Joule
James Prescott Joule dirigia a cervejaria da família perto de Manchester e fazia experiências em casa. Em 1845 mergulhou num recipiente com água um agitador de pás. Dois pesos presos a cordões faziam-no girar. Os pesos desciam, as pás giravam e a água aquecia.
O aquecimento era minúsculo, frações de grau. Joule media-o com termómetros nos quais distinguia centésimas de grau. Da experiência concluía-se que trabalho e calor são a mesma coisa sob formas diferentes. Hoje o trabalho, o calor e a energia elétrica têm uma só unidade, o joule. Um joule é o trabalho de uma força de um newton ao longo de um metro. É o que é preciso para levantar uma maçã um metro.
| Notação | J |
| Definição | newton-metro · N·m · kg·m²·s⁻² · watt-segundo |
| Valores de referência | 1 cal — 4,184 J · 1 kWh — 3,6 MJ · 1 eV — 1,602 176 634·10⁻¹⁹ J |
| Introduzida | 1889, Congresso Internacional de Eletricidade · para o calor, CGPM 1948 |
| Normas | ISO 80000-4 · ISO 80000-5 · SI Brochure 9th ed. |
| Valores típicos | 1 J — uma maçã um metro acima · 400 kJ — comer uma maçã · 4,184 GJ — uma tonelada de TNT |
01 · Definição
Um newton ao longo de um metro
O joule é o trabalho realizado por uma força de um newton quando o seu ponto de aplicação se desloca um metro no sentido da força. Em unidades de base do SI, é um quilograma metro quadrado por segundo ao quadrado.
Com a mesma unidade mede-se qualquer energia: cinética, térmica, elétrica, química. Um watt durante um segundo também é um joule. A energia passa de uma forma a outra e a soma mantém-se. Foi exatamente isso que a experiência de Joule mostrou.
Quantos joules custa uma subida
Um objeto é levantado do chão até à altura definida pelo cursor. O preenchimento violeta na régua é o percurso feito. O tracejado marca um metro. O trabalho é igual ao peso vezes a altura e torna-se reserva de energia do objeto. Se o largar, ao bater no chão libertam-se os mesmos joules.
É uma só grandeza com três hábitos. Químicos e nutricionistas contam em calorias: uma caloria aquece um grama de água um grau e vale 4,184 J. Os engenheiros eletrotécnicos contam em quilowatts-hora: um aparelho de um quilowatt gasta 3,6 MJ numa hora. Os físicos escrevem joules. Nas embalagens de alimentos aparecem muitas vezes os dois números, kcal e kJ.
Quantas quedas dos pesos aquecem a água um grau
Dois pesos estão suspensos de cordões que passam por roldanas. Os cordões estão enrolados num tambor que faz girar um agitador num recipiente de cobre com água. Os pesos descem 1,6 m, as pás batem a água e esta aquece. Depois os pesos voltam a subir com o agitador desacoplado. À direita, um termómetro sob uma lupa, com divisões de 0,01 K. Por baixo, duas barras: a violeta é o trabalho dos pesos e a laranja, o calor que entrou na água. A parte cinzenta são as perdas por atrito nas roldanas e o calor que foi para a sala. O botão «Largar» solta os pesos uma vez, e «20 vezes», seguidas, como Joule fazia.
Largue os pesos algumas vezes e veja quanto aquece a água.
02 · Conversão
| Unidade | Valor | Onde aparece |
|---|---|---|
| {n} | {v} | {note} |
A «caloria» das embalagens de alimentos é uma quilocaloria, 4,184 kJ.
Um quilowatt-hora são 3,6 milhões de joules. É o que gasta uma chaleira a ferver um litro de água umas dez vezes.
O eletrão-volt é a energia de um eletrão que atravessou uma diferença de potencial de um volt. Usa-se para átomos e fotões.
03 · Ordens de grandeza
04 · Instrumentos de medição
05 · Regras de escrita
06 · Unidades vizinhas
07 · Secção histórica
Há várias calorias, e todas diferentes. A termoquímica vale exatamente 4,184 J. A internacional, das tabelas de vapor de água, exatamente 4,1868 J. A de quinze graus, que aquece um grama de água de 14,5 a 15,5 °C, cerca de 4,1855 J. A diferença é inferior a um por cento, mas num cálculo rigoroso nota-se.
Por isso, em 1948, a Conferência Geral de Pesos e Medidas decidiu medir o calor em joules e deixar a caloria no passado. O joule é definido através do quilograma, do metro e do segundo e não depende das propriedades da água. A própria experiência de Joule deu 772 pés-libra por unidade térmica britânica, cerca de 4,15 J por caloria. É menos de um por cento abaixo do valor atual.
Catálogo de grandezas
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Uma gota de ácido muda a cor do sumo, o sal tinge a chama, a água congela com uma pancada. Por baixo, todas as fichas do Simetrium, por disciplina e por ordem alfabética.
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