Joule
Származtatott SI-egység · mennyiség: energia, munka, hőmennyiség
01 · Meghatározás
Egy newton erő munkája egy méternyi úton. Nagyjából ennyi kell ahhoz, hogy az ember egy almát az asztalról vállmagasságba emeljen.
Egyetlen meghatározás három mennyiséget szolgál ki egyszerre: a munkát, az energiát és a hőmennyiséget. Nem hanyagságból lett így, hanem a dolog lényegéből — mindhárom veszteség és maradék nélkül alakul át egymásba. A tizenkilencedik század közepéig a hőt külön anyagnak tartották és kalóriában mérték, a munkát kilogrammméterben, és a két skála közti kapcsolatot kísérlettel kellett megállapítani. Joule megmutatta, hogy ez a kapcsolat állandó, és utána a különálló egységek fölöslegessé váltak: maradt egyetlen joule az energia minden alakjára, a felemelt súlytól a felmelegített vízig és a feltöltött kondenzátorig.
Munka akkor keletkezik, ha az erő az elmozdulás mentén hat; nyomaték akkor, ha az erő a karra keresztben támad és semmit sem mozdít el. A dimenzió mindkét esetben kilogramm szorozva négyzetméterrel osztva másodperc négyzetével, de az egységeket nem szabad felcserélni: a csavar meghúzási nyomatékát newtonméterben írják, a munkát joule-ban, és a szabvány ezt a különbséget rögzíti. Az a kulcs, amely negyven newtonméterrel húzott meg egy csavart, alig végzett munkát — a csavar negyed fordulatot fordult.
02 · Átszámítás
Joule, kalória, kilowattóra
Az együtthatók meghatározás szerint pontosak, de a kalóriával óvatosnak kell lenni: több is van, és a harmadik jegyben térnek el. A táblázat a nemzetközit használja — négy egész egy nyolc hat nyolc.
A táplálkozási kalória valójában kilokalória, ezer kis kalória, és az európai jelölésben mellette mindig ott áll az érték kilojoule-ban. Ezerötszáz kilokalória napi adag hat egész három tized megajoule. A nemzetközi kalória pontosan négy egész egy nyolc hat nyolc joule-ként van meghatározva, a termokémiai négy egész egy nyolc négyként, és a számításokban ezt a kettőt olykor összekeverik.
| Egység | Név | Érték | Hol fordul elő |
|---|---|---|---|
| J | joule, SI-egység | 1 | fizika és technika |
| kJ | kilojoule | 0,001 | élelmiszer-jelölés |
| MJ | megajoule | 1·10⁻⁶ | hőtechnika |
| GJ | gigajoule | 1·10⁻⁹ | fűtésszámlák |
| W·h | wattóra | 2,778·10⁻⁴ | akkumulátorok |
| kW·h | kilowattóra | 2,778·10⁻⁷ | a villanyóra |
| cal | nemzetközi kalória | 0,2388 | hőtechnika, régi számítások |
| kcal | kilokalória, a táplálkozási kalória | 2,388·10⁻⁴ | élelmiszerek címkéi |
| Gcal | gigakalória | 2,388·10⁻¹⁰ | hőszámlák Oroszországban |
| erg | erg, CGS-rendszer | 1·10⁷ | fizika az SI előtt |
| BTU | brit hőegység | 9,478·10⁻⁴ | angol nyelvű hőtechnika |
| kp·m | kilopondméter | 0,102 | régi mechanikai számítások |
A joule, a wattmásodperc és a newtonméter egy és ugyanaz. A kilowattóra jobban illik a villanyszámlához, mert a háztartási gépek teljesítményét wattban mérik, az időt pedig órában
03 · Nagyságrendek
az elektronvolttól a földrengésigEgy joule — egy méterrel felemelt alma
04 · Mérőeszközök
Mivel mérik az energiát
Bármely energiát a legegyszerűbb hővé alakítani és ismert tömegű víz melegedéséből megmérni. Pontosan így működött Joule első kísérlete, és pontosan így hitelesítik ma is a fűtőtesteket és a tüzelőanyagokat — csak a hőmérők és a szigetelés változott.
Összeszorozza az áramot és a feszültséget, az eredményt pedig időben halmozza. Az indukciós tárcsa fordulatokat számolt, az elektronikus készülék mintákat, de a mennyiség ugyanaz — joule, csak kilowattórában mutatva, amelyből mindegyikbe hárommillió-ötszázezer fér.
Egy feketített lemez elnyeli a sugárzást és a fok ezredrészeivel melegszik; a benne lévő hőmérő adja az energiát. Így mérik egy lézer teljesítményét, a napsugárzás fluxusát a meteorológiai állomáson és a leggyengébb háttérsugárzást kriogén berendezésekben.
