줄
제임스 프레스콧 줄은 맨체스터 근교에서 가업인 양조장을 운영하며 집에서 실험했다. 1845년 그는 물이 든 그릇에 날개 달린 휘젓개를 넣었다. 끈에 매단 추 두 개가 그것을 돌렸다. 추가 내려가고, 날개가 돌고, 물이 데워졌다.
온도 상승은 아주 작아서 1도의 몇 분의 일에 불과했다. 줄은 100분의 1도까지 구별할 수 있는 온도계로 그것을 쟀다. 실험은 일과 열이 모습만 다른 같은 것임을 보여 주었다. 오늘날 일, 열, 전기 에너지의 단위는 줄 하나다. 1줄은 1뉴턴의 힘이 1미터의 거리에서 하는 일이다. 사과 하나를 1미터 들어 올리는 데 그만큼 든다.
| 기호 | J |
| 정의 | 뉴턴미터 · N·m · kg·m²·s⁻² · 와트초 |
| 기준값 | 1 cal — 4.184 J · 1 kWh — 3.6 MJ · 1 eV — 1.602 176 634·10⁻¹⁹ J |
| 도입 | 1889년 국제 전기 회의 · 열에 대해서는 CGPM 1948 |
| 규격 | ISO 80000-4 · ISO 80000-5 · SI Brochure 9th ed. |
| 대표 값 | 1 J — 사과를 1 m 들어 올리기 · 400 kJ — 사과 하나 먹기 · 4.184 GJ — TNT 1톤 |
01 · 정의
1미터의 길에서 1뉴턴
줄은 1뉴턴의 힘이 그 작용점을 힘의 방향으로 1미터 옮길 때 하는 일이다. SI 기본 단위로는 킬로그램 곱하기 미터 제곱 나누기 초 제곱이다.
같은 단위로 모든 에너지를 잰다. 운동, 열, 전기, 화학 에너지 모두. 1와트를 1초 동안 쓰는 것도 1줄이다. 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 옮겨 가고, 합은 그대로다. 줄의 실험이 바로 그것을 보여 주었다.
들어 올리는 데 몇 줄이 드는가
슬라이더로 정한 높이까지 물체를 바닥에서 들어 올린다. 자의 보라색 부분이 지나온 거리다. 점선은 1미터. 일은 무게 곱하기 높이이고, 물체에 저장된 에너지가 된다. 놓으면 바닥에 부딪힐 때 같은 줄이 풀려난다.
하나의 양을 세 가지 습관으로 쓴다. 화학자와 영양사는 칼로리로 센다. 1칼로리는 물 1그램을 1도 데우며 4.184 J와 같다. 전력 분야는 킬로와트시로 센다. 1킬로와트 기기는 한 시간에 3.6 MJ를 쓴다. 물리학자는 줄로 쓴다. 식품 포장에는 흔히 두 숫자, kcal와 kJ가 함께 적혀 있다.
물을 1도 데우려면 추를 몇 번 떨어뜨려야 할까
추 두 개가 도르래에 걸친 끈에 매달려 있다. 끈은 드럼에 감겨 있고, 드럼은 물이 든 구리 그릇 속 휘젓개를 돌린다. 추가 1.6 m 내려가면 날개가 물을 휘저어 물이 데워진다. 그다음 휘젓개를 떼어 낸 채 추를 다시 감아올린다. 오른쪽은 돋보기 아래 온도계로, 눈금은 0.01 K. 그 아래 막대 두 개: 보라는 추가 한 일, 주황은 물로 들어간 열이다. 회색 부분은 도르래의 마찰 손실과 방으로 빠져나간 열이다. «떨어뜨리기» 버튼은 추를 한 번, «20번»은 연달아 떨어뜨린다. 줄이 했던 것처럼.
추를 몇 번 떨어뜨려 물이 얼마나 데워지는지 보세요.
02 · 환산
| 단위 | 값 | 어디서 만나는가 |
|---|---|---|
| {n} | {v} | {note} |
포장에 적힌 식품 «칼로리»는 킬로칼로리, 4.184 kJ이다.
1킬로와트시는 360만 줄이다. 전기 주전자로 물 1리터를 열 번쯤 끓이면 그만큼 쓴다.
전자볼트는 1볼트의 전위차를 지나온 전자의 에너지다. 원자와 광자에 쓴다.
03 · 크기의 차수
04 · 측정 기기
05 · 표기 규칙
06 · 이웃 단위
07 · 역사 부문
칼로리에는 여러 가지가 있고 모두 다르다. 열화학 칼로리는 정확히 4.184 J. 수증기표에서 온 국제 칼로리는 정확히 4.1868 J. 물 1그램을 14.5에서 15.5 °C로 데우는 15도 칼로리는 약 4.1855 J. 차이는 1퍼센트가 안 되지만 정밀한 계산에서는 드러난다.
그래서 1948년 국제도량형총회는 열을 줄로 재고 칼로리는 과거에 남겨 두기로 했다. 줄은 킬로그램, 미터, 초로 정의되며 물의 성질에 좌우되지 않는다. 줄 자신의 실험은 영국 열량 단위당 772피트파운드, 칼로리당 약 4.15 J를 얻었다. 오늘날의 값과 1퍼센트도 차이 나지 않는다.
산 한 방울이 즙의 색을 바꾸고, 소금은 불꽃에 색을 입히고, 물은 한 번 두드리면 언다. 그 아래에 Simetrium의 모든 페이지가 분야별, 가나다순으로 있다.
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