Joule
James Prescott Joule leidde de familiebrouwerij bij Manchester en deed thuis proeven. In 1845 liet hij een schoepenrad in een vat met water zakken. Twee gewichten aan koorden draaiden het rond. De gewichten zakten, de schoepen draaiden, het water warmde op.
De opwarming was piepklein, een fractie van een graad. Joule mat haar met thermometers waarop hij honderdsten van een graad kon aflezen. Uit de proef volgde dat arbeid en warmte hetzelfde zijn in verschillende vormen. Vandaag hebben arbeid, warmte en elektrische energie één eenheid, de joule. Eén joule is de arbeid van een kracht van één newton over een weg van één meter. Zoveel is nodig om een appel een meter op te tillen.
| Aanduiding | J |
| Definitie | newtonmeter · N·m · kg·m²·s⁻² · wattseconde |
| Referentiewaarden | 1 cal — 4,184 J · 1 kWh — 3,6 MJ · 1 eV — 1,602 176 634·10⁻¹⁹ J |
| Ingevoerd | 1889, Internationaal Elektrotechnisch Congres · voor warmte CGPM 1948 |
| Normen | ISO 80000-4 · ISO 80000-5 · SI Brochure 9th ed. |
| Typische waarden | 1 J — een appel een meter omhoog · 400 kJ — een appel eten · 4,184 GJ — een ton TNT |
01 · Definitie
Een newton over een meter weg
De joule is de arbeid die een kracht van één newton verricht als haar aangrijpingspunt een meter in de richting van de kracht verschuift. In SI-grondeenheden is het een kilogram maal meter in het kwadraat per seconde in het kwadraat.
Met dezelfde eenheid meet men elke energie: kinetische, thermische, elektrische, chemische. Een watt gedurende een seconde is ook een joule. Energie gaat van de ene vorm in de andere over, en de som blijft gelijk. Precies dat liet de proef van Joule zien.
Hoeveel joule een tilbeweging kost
Een voorwerp wordt van de vloer opgetild tot de hoogte die de schuifregelaar aangeeft. De paarse vulling op de liniaal is de afgelegde weg. De stippellijn is één meter. De arbeid is het gewicht maal de hoogte en wordt de energievoorraad van het voorwerp. Laat je het los, dan komen bij de klap op de vloer dezelfde joules vrij.
Eén grootheid, drie gewoonten. Chemici en diëtisten rekenen in calorieën: een calorie verwarmt een gram water één graad en is gelijk aan 4,184 J. Energietechnici rekenen in kilowattuur: een apparaat van een kilowatt verbruikt in een uur 3,6 MJ. Natuurkundigen schrijven joules. Op voedselverpakkingen staan vaak beide getallen, kcal en kJ.
Hoe vaak de gewichten moeten vallen om water één graad te verwarmen
Twee gewichten hangen aan koorden over katrollen. De koorden zijn opgewonden op een trommel die een roerder in een koperen vat met water draait. De gewichten zakken 1,6 m, de schoepen kloppen het water en het warmt op. Daarna worden de gewichten weer opgehaald terwijl de roerder is ontkoppeld. Rechts een thermometer onder een loep, met een verdeling van 0,01 K. Daaronder twee balken: paars is de arbeid van de gewichten, oranje de warmte die in het water kwam. Het grijze deel zijn de verliezen door wrijving in de katrollen en de warmte die naar de kamer ging. De knop „Laten vallen” laat de gewichten één keer los, „20 keer” achter elkaar, zoals bij Joule.
Laat de gewichten een paar keer vallen en kijk hoeveel het water opwarmt.
02 · Omrekening
| Eenheid | Waarde | Waar het voorkomt |
|---|---|---|
| {n} | {v} | {note} |
De „calorie” op voedselverpakkingen is een kilocalorie, 4,184 kJ.
Een kilowattuur is 3,6 miljoen joule. Zoveel verbruikt een waterkoker om ongeveer tien keer een liter water te koken.
Een elektronvolt is de energie van een elektron dat een potentiaalverschil van één volt heeft doorlopen. Hij wordt gebruikt voor atomen en fotonen.
03 · Ordes van grootte
04 · Meetinstrumenten
05 · Schrijfregels
06 · Naburige eenheden
07 · Historisch deel
Er zijn meerdere calorieën, en ze verschillen allemaal. De thermochemische is precies 4,184 J. De internationale, uit de stoomtabellen, precies 4,1868 J. De vijftiengradencalorie, die een gram water van 14,5 tot 15,5 °C verwarmt, ongeveer 4,1855 J. Het verschil is minder dan een procent, maar in een nauwkeurige berekening zie je het.
Daarom besloot de Algemene Conferentie voor Maten en Gewichten in 1948 warmte in joules te meten en de calorie achter zich te laten. De joule is vastgelegd via de kilogram, de meter en de seconde en hangt niet af van de eigenschappen van water. De proef van Joule zelf gaf 772 foot-pound per British thermal unit, ongeveer 4,15 J per calorie. Dat wijkt minder dan een procent af van de huidige waarde.
Catalogus van grootheden
de hele index →De zeven SI-basiseenheden
Een druppel zuur verandert de kleur van het sap, zout kleurt de vlam, water bevriest door een tik. Daaronder alle bladen van Simetrium, per vakgebied en alfabetisch.
Index openen →