Joule
Unità derivata SI · grandezza: energia, lavoro, quantità di calore
01 · Definizione
Il lavoro di una forza di un newton lungo un metro di percorso. Press’a poco quanto serve per sollevare una mela dal tavolo all’altezza della spalla.
Una sola definizione serve tre grandezze insieme: il lavoro, l’energia e la quantità di calore. Non è andata così per trascuratezza, ma per la sostanza della cosa: tutte e tre si convertono l’una nell’altra senza perdita né resto. Fino alla metà dell’Ottocento il calore era ritenuto una sostanza particolare e si misurava in calorie, il lavoro in chilogrammetri, e il legame fra le due scale andava stabilito per via sperimentale. Joule mostrò che quel legame è costante, e dopo di lui le unità separate divennero inutili: restò un joule per tutte le forme di energia, dal peso sollevato all’acqua riscaldata al condensatore carico.
Il lavoro nasce quando la forza agisce lungo lo spostamento; il momento, quando la forza è applicata di traverso al braccio e non sposta nulla. La dimensione in entrambi i casi è chilogrammo per metro quadrato al secondo quadrato, ma le unità non vanno scambiate: la coppia di serraggio di un bullone si scrive in newton metri e il lavoro in joule, e la norma fissa questa distinzione. Una chiave che ha serrato un bullone a quaranta newton metri non ha quasi compiuto lavoro: il bullone ha girato di un quarto.
02 · Conversione
Joule, calorie, chilowattora
I fattori sono esatti per definizione, ma con la caloria serve cautela: ce ne sono parecchie e differiscono alla terza cifra. Nella tabella si usa quella internazionale: quattro virgola uno otto sei otto.
La caloria alimentare è in realtà una chilocaloria, mille piccole calorie, e nell’etichettatura europea accanto a essa compare sempre il valore in chilojoule. Millecinquecento chilocalorie di razione giornaliera fanno sei virgola tre megajoule. La caloria internazionale è definita come esattamente quattro virgola uno otto sei otto joule, quella termochimica come quattro virgola uno otto quattro, e nei calcoli le due talvolta si confondono.
| Unità | Nome | Valore | Dove si incontra |
|---|---|---|---|
| J | joule, unità SI | 1 | fisica e tecnica |
| kJ | chilojoule | 0,001 | etichettatura alimentare |
| MJ | megajoule | 1·10⁻⁶ | termotecnica |
| GJ | gigajoule | 1·10⁻⁹ | bollette del riscaldamento |
| W·h | wattora | 2,778·10⁻⁴ | batterie |
| kW·h | chilowattora | 2,778·10⁻⁷ | il contatore elettrico |
| cal | caloria internazionale | 0,2388 | termotecnica, calcoli d’un tempo |
| kcal | chilocaloria, la caloria alimentare | 2,388·10⁻⁴ | etichette degli alimenti |
| Gcal | gigacaloria | 2,388·10⁻¹⁰ | bollette del calore in Russia |
| erg | erg, sistema CGS | 1·10⁷ | fisica prima del SI |
| BTU | unità termica britannica | 9,478·10⁻⁴ | termotecnica anglofona |
| kgf·m | chilogrammetro | 0,102 | vecchi calcoli meccanici |
Il joule, il wattsecondo e il newton metro sono la stessa cosa. Il chilowattora conviene di più alla bolletta elettrica, perché la potenza degli elettrodomestici si misura in watt e il tempo in ore
03 · Ordini di grandezza
dall’elettronvolt al terremotoUn joule — una mela sollevata di un metro
04 · Strumenti di misura
Con che cosa si misura l’energia
Il modo più semplice è trasformare qualunque energia in calore e misurarla dal riscaldamento di una massa d’acqua nota. Così funzionava esattamente il primo esperimento di Joule, e così si verificano oggi riscaldatori e combustibili: cambiano soltanto i termometri e l’isolamento.
Moltiplica corrente e tensione e accumula il risultato nel tempo. Il disco a induzione contava giri, l’apparecchio elettronico conta campioni, ma la grandezza è la stessa: joule, soltanto mostrati in chilowattora, in ciascuno dei quali ce ne stanno tre milioni e mezzo.
Una piastrina annerita assorbe la radiazione e si scalda di millesimi di grado; il termometro che vi sta dentro dà l’energia. Così si misurano la potenza di un laser, il flusso solare in una stazione meteorologica e la debolissima radiazione di fondo in impianti criogenici.
