ジュール
ジェームズ・プレスコット・ジュールはマンチェスター近郊で家業の醸造所を営み、自宅で実験をしていた。1845 年、彼は羽根付きのかくはん器を水の入った容器に沈めた。それをひもにつるした 2 つのおもりが回した。おもりが下がり、羽根が回り、水が温まった。
温度の上昇はごくわずかで、1 度に満たなかった。ジュールは 100 分の 1 度まで読み分けられる温度計でそれを測った。実験から、仕事と熱は形の違う同じものだということがわかった。今日では仕事、熱、電気エネルギーの単位は一つ、ジュールである。1 ジュールは 1 ニュートンの力が 1 メートルの道のりでする仕事。りんごを 1 メートル持ち上げるのに必要な量だ。
| 記号 | J |
| 定義 | ニュートンメートル · N·m · kg·m²·s⁻² · ワット秒 |
| 参考値 | 1 cal — 4.184 J · 1 kWh — 3.6 MJ · 1 eV — 1.602 176 634·10⁻¹⁹ J |
| 導入 | 1889 年、国際電気会議 · 熱については CGPM 1948 |
| 規格 | ISO 80000-4 · ISO 80000-5 · SI Brochure 9th ed. |
| 代表的な値 | 1 J — りんごを 1 m 持ち上げる · 400 kJ — りんごを食べる · 4.184 GJ — TNT 1 トン |
01 · 定義
1 メートルの道のりで 1 ニュートン
ジュールは、1 ニュートンの力がその作用点を力の向きに 1 メートル動かしたときにする仕事である。SI 基本単位では、キログラム掛けるメートルの 2 乗を秒の 2 乗で割ったもの。
同じ単位で、運動、熱、電気、化学のあらゆるエネルギーを測る。1 ワットを 1 秒間使うのも 1 ジュールだ。エネルギーはある形から別の形へ移り、総量は変わらない。まさにそれをジュールの実験が示した。
持ち上げるのに何ジュールかかるか
スライダーで決めた高さまで、物を床から持ち上げる。定規の紫の部分が進んだ道のり。破線が 1 メートル。仕事は重さ掛ける高さで、物の蓄えたエネルギーになる。手を離せば、床にぶつかるときに同じジュールが放たれる。
一つの量に三つの習慣。化学者と栄養士はカロリーで数える。1 カロリーは 1 グラムの水を 1 度温め、4.184 J に等しい。電力の世界はキロワット時で数える。1 キロワットの機器は 1 時間に 3.6 MJ を使う。物理学者はジュールで書く。食品の包装にはよく両方の数字、kcal と kJ が並ぶ。
水を 1 度温めるには、おもりを何回落とせばよいか
2 つのおもりが滑車にかけたひもでつり下がっている。ひもはドラムに巻かれ、ドラムが水の入った銅の容器の中のかくはん器を回す。おもりが 1.6 m 下がると、羽根が水をかき混ぜ、水が温まる。そのあと、かくはん器を外しておもりを巻き上げる。右はルーペ越しの温度計で、目盛りは 0.01 K。その下に 2 本の棒：紫はおもりのした仕事、オレンジは水に入った熱。灰色の部分は滑車の摩擦による損失と、部屋へ逃げた熱。「落とす」ボタンはおもりを 1 回、「20 回」は続けて落とす。ジュールがしたように。
おもりを何回か落として、水がどれだけ温まるか見てみよう。
02 · 換算
| 単位 | 値 | どこで出会うか |
|---|---|---|
| {n} | {v} | {note} |
包装の食品「カロリー」はキロカロリーで、4.184 kJ。
1 キロワット時は 360 万ジュール。電気ケトルで 1 リットルの水を 10 回ほど沸かすとこれくらい使う。
電子ボルトは、1 ボルトの電位差を通り抜けた電子のエネルギー。原子や光子に使う。
03 · 桁の並び
04 · 測定器
05 · 表記の規則
06 · 隣り合う単位
07 · 歴史の部
カロリーにはいくつかあり、どれも違う。熱化学カロリーはちょうど 4.184 J。水蒸気表による国際カロリーはちょうど 4.1868 J。1 グラムの水を 14.5 から 15.5 °C まで温める 15 度カロリーは約 4.1855 J。差は 1 パーセントに満たないが、精密な計算では見えてくる。
そのため 1948 年、国際度量衡総会は熱をジュールで測り、カロリーは過去のものにすると決めた。ジュールはキログラム、メートル、秒で定義され、水の性質に左右されない。ジュール自身の実験では英熱量単位あたり 772 フィートポンド、カロリーあたり約 4.15 J となった。今日の値との差は 1 パーセントに満たない。
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