ジュール
SI 組立単位 · 量：エネルギー、仕事、熱量
01 · 定義
一ニュートンの力が一メートルの道のりでする仕事。机の上のりんごを肩の高さまで持ち上げるのに、おおよそこれだけかかる。
ひとつの定義が三つの量を同時に受け持つ。仕事とエネルギーと熱量である。これは怠慢からではなく、事柄そのものから来た——三つはいずれも損失も余りもなく互いに移り変わる。十九世紀の半ばまで、熱は特別な物質と見なされてカロリーで測られ、仕事はキログラムメートルで測られていて、二つの尺度の関係は実験で定めるほかなかった。ジュールはこの関係が一定であることを示し、彼のあとで別々の単位は不要になった。持ち上げた重りから温められた水、充電された蓄電器まで、あらゆる形のエネルギーにジュールひとつが残った。
仕事は力が変位に沿って働くときに生じ、トルクは力が腕に横から加わって何も動かさないときに生じる。次元はどちらもキログラム掛けるメートルの二乗を秒の二乗で割ったものだが、単位を入れ替えてはならない。ボルトの締め付けトルクはニュートンメートルで、仕事はジュールで書き、規格がこの区別を守っている。四十ニュートンメートルでボルトを締めたレンチは、ほとんど仕事をしていない——ボルトは四分の一回転しただけだ。
02 · 換算
ジュール、カロリー、キロワット時
係数は定義によって正確だが、カロリーには注意がいる。何種類もあり、三桁目で分かれるからだ。表では国際カロリー——四・一八六八——を使っている。
食品のカロリーは実はキロカロリー、小さなカロリー千個分であり、ヨーロッパの表示ではその横に必ずキロジュールの値が並ぶ。一日千五百キロカロリーの食事は六・三メガジュールだ。国際カロリーはちょうど四・一八六八ジュール、熱化学カロリーは四・一八四と定められていて、計算ではこの二つがときに取り違えられる。
| 単位 | 名称 | 値 | どこで出会うか |
|---|---|---|---|
| J | ジュール、SI 単位 | 1 | 物理と工学 |
| kJ | キロジュール | 0.001 | 食品表示 |
| MJ | メガジュール | 1·10⁻⁶ | 熱工学 |
| GJ | ギガジュール | 1·10⁻⁹ | 暖房の請求書 |
| W·h | ワット時 | 2.778·10⁻⁴ | 電池 |
| kW·h | キロワット時 | 2.778·10⁻⁷ | 電力量計 |
| cal | 国際カロリー | 0.2388 | 熱工学、古い計算 |
| kcal | キロカロリー、食品のカロリー | 2.388·10⁻⁴ | 食品のラベル |
| Gcal | ギガカロリー | 2.388·10⁻¹⁰ | ロシアの熱の請求書 |
| erg | エルグ、CGS 単位系 | 1·10⁷ | SI 以前の物理学 |
| BTU | 英熱量単位 | 9.478·10⁻⁴ | 英語圏の熱工学 |
| kgf·m | キログラム重メートル | 0.102 | 古い力学の計算 |
ジュールとワット秒とニュートンメートルは同じものである。電気料金にはキロワット時のほうが便利で、家電の電力はワットで、時間は時で測るからだ
03 · 桁の並び
電子ボルトから地震まで一ジュール——一メートル持ち上げたりんご
04 · 測定器
エネルギーは何で測るか
どんなエネルギーも熱に変えて、既知の質量の水の温度上昇から測るのがいちばん簡単である。ジュールの最初の実験がまさにそうであり、今日も加熱器や燃料はそうして検定される。変わったのは温度計と断熱材だけだ。
電流と電圧を掛け合わせ、その結果を時間について積み上げる。誘導形の円板は回転を数え、電子式は標本を数えるが、量は同じ——ジュールであり、ただキロワット時で示されているにすぎない。その一つ一つに三百五十万が入っている。
黒く塗った板が放射を吸って千分の一度ほど温まり、その中の温度計がエネルギーを与える。レーザーの出力、気象台での太陽の放射束、極低温装置で捉えるもっとも微かな宇宙背景放射は、こうして測られる。
弾丸が吊るした重りに食い込み、重りが持ち上がった高さからその運動エネルギーを計算する。この方法は単位そのものより古く、今も弾道の実験室で基準の確認に使われている。
05 · 表記の規則
大文字の J、点は付けない
記号は姓に由来するため大文字で、本文中の名称は小文字で書く。joule だが J である。ロシア語の記号は三文字の Дж で、あとに点は打たない。接頭語は続けて書く：kJ、MJ、GJ。
トルクをジュールで書くのは広く見られる有害な誤りである。次元は一致しても量は別物だ。カロリーとキロワット時は国際度量衡局の決定により個々の分野で残っているが、学術的な表記ではジュールが望ましい。欧州連合の食品表示はキロジュールを先に、キロカロリーをその横に、括弧内か二行目に記さなければならない。
07 · 歴史の部
熱が物質でなくなるまで
重さのない物質が熱いほうから冷たいほうへ流れる、という説が優勢だった。温まることも冷めることもそれなりに説明できたが、摩擦の熱がどこから来るのかには答えられなかった——しかもその熱はいくらでも出てきた。
ベンジャミン・トンプソンはミュンヘンで砲身の中ぐりを眺めていて気づいた。錐が回っているかぎり、際限なく熱が出てくる。物質なら尽きたはずだ。仕事は尽きない。
ソルフォードの醸造家が水槽の羽根つき撹拌器に錘を吊るし、温度上昇を百分の一度の精度で測った。下がる錘のする仕事は、厳密に決まった量の熱を生んだ——二つの世界のあいだの換算係数である。
名称は一八八二年、英国学術協会の会合でジーメンスが提案し、国際電気技術者会議が一八八九年にこれを定めた。まだ学者の存命中である。国際度量衡総会はジュールをエネルギーと仕事と熱の単位に一度に定め、カロリーは台所と古い教科書に残った。
三つの尺度が出会った単位
ジュールの実験は発見というよりも測定であった。仕事と熱のあいだの換算係数を得て、温度上昇が一度の何分の一という装置の上で、それを三桁目まで押し進めた。精度は断熱と忍耐がもたらしたもので、この一連の実験は何年も繰り返された。エネルギー保存則が認められたのち、カロリーはもはや水を通してではなくジュールを通して定義され、今日の値——四・一八六八——は測られたのではなく定められている。二〇一九年からはジュールは構成上も厳密な量となった。プランク定数がジュール秒で表された数として固定され、それを通してキログラムが定義されているからである。エネルギーの単位はいかなる物質にも依らなくなった。かつてその加熱からすべてが始まった水にも。
カタログ · 測定単位
それぞれの量に一つの要覧
SI の基本単位が七つ、固有の名をもつ組立単位が二十二、そして技術にも暮らしにも欠かせないSI 以外の単位。どれにも一葉ずつ：定義、換算、測定器、表記の規則。32 言語で。
固有の名をもつ SI 組立単位
ジュールの要覧を開いていますSI 基本単位
テラコッタ色はキログラム、メートル、秒。ジュールはこれらから組み立てられるSI 以外の単位
テラコッタ色は他の単位系のエネルギー単位要覧の言語
32 言語。記号 J は国際的だが、習慣は異なる。ヨーロッパのラベルはキロジュールを先に置き、アメリカのラベルはカロリーだけを示す。