Joule
James Prescott Joule dirigeva la birreria di famiglia vicino a Manchester e faceva esperimenti in casa. Nel 1845 immerse in un recipiente d’acqua un agitatore a palette. Lo facevano girare due pesi appesi a corde. I pesi scendevano, le palette giravano, l’acqua si scaldava.
Il riscaldamento era minuscolo, frazioni di grado. Joule lo misurava con termometri su cui leggeva i centesimi di grado. Dall’esperimento risultava che lavoro e calore sono la stessa cosa in forme diverse. Oggi lavoro, calore ed energia elettrica hanno un’unica unità, il joule. Un joule è il lavoro di una forza di un newton lungo un metro. È quanto serve per sollevare una mela di un metro.
| Notazione | J |
| Definizione | newton metro · N·m · kg·m²·s⁻² · wattsecondo |
| Valori di riferimento | 1 cal — 4,184 J · 1 kWh — 3,6 MJ · 1 eV — 1,602 176 634·10⁻¹⁹ J |
| Introdotta | 1889, Congresso internazionale di elettricità · per il calore, CGPM 1948 |
| Norme | ISO 80000-4 · ISO 80000-5 · SI Brochure 9th ed. |
| Valori tipici | 1 J — una mela su di un metro · 400 kJ — mangiare una mela · 4,184 GJ — una tonnellata di tritolo |
01 · Definizione
Un newton lungo un metro
Il joule è il lavoro compiuto da una forza di un newton quando il suo punto di applicazione si sposta di un metro nella direzione della forza. In unità di base del SI è un chilogrammo per metro quadrato al secondo quadrato.
Con la stessa unità si misura qualsiasi energia: cinetica, termica, elettrica, chimica. Un watt per un secondo è anche un joule. L’energia passa da una forma all’altra e la somma resta la stessa. È proprio ciò che ha mostrato l’esperimento di Joule.
Quanti joule costa un sollevamento
Un oggetto viene sollevato dal pavimento all’altezza fissata dal cursore. Il riempimento viola sul righello è il tragitto percorso. Il tratteggio segna un metro. Il lavoro è il peso per l’altezza e diventa la riserva di energia dell’oggetto. Se lo si lascia cadere, nell’urto col pavimento si liberano gli stessi joule.
È una sola grandezza con tre abitudini. Chimici e dietologi contano in calorie: una caloria scalda un grammo d’acqua di un grado e vale 4,184 J. Gli elettrotecnici contano in chilowattora: un apparecchio da un chilowatt consuma 3,6 MJ in un’ora. I fisici scrivono joule. Sulle confezioni degli alimenti compaiono spesso entrambi i numeri, kcal e kJ.
Quante cadute dei pesi scaldano l’acqua di un grado
Due pesi pendono da corde che passano su carrucole. Le corde sono avvolte su un tamburo che fa girare un agitatore in un recipiente di rame pieno d’acqua. I pesi scendono di 1,6 m, le palette sbattono l’acqua e questa si scalda. Poi i pesi vengono riportati su con l’agitatore disinnestato. A destra un termometro sotto la lente, con divisioni da 0,01 K. Sotto, due barre: viola il lavoro dei pesi, arancione il calore entrato nell’acqua. La parte grigia sono le perdite per attrito nelle carrucole e il calore finito nella stanza. Il pulsante «Lascia cadere» libera i pesi una volta, «20 volte» di seguito, come faceva Joule.
Lasciate cadere i pesi qualche volta e guardate di quanto si scalda l’acqua.
02 · Conversione
| Unità | Valore | Dove si incontra |
|---|---|---|
| {n} | {v} | {note} |
La «caloria» delle etichette alimentari è una chilocaloria, 4,184 kJ.
Un chilowattora sono 3,6 milioni di joule. È quanto consuma un bollitore per far bollire un litro d’acqua circa dieci volte.
L’elettronvolt è l’energia di un elettrone che ha attraversato una differenza di potenziale di un volt. Serve per atomi e fotoni.
03 · Ordini di grandezza
04 · Strumenti di misura
05 · Regole di scrittura
06 · Unità vicine
07 · Sezione storica
Di calorie ce ne sono parecchie, e tutte diverse. La termochimica vale esattamente 4,184 J. L’internazionale, dalle tavole del vapore acqueo, esattamente 4,1868 J. La caloria a quindici gradi, che scalda un grammo d’acqua da 14,5 a 15,5 °C, circa 4,1855 J. La differenza è sotto l’uno per cento, ma in un calcolo preciso si vede.
Per questo nel 1948 la Conferenza generale dei pesi e delle misure decise di misurare il calore in joule e lasciare la caloria al passato. Il joule è definito tramite il chilogrammo, il metro e il secondo e non dipende dalle proprietà dell’acqua. L’esperimento di Joule stesso diede 772 piedi-libbra per unità termica britannica, circa 4,15 J per caloria. È meno dell’uno per cento dal valore odierno.
Catalogo delle grandezze
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Una goccia d'acido cambia il colore del succo, il sale colora la fiamma, l'acqua gela con un colpo. Sotto, tutte le schede di Simetrium, per disciplina e in ordine alfabetico.
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