A lövedék megakad egy felfüggesztett tömbben, és abból a magasságból, ameddig a tömb felemelkedik, kiszámítják a mozgási energiáját. A módszer öregebb magánál az egységnél, és ma is összehasonlító ellenőrzésként szolgál ballisztikai laboratóriumokban.
05 · Írásszabályok
Nagy J, pont nélkül
A jel családnévből ered, ezért nagybetűs, míg a név a szövegben kis kezdőbetűvel áll: joule, de J. Az orosz jel Дж, három betűből, és pont nem követi. Az előtagok egybeírva kapcsolódnak: kJ, MJ, GJ.
A nyomatékot joule-ban megadni elterjedt és káros hiba: a mennyiségek különbözőek, jóllehet a dimenzió egybeesik. A kalória és a kilowattóra egyes területeken a Nemzetközi Súly- és Mértékügyi Hivatal döntése nyomán megmarad, tudományos írásban azonban a joule az elsőbbség. Az Európai Unió élelmiszer-jelölésének elsőként a kilojoule-t kell feltüntetnie, a kilokalóriát pedig mellette, zárójelben vagy második sorban.
06 · Szomszédos egységek
A joule egy lánc közepén áll: a newton az úttal szorozva adja ki, ő maga pedig az időre vonatkoztatva adja a wattot.
A Simetrium szomszédos adatlapjain: newton és watt a lánc mindkét oldalán, kalória és kilowattóra ugyanazon mennyiség SI-n kívüli egységeiként, elektronvolt a részecskefizika számára, és erg a CGS-rendszerből.
07 · Történeti rész
Hogyan szűnt meg a hő anyag lenni
Uralkodott egy súlytalan anyag tana, amely a melegtől a hideg felé folyik. A melegedést és a hűlést egészen jól megmagyarázta, de nem tudott felelni arra, honnan való a súrlódás hője — abból pedig annyi szabadult fel, amennyit akartak.
Benjamin Thompson Münchenben az ágyúcsövek kifúrását nézte, és észrevette: hő szabadul fel, ameddig a fúró forog, mindenféle határ nélkül. Egy anyag elfogyott volna; a munka nem.
Egy salfordi sörfőző súlyokat akasztott egy lapátos keverőre egy víztartályban, és a melegedést a fok századrészének pontosságával mérte. A süllyedő súly munkája szigorúan meghatározott hőmennyiséget adott — az átváltási együtthatót két világ között.
A nevet Siemens javasolta a Brit Társaság 1882-es ülésén, a Nemzetközi Villamosmérnöki Kongresszus pedig 1889-ben rögzítette, még a tudós életében. Az Általános Súly- és Mértékügyi Értekezlet a joule-t egyszerre tette az energia, a munka és a hő egységévé, a kalória pedig a konyhában és a régi tankönyvekben maradt.
Az egység, amelyben három skála találkozott
Joule kísérlete kevésbé volt felfedezés, mint mérés: megszerezte a munka és a hő közötti átváltási együtthatót, és a harmadik jegyig vitte olyan eszközökön, amelyekben a melegedés a fok törtrésze volt. A pontosságot a szigetelés és a türelem adta — a sorozatot évekig ismételte. Miután az energia megmaradásának törvényét elismerték, a kalóriát már nem a vízen, hanem a joule-on át határozták meg, és mai értéke — négy egész egy nyolc hat nyolc — kijelölt, nem mért. Kétezertizenkilenc óta a joule ráadásul szerkezetéből fakadóan pontos mennyiség: a Planck-állandó joule-másodpercben kifejezett számként rögzített, és rajta keresztül van meghatározva a kilogramm. Az energia egysége megszűnt bármilyen anyagtól függeni, a víztől is, amelynek melegítésével egykor minden elkezdődött.
Katalógus · mértékegységek
Minden mennyiségnek egy adatlap
Az SI hét alapegysége, huszonkét saját nevű származtatott egység és a rendszeren kívüli egységek, amelyek nélkül sem a technika, sem a hétköznapok nem boldogulnak. Mindegyiknek külön lapja van: meghatározás, átszámítás, eszközök, írásszabályok. 32 nyelven.
Saját nevű SI-származtatott egységek
a joule adatlapja nyitvaAz SI alapegységei
terrakottával — a kilogramm, a méter és a másodperc, amelyekből a joule összeállSI-n kívüli egységek
terrakottával — más rendszerek energiaegységeiAz adatlap nyelve
32 nyelv. A J jel nemzetközi, a szokás azonban különbözik: az európai címke a kilojoule-t teszi előre, az amerikai csak kalóriát ad meg.