Joule
Satuan turunan SI · besaran: energi, usaha, jumlah kalor
01 · Definisi
Usaha sebuah gaya satu newton sepanjang lintasan satu meter. Kira-kira sebanyak itulah yang dikeluarkan untuk mengangkat sebuah apel dari meja setinggi bahu.
Satu definisi melayani tiga besaran sekaligus: usaha, energi, dan jumlah kalor. Itu bukan karena kelalaian melainkan karena hakikat perkaranya — ketiganya berubah menjadi satu sama lain tanpa kehilangan dan tanpa sisa. Sampai pertengahan abad kesembilan belas kalor dianggap zat tersendiri dan diukur dengan kalori, usaha diukur dengan kilogram meter, dan hubungan antara kedua skala harus ditetapkan lewat percobaan. Joule menunjukkan bahwa hubungan itu tetap, dan sesudahnya satuan-satuan terpisah menjadi tak perlu: tinggallah satu joule untuk segala bentuk energi, dari beban yang diangkat sampai air yang dipanaskan dan kapasitor yang bermuatan.
Usaha muncul ketika gaya bekerja sepanjang perpindahan; momen muncul ketika gaya dikenakan melintang pada lengan dan tidak memindahkan apa pun. Dimensinya dalam kedua hal adalah kilogram kali meter persegi per detik kuadrat, tetapi satuannya tidak boleh dipertukarkan: momen pengencangan baut ditulis dalam newton meter dan usaha dalam joule, dan standar mempertahankan perbedaan itu. Kunci yang mengencangkan baut dengan momen empat puluh newton meter hampir tidak melakukan usaha — bautnya berputar seperempat putaran.
02 · Konversi
Joule, kalori, kilowatt jam
Faktor-faktornya tepat menurut definisi, tetapi dengan kalori diperlukan kehati-hatian: ada beberapa macam dan berbeda pada angka ketiga. Dalam tabel dipakai yang internasional — empat koma satu delapan enam delapan.
Kalori makanan sebenarnya adalah kilokalori, seribu kalori kecil, dan pada label Eropa di sebelahnya selalu tercantum nilai dalam kilojoule. Seribu lima ratus kilokalori makanan sehari sama dengan enam koma tiga megajoule. Kalori internasional ditetapkan tepat empat koma satu delapan enam delapan joule, yang termokimia empat koma satu delapan empat, dan dalam perhitungan keduanya kadang tertukar.
| Satuan | Nama | Nilai | Di mana dijumpai |
|---|---|---|---|
| J | joule, satuan SI | 1 | fisika dan teknik |
| kJ | kilojoule | 0,001 | label pangan |
| MJ | megajoule | 1·10⁻⁶ | teknik termal |
| GJ | gigajoule | 1·10⁻⁹ | tagihan pemanas |
| W·h | watt jam | 2,778·10⁻⁴ | baterai |
| kW·h | kilowatt jam | 2,778·10⁻⁷ | meteran listrik |
| cal | kalori internasional | 0,2388 | teknik termal, perhitungan lama |
| kcal | kilokalori, kalori makanan | 2,388·10⁻⁴ | label produk |
| Gcal | gigakalori | 2,388·10⁻¹⁰ | tagihan panas di Rusia |
| erg | erg, sistem CGS | 1·10⁷ | fisika sebelum SI |
| BTU | satuan termal Britania | 9,478·10⁻⁴ | teknik termal berbahasa Inggris |
| kgf·m | kilogram gaya meter | 0,102 | perhitungan mekanika lama |
Joule, watt detik, dan newton meter adalah hal yang sama. Kilowatt jam lebih cocok untuk tagihan listrik, karena daya peralatan rumah tangga diukur dalam watt dan waktu dalam jam
03 · Orde besaran
dari elektronvolt hingga gempa bumiSatu joule — apel yang diangkat satu meter
04 · Alat ukur
Dengan apa energi diukur
Cara paling mudah adalah mengubah energi apa pun menjadi kalor dan mengukurnya dari kenaikan suhu sejumlah air yang diketahui massanya. Persis begitulah percobaan pertama Joule bekerja, dan persis begitu pula pemanas dan bahan bakar diuji sekarang — yang berubah hanya termometer dan isolasinya.
Ia mengalikan arus dengan tegangan dan menjumlahkan hasilnya sepanjang waktu. Cakram induksi dulu menghitung putaran, alat elektronik menghitung cuplikan, tetapi besarannya sama — joule, hanya saja ditampilkan dalam kilowatt jam, yang masing-masing memuat tiga setengah juta joule.
Sekeping pelat yang dihitamkan menyerap radiasi dan memanas beberapa perseribu derajat; termometer di dalamnya yang memberi nilai energi. Begitulah diukur daya laser, fluks matahari di stasiun cuaca, dan radiasi latar paling lemah dalam perangkat kriogenik.
