줄
SI 유도 단위 · 양: 에너지, 일, 열량
01 · 정의
일 뉴턴의 힘이 일 미터의 거리에서 하는 일. 사과를 책상에서 어깨 높이까지 들어 올리는 데 대략 이만큼이 든다.
하나의 정의가 세 가지 양을 한꺼번에 감당한다. 일과 에너지와 열량이다. 이는 소홀해서가 아니라 사물의 본질에서 온 것으로, 셋은 손실도 나머지도 없이 서로 바뀐다. 십구 세기 중엽까지 열은 특별한 물질로 여겨져 칼로리로 재었고 일은 킬로그램미터로 재었으며, 두 눈금 사이의 관계는 실험으로 정해야 했다. 줄은 이 관계가 일정함을 보였고, 그 뒤로 따로 나뉜 단위들은 쓸모가 없어졌다. 들어 올린 추에서 데워진 물, 충전된 축전기에 이르기까지 모든 형태의 에너지에 줄 하나가 남았다.
일은 힘이 변위를 따라 작용할 때 생기고, 토크는 힘이 팔에 가로로 걸려 아무것도 옮기지 않을 때 생긴다. 차원은 두 경우 모두 킬로그램 곱하기 제곱미터 나누기 초의 제곱이지만 단위를 바꿔 쓸 수는 없다. 볼트의 조임 토크는 뉴턴미터로, 일은 줄로 적으며 규격이 이 구분을 지킨다. 사십 뉴턴미터로 볼트를 조인 렌치는 일을 거의 하지 않았다 — 볼트는 사분의 일 바퀴 돌았을 뿐이다.
02 · 환산
줄, 칼로리, 킬로와트시
계수는 정의에 따라 정확하지만 칼로리에는 주의가 필요하다. 여러 가지가 있고 셋째 자리에서 갈라지기 때문이다. 표에는 국제 칼로리 — 사 점 일팔육팔 — 을 썼다.
식품 칼로리는 사실 킬로칼로리, 작은 칼로리 천 개이며, 유럽 표시에서는 그 옆에 반드시 킬로줄 값이 붙는다. 하루 천오백 킬로칼로리의 식사는 육 점 삼 메가줄이다. 국제 칼로리는 정확히 사 점 일팔육팔 줄로, 열화학 칼로리는 사 점 일팔사로 정해져 있으며 계산에서 이 둘을 이따금 혼동한다.
| 단위 | 이름 | 값 | 어디서 만나는가 |
|---|---|---|---|
| J | 줄, SI 단위 | 1 | 물리와 공학 |
| kJ | 킬로줄 | 0.001 | 식품 표시 |
| MJ | 메가줄 | 1·10⁻⁶ | 열공학 |
| GJ | 기가줄 | 1·10⁻⁹ | 난방 요금 |
| W·h | 와트시 | 2.778·10⁻⁴ | 전지 |
| kW·h | 킬로와트시 | 2.778·10⁻⁷ | 전력량계 |
| cal | 국제 칼로리 | 0.2388 | 열공학, 옛 계산 |
| kcal | 킬로칼로리, 식품 칼로리 | 2.388·10⁻⁴ | 식품 라벨 |
| Gcal | 기가칼로리 | 2.388·10⁻¹⁰ | 러시아의 난방 요금 |
| erg | 에르그, CGS 단위계 | 1·10⁷ | SI 이전의 물리학 |
| BTU | 영국 열량 단위 | 9.478·10⁻⁴ | 영어권 열공학 |
| kgf·m | 킬로그램힘미터 | 0.102 | 옛 역학 계산 |
줄과 와트초와 뉴턴미터는 같은 것이다. 전기 요금에는 킬로와트시가 더 알맞다. 가전제품의 전력은 와트로, 시간은 시로 재기 때문이다
03 · 크기의 차수
전자볼트에서 지진까지일 줄 — 일 미터 들어 올린 사과
04 · 측정 기기
에너지는 무엇으로 재는가
어떤 에너지든 열로 바꾸어 알려진 질량의 물이 데워지는 정도로 재는 것이 가장 간단하다. 줄의 첫 실험이 바로 그렇게 작동했고, 오늘날 난방기와 연료를 검정하는 방식도 같다. 달라진 것은 온도계와 단열재뿐이다.
전류와 전압을 곱해 그 결과를 시간에 걸쳐 쌓는다. 유도식 원판은 회전수를 세었고 전자식은 표본을 세지만, 양은 같다 — 줄이다. 다만 킬로와트시로 보일 뿐이고, 그 하나에 삼백오십만이 들어간다.
