Dżul
Jednostka pochodna SI · wielkość: energia, praca, ilość ciepła
01 · Definicja
Praca siły jednego niutona na drodze jednego metra. Mniej więcej tyle trzeba, by podnieść jabłko ze stołu na wysokość ramienia.
Jedna definicja obsługuje trzy wielkości naraz: pracę, energię i ilość ciepła. Wyszło tak nie przez niedbalstwo, lecz z istoty rzeczy — wszystkie trzy przechodzą jedna w drugą bez strat i bez reszty. Do połowy dziewiętnastego wieku ciepło uważano za osobną substancję i mierzono w kaloriach, pracę w kilogramometrach, a związek między skalami trzeba było ustalać doświadczeniem. Joule pokazał, że ten związek jest stały, i po nim osobne jednostki stały się zbędne: został jeden dżul na wszystkie formy energii, od podniesionego ciężaru po ogrzaną wodę i naładowany kondensator.
Praca powstaje, gdy siła działa wzdłuż przemieszczenia; moment — gdy siła jest przyłożona w poprzek ramienia i niczego nie przesuwa. Wymiar w obu przypadkach to kilogram razy metr kwadratowy na sekundę do kwadratu, ale jednostek nie wolno podmieniać: moment dokręcania śruby zapisuje się w niutonometrach, a pracę w dżulach, i norma to rozróżnienie utrwala. Klucz, który dokręcił śrubę momentem czterdziestu niutonometrów, prawie nie wykonał pracy — śruba obróciła się o ćwierć obrotu.
02 · Przeliczanie
Dżule, kalorie, kilowatogodziny
Współczynniki są dokładne z definicji, ale z kalorią trzeba ostrożnie: jest ich kilka i różnią się na trzecim miejscu. W tabeli użyto międzynarodowej — cztery i tysiąc osiemset sześćdziesiąt osiem dziesięciotysięcznych.
Kaloria żywieniowa to w rzeczywistości kilokaloria, tysiąc małych kalorii, a w europejskim znakowaniu obok niej zawsze stoi wartość w kilodżulach. Półtora tysiąca kilokalorii dziennej racji to sześć i trzy dziesiąte megadżula. Kaloria międzynarodowa jest określona dokładnie jako cztery i tysiąc osiemset sześćdziesiąt osiem dziesięciotysięcznych dżula, termochemiczna jako cztery i tysiąc osiemset czterdzieści dziesięciotysięcznych, i w obliczeniach te dwie bywają mylone.
| Jednostka | Nazwa | Wartość | Gdzie występuje |
|---|---|---|---|
| J | dżul, jednostka SI | 1 | fizyka i technika |
| kJ | kilodżul | 0,001 | znakowanie żywności |
| MJ | megadżul | 1·10⁻⁶ | ciepłownictwo |
| GJ | gigadżul | 1·10⁻⁹ | rachunki za ogrzewanie |
| W·h | watogodzina | 2,778·10⁻⁴ | akumulatory |
| kW·h | kilowatogodzina | 2,778·10⁻⁷ | licznik energii elektrycznej |
| cal | kaloria międzynarodowa | 0,2388 | ciepłownictwo, dawne obliczenia |
| kcal | kilokaloria, kaloria żywieniowa | 2,388·10⁻⁴ | etykiety produktów |
| Gcal | gigakaloria | 2,388·10⁻¹⁰ | rachunki za ciepło w Rosji |
| erg | erg, układ CGS | 1·10⁷ | fizyka przed przejściem na SI |
| BTU | brytyjska jednostka ciepła | 9,478·10⁻⁴ | ciepłownictwo anglojęzyczne |
| kG·m | kilogramometr | 0,102 | dawne obliczenia mechaniczne |
Dżul, watosekunda i niutonometr to jedno i to samo. Kilowatogodzina jest wygodniejsza do rachunku za prąd, bo moc urządzeń domowych mierzy się w watach, a czas w godzinach
03 · Rzędy wielkości
od elektronowolta po trzęsienie ziemiJeden dżul — jabłko podniesione o metr
04 · Przyrządy pomiarowe
Czym mierzy się energię
Każdą energię najprościej zamienić w ciepło i zmierzyć po ogrzaniu znanej masy wody. Dokładnie tak działało pierwsze doświadczenie Joule’a i tak samo sprawdza się dziś grzejniki i paliwa — zmieniają się tylko termometry i izolacja.
Mnoży prąd przez napięcie i sumuje wynik w czasie. Tarcza indukcyjna liczyła obroty, urządzenie elektroniczne liczy próbki, ale wielkość jest ta sama — dżule, tyle że pokazane w kilowatogodzinach, których w każdej mieści się trzy i pół miliona.
