münchenissä tykinputkien avarrusta ja huomasi: lämpöä vapautuu niin kauan kuin pora pyörii, ilman mitään rajaa. Aine olisi loppunut; työ ei.
Salfordilainen panimomestari ripusti painoja lapasekoittimeen vesisäiliössä ja mittasi lämpenemisen sadasosa-asteen tarkkuudella. Laskeutuvan painon tekemä työ antoi tarkoin määrätyn lämpömäärän — muuntokertoimen kahden maailman välillä.
Nimen ehdotti Siemens Britannian tiedeseuran kokouksessa vuonna 1882, ja kansainvälinen sähköinsinöörien kongressi vahvisti sen vuonna 1889, vielä tutkijan eläessä. Yleinen paino- ja mittakonferenssi teki joulesta energian, työn ja lämmön yksikön kerralla, ja kalori jäi keittiöön ja vanhoihin oppikirjoihin.
Yksikkö, jossa kolme asteikkoa kohtasivat
Joulen koe ei ollut niinkään löytö kuin mittaus: hän sai muuntokertoimen työn ja lämmön välille ja vei sen kolmanteen numeroon laitteilla, joissa lämpeneminen oli asteen murto-osia. Tarkkuus syntyi eristyksestä ja kärsivällisyydestä — sarjaa toistettiin vuosikausia. Kun energian säilymislaki oli hyväksytty, kalori määriteltiin enää ei veden vaan joulen kautta, ja sen nykyinen arvo — neljä pilkku yksi kahdeksan kuusi kahdeksan — on määrätty, ei mitattu. Vuodesta kaksituhattayhdeksäntoista joule on lisäksi rakenteeltaan tarkka suure: Planckin vakio on kiinnitetty joulesekunteina ilmaistuna lukuna, ja sen kautta on määritelty kilogramma. Energian yksikkö on lakannut riippumasta mistään aineesta, myöskään vedestä, jonka lämmittämisestä kaikki aikanaan alkoi.
Luettelo · mittayksiköt
Kortti jokaiselle suureelle
Seitsemän SI-perusyksikköä, kaksikymmentäkaksi omalla nimellä varustettua johdannaista ja järjestelmän ulkopuoliset yksiköt, joita ilman ei tule toimeen tekniikka eikä arki. Jokaisella oma lehtensä: määritelmä, muunnos, mittalaitteet, kirjoitussäännöt. 16 kielellä.
SI-johdannaisyksiköt omalla nimellä
joulen kortti on aukiSI-perusyksiköt
terrakotalla — kilogramma, metri ja sekunti, joista joule on koottuSI:n ulkopuoliset yksiköt
terrakotalla — muiden järjestelmien energiayksikötKortin kieli
16 kieltä. Tunnus J on kansainvälinen, mutta tavat vaihtelevat: eurooppalainen etiketti panee kilojoulet ensin, amerikkalainen antaa vain kalorit.