검게 그을린 판이 복사를 흡수해 천분의 몇 도쯤 데워지고, 그 안의 온도계가 에너지를 알려 준다. 레이저의 출력, 기상대에서 재는 태양 복사속, 극저온 장치에서 잡는 가장 약한 우주 배경 복사가 모두 이렇게 측정된다.
총알이 매달린 덩어리에 박히고, 그 덩어리가 올라간 높이로부터 총알의 운동 에너지를 계산한다. 이 방법은 단위 자체보다 오래되었고 지금도 탄도 실험실에서 기준 점검으로 쓰인다.
05 · 표기 규칙
대문자 J, 점 없이
기호는 성에서 왔으므로 대문자이고, 본문의 이름은 소문자로 쓴다. joule이지만 J다. 러시아어 기호는 세 글자 Дж이며 뒤에 점을 찍지 않는다. 접두어는 붙여 쓴다: kJ, MJ, GJ.
토크를 줄로 적는 것은 널리 퍼진 해로운 잘못이다. 차원은 겹쳐도 양은 다르다. 칼로리와 킬로와트시는 국제도량형국의 결정에 따라 몇몇 분야에 남아 있으나, 학술 표기에서는 줄이 낫다. 유럽 연합의 식품 표시는 킬로줄을 먼저 적고 킬로칼로리를 그 옆에, 괄호 안이나 둘째 줄에 적어야 한다.
07 · 역사 부문
열이 물질이기를 그만둔 과정
뜨거운 쪽에서 찬 쪽으로 흐르는 무게 없는 물질의 이론이 지배했다. 데워지고 식는 일은 제법 잘 설명했으나, 마찰의 열이 어디서 오는지에는 답하지 못했다. 게다가 그 열은 원하는 만큼 나왔다.
벤저민 톰프슨은 뮌헨에서 포신을 깎아 내는 작업을 지켜보다 알아차렸다. 드릴이 도는 동안 열은 아무런 한계 없이 계속 나온다. 물질이라면 바닥났을 것이다. 일은 그렇지 않다.
솔퍼드의 양조업자가 물통 속 날개 교반기에 추를 매달고 온도 상승을 백분의 일 도까지 재었다. 내려가는 추가 한 일은 엄밀하게 정해진 양의 열을 내놓았다 — 두 세계 사이의 환산 계수였다.
이름은 지멘스가 1882년 영국 학술협회 모임에서 제안했고, 국제 전기 기술자 대회가 1889년에 이를 확정했다. 학자가 아직 살아 있을 때였다. 국제도량형총회는 줄을 에너지와 일과 열의 단위로 한꺼번에 삼았고, 칼로리는 부엌과 옛 교과서에 남았다.
세 눈금이 만난 단위
줄의 실험은 발견이라기보다 측정이었다. 그는 일과 열 사이의 환산 계수를 얻어, 온도 상승이 도의 몇 분의 일에 지나지 않는 기구 위에서 그것을 셋째 자리까지 밀고 갔다. 정밀도는 단열과 인내에서 나왔고, 이 연속 실험은 몇 해에 걸쳐 되풀이되었다. 에너지 보존 법칙이 인정된 뒤 칼로리는 더는 물이 아니라 줄을 통해 정의되었고, 오늘의 값 — 사 점 일팔육팔 — 은 측정된 것이 아니라 정해진 것이다. 이천십구 년부터 줄은 구조상으로도 정확한 양이 되었다. 플랑크 상수가 줄초로 표현된 수로 고정되었고 그것을 통해 킬로그램이 정의되기 때문이다. 에너지의 단위는 어떤 물질에도 더는 기대지 않는다. 한때 그 가열에서 모든 것이 시작된 물에도.
목록 · 측정 단위
양마다 하나의 자료표
SI 기본 단위 일곱, 고유한 이름을 가진 유도 단위 스물둘, 그리고 기술에도 일상에도 없어서는 안 되는 SI 밖의 단위들. 저마다 한 장씩: 정의, 환산, 기기, 표기 규칙. 36개 언어로.
고유한 이름을 가진 SI 유도 단위
줄 자료표가 열려 있음SI 기본 단위
테라코타 색은 킬로그램, 미터, 초. 줄은 이것들로 짜인다SI 밖의 단위
테라코타 색은 다른 단위계의 에너지 단위자료표 언어
36개 언어. 기호 J는 국제적이지만 관습은 다르다. 유럽 라벨은 킬로줄을 앞에 두고, 미국 라벨은 칼로리만 적는다.