Poczerniona płytka pochłania promieniowanie i ogrzewa się o tysięczne części stopnia; termometr w niej daje energię. Tak mierzy się moc lasera, strumień słoneczny na stacji meteorologicznej i najsłabsze promieniowanie reliktowe w układach kriogenicznych.
Pocisk grzęźnie w zawieszonym ciężarze, a z wysokości, na jaką ciężar się podniósł, oblicza się jego energię kinetyczną. Metoda jest starsza niż sama jednostka i do dziś służy za sprawdzian wzorcowy w laboratoriach balistycznych.
05 · Zasady zapisu
Wielkie J bez kropki
Oznaczenie pochodzi od nazwiska, dlatego jest wielką literą, a nazwa w tekście pisze się małą: dżul, ale J. Oznaczenie rosyjskie to Дж, z trzech liter, i kropki po nim się nie stawia. Przedrostki dołącza się łącznie: kJ, MJ, GJ.
Moment siły w dżulach to rozpowszechniony i szkodliwy błąd: wielkości są różne, choć wymiar się zgadza. Kaloria i kilowatogodzina zachowują się w wybranych dziedzinach decyzją Międzynarodowego Biura Miar, ale w zapisie naukowym woli się dżul. Znakowanie żywności w Unii Europejskiej musi podawać najpierw kilodżule, a kilokalorie obok, w nawiasie albo w drugim wierszu.
06 · Jednostki sąsiednie
Dżul stoi pośrodku łańcucha: niuton pomnożony przez drogę daje go, a on sam, odniesiony do czasu, daje wat.
W sąsiednich kartach Simetrium: niuton i wat po obu stronach łańcucha, kaloria i kilowatogodzina jako jednostki spoza SI tej samej wielkości, elektronowolt dla fizyki cząstek oraz erg z układu CGS.
07 · Dział historyczny
Jak ciepło przestało być substancją
Panowała teoria nieważkiej substancji przepływającej od gorącego do zimnego. Nieźle tłumaczyła ogrzewanie i stygnięcie, ale nie umiała odpowiedzieć, skąd bierze się ciepło przy tarciu — a wydzielało się go ile dusza zapragnie.
Benjamin Thompson przyglądał się w Monachium rozwiercaniu luf armatnich i zauważył: ciepło wydziela się, dopóki wiertło się kręci, bez żadnej granicy. Substancja by się skończyła, praca nie.
Piwowar z Salford podwiesił ciężarki do łopatkowego mieszadła w zbiorniku z wodą i mierzył ogrzanie z dokładnością do setnych części stopnia. Praca opadającego ciężaru dawała ściśle określoną ilość ciepła — współczynnik przeliczeniowy między dwoma światami.
Nazwę zaproponował Siemens na zjeździe Brytyjskiego Towarzystwa w 1882 roku, a Międzynarodowy Kongres Elektryków utrwalił ją w 1889, jeszcze za życia uczonego. Generalna Konferencja Miar uczyniła dżul jednostką energii, pracy i ciepła naraz, a kaloria została w kuchni i w dawnych podręcznikach.
Jednostka, w której zeszły się trzy skale
Doświadczenie Joule’a było mniej odkryciem niż pomiarem: uzyskał współczynnik przeliczeniowy między pracą a ciepłem i doprowadził go do trzeciego miejsca na przyrządach, w których ogrzanie wynosiło ułamki stopnia. Dokładność wzięła się z izolacji i cierpliwości — serię powtarzano latami. Po uznaniu zasady zachowania energii kalorię określono już nie przez wodę, lecz przez dżul, a jej dzisiejsza wartość — cztery i tysiąc osiemset sześćdziesiąt osiem dziesięciotysięcznych — jest przypisana, a nie zmierzona. Od dwa tysiące dziewiętnastego roku dżul stał się ponadto wielkością dokładną z budowy: stała Plancka jest ustalona liczbą wyrażoną w dżulosekundach, a przez nią określony jest kilogram. Jednostka energii przestała zależeć od jakiejkolwiek substancji, w tym od wody, od której ogrzewania wszystko się kiedyś zaczęło.
Katalog · jednostki miary
Karta dla każdej wielkości
Siedem jednostek podstawowych SI, dwadzieścia dwie pochodne z własnymi nazwami oraz jednostki spoza układu, bez których nie obejdzie się ani technika, ani życie codzienne. Każda ma osobny arkusz: definicja, przeliczanie, przyrządy, zasady zapisu. W 16 językach.
Jednostki pochodne SI z własną nazwą
otwarta karta dżulaJednostki podstawowe SI
terakotą — kilogram, metr i sekunda, z których złożony jest dżulJednostki spoza SI
terakotą — jednostki energii innych układówJęzyk karty
16 języków. Oznaczenie J jest międzynarodowe, ale przyzwyczajenia bywają różne: etykieta europejska stawia kilodżule na pierwszym miejscu, amerykańska podaje tylko kalorie.