Il proiettile si conficca in una massa sospesa, e dall’altezza a cui la massa si solleva se ne calcola l’energia cinetica. Il metodo è più antico dell’unità stessa e serve ancora da verifica di riferimento nei laboratori di balistica.
05 · Regole di scrittura
J maiuscola, senza punto
Il simbolo deriva da un cognome ed è perciò maiuscolo, mentre il nome nel testo si scrive minuscolo: joule, ma J. Il simbolo russo è Дж, di tre lettere, e non è seguito da punto. I prefissi si uniscono senza spazio: kJ, MJ, GJ.
Indicare il momento in joule è un errore diffuso e dannoso: le grandezze sono diverse benché la dimensione coincida. La caloria e il chilowattora si conservano in singoli campi per decisione dell’Ufficio internazionale dei pesi e delle misure, ma nella scrittura scientifica è preferibile il joule. L’etichettatura alimentare nell’Unione europea deve indicare per primi i chilojoule e le chilocalorie accanto, fra parentesi o su una seconda riga.
06 · Unità vicine
Il joule sta nel mezzo di una catena: il newton moltiplicato per il percorso lo dà, ed esso stesso, riferito al tempo, dà il watt.
Nelle schede vicine di Simetrium: newton e watt da entrambi i lati della catena, caloria e chilowattora come unità fuori SI della stessa grandezza, elettronvolt per la fisica delle particelle, e erg dal sistema CGS.
07 · Sezione storica
Come il calore smise di essere una sostanza
Dominava la teoria di una sostanza imponderabile che scorreva dal caldo al freddo. Spiegava discretamente il riscaldarsi e il raffreddarsi, ma non sapeva dire da dove venisse il calore dell’attrito — e di quello se ne liberava quanto se ne voleva.
Benjamin Thompson osservava a Monaco l’alesatura delle canne dei cannoni e notò: il calore si libera finché gira la punta, senza limite alcuno. Una sostanza sarebbe finita; il lavoro no.
Un birraio di Salford appese dei pesi a un agitatore a palette in una vasca d’acqua e misurò il riscaldamento al centesimo di grado. Il lavoro del peso che scendeva dava una quantità di calore rigorosamente determinata: il fattore di conversione fra due mondi.
Il nome fu proposto da Siemens al congresso della British Association nel 1882, e il Congresso internazionale degli elettricisti lo sancì nel 1889, ancora in vita lo scienziato. La Conferenza generale dei pesi e delle misure fece del joule l’unità di energia, lavoro e calore insieme, e la caloria restò alla cucina e ai vecchi manuali.
L’unità in cui si sono incontrate tre scale
L’esperimento di Joule fu meno una scoperta che una misura: ottenne il fattore di conversione fra lavoro e calore e lo portò alla terza cifra su strumenti in cui il riscaldamento era di frazioni di grado. La precisione venne dall’isolamento e dalla pazienza: la serie fu ripetuta per anni. Dopo il riconoscimento della conservazione dell’energia, la caloria fu definita non più attraverso l’acqua ma attraverso il joule, e il suo valore odierno — quattro virgola uno otto sei otto — è assegnato, non misurato. Dal duemiladiciannove il joule è inoltre una grandezza esatta per costruzione: la costante di Planck è fissata come un numero espresso in joule per secondo, e attraverso di essa è definito il chilogrammo. L’unità di energia ha smesso di dipendere da qualsiasi sostanza, compresa l’acqua dal cui riscaldamento un tempo tutto cominciò.
Catalogo · unità di misura
Una scheda per ogni grandezza
Sette unità di base del SI, ventidue derivate con nome proprio e le unità fuori sistema senza le quali non se la cavano né la tecnica né la vita di ogni giorno. Ognuna ha il suo foglio: definizione, conversione, strumenti, regole di scrittura. In 16 lingue.
Unità derivate SI con nome proprio
scheda del joule apertaUnità di base del SI
in terracotta: il chilogrammo, il metro e il secondo, di cui il joule è compostoUnità fuori SI
in terracotta: unità di energia di altri sistemiLingua della scheda
16 lingue. Il simbolo J è internazionale, ma le abitudini differiscono: l’etichetta europea mette per primi i chilojoule, quella americana dà solo calorie.