Peluru tertanam dalam beban yang digantung, dan dari ketinggian naiknya beban itu dihitung energi kinetiknya. Metode ini lebih tua daripada satuannya sendiri dan sampai kini dipakai sebagai pemeriksaan acuan di laboratorium balistik.
05 · Aturan penulisan
J kapital, tanpa titik
Lambangnya berasal dari nama keluarga, karena itu ditulis kapital, sedangkan namanya dalam teks ditulis dengan huruf kecil: joule, tetapi J. Lambang Rusianya Дж, terdiri atas tiga huruf, dan tidak diikuti titik. Awalan dilekatkan tanpa spasi: kJ, MJ, GJ.
Menuliskan momen dalam joule adalah kesalahan yang lazim dan merugikan: besarannya berbeda meskipun dimensinya berimpit. Kalori dan kilowatt jam tetap bertahan di bidang tertentu berdasarkan keputusan Biro Internasional Timbangan dan Ukuran, tetapi penulisan ilmiah lebih memilih joule. Label pangan di Uni Eropa wajib mencantumkan kilojoule lebih dulu, dan kilokalori di sebelahnya, dalam kurung atau pada baris kedua.
06 · Satuan tetangga
Joule berdiri di tengah sebuah rantai: newton dikalikan lintasan menghasilkannya, dan ia sendiri, dibagi waktu, menghasilkan watt.
Di lembar-lembar tetangga Simetrium: newton dan watt di kedua ujung rantai, kalori dan kilowatt jam sebagai satuan di luar SI untuk besaran yang sama, elektronvolt untuk fisika partikel, dan erg dari sistem CGS.
07 · Bagian sejarah
Bagaimana kalor berhenti menjadi zat
Yang berkuasa adalah teori tentang zat tanpa bobot yang mengalir dari yang panas ke yang dingin. Teori itu lumayan menjelaskan pemanasan dan pendinginan, tetapi tidak bisa menjawab dari mana datangnya kalor gesekan — padahal kalor itu keluar sebanyak yang dikehendaki.
Benjamin Thompson menyaksikan pengeboran laras meriam di Munich dan menyadari: kalor keluar selama mata bor berputar, tanpa batas apa pun. Suatu zat pasti akan habis; usaha tidak.
Seorang pembuat bir dari Salford menggantungkan anak timbangan pada pengaduk berbaling-baling di bejana berisi air dan mengukur kenaikan suhu sampai perseratus derajat. Usaha beban yang turun memberikan jumlah kalor yang tertentu secara ketat — faktor konversi antara dua dunia.
Namanya diusulkan Siemens pada pertemuan Asosiasi Britania tahun 1882, dan Kongres Internasional Ahli Listrik menetapkannya pada 1889, ketika sang ilmuwan masih hidup. Konferensi Umum Timbangan dan Ukuran menjadikan joule satuan energi, usaha, dan kalor sekaligus, sedangkan kalori tinggal di dapur dan di buku pelajaran lama.
Satuan tempat tiga skala bertemu
Percobaan Joule lebih merupakan pengukuran daripada penemuan: ia memperoleh faktor konversi antara usaha dan kalor dan membawanya sampai angka ketiga pada alat-alat yang kenaikan suhunya hanya pecahan derajat. Ketelitiannya datang dari isolasi dan kesabaran — rangkaian itu diulang bertahun-tahun. Setelah hukum kekekalan energi diterima, kalori tidak lagi didefinisikan lewat air melainkan lewat joule, dan nilainya sekarang — empat koma satu delapan enam delapan — ditetapkan, bukan diukur. Sejak dua ribu sembilan belas joule bahkan menjadi besaran yang tepat menurut konstruksinya: tetapan Planck dipatok sebagai bilangan yang dinyatakan dalam joule detik, dan lewat tetapan itu kilogram didefinisikan. Satuan energi berhenti bergantung pada zat apa pun, termasuk air yang dari pemanasannya dahulu semuanya bermula.
Katalog · satuan ukuran
Satu lembar untuk tiap besaran
Tujuh satuan dasar SI, dua puluh dua satuan turunan bernama sendiri, dan satuan di luar sistem yang tak dapat ditinggalkan baik oleh teknik maupun kehidupan sehari-hari. Masing-masing punya lembarnya: definisi, konversi, alat, aturan penulisan. Dalam 34 bahasa.
Satuan turunan SI bernama sendiri
lembar joule terbukaSatuan dasar SI
warna terakota — kilogram, meter dan detik, yang menyusun jouleSatuan di luar SI
warna terakota — satuan energi dari sistem lainBahasa lembar
34 bahasa. Lambang J bersifat internasional, tetapi kebiasaannya berbeda: label Eropa menaruh kilojoule lebih dulu, label Amerika hanya memberi kalori.