Joule
Unidade derivada do SI · grandeza: energia, trabalho, quantidade de calor
01 · Definição
O trabalho de uma força de um newton ao longo de um metro. Sensivelmente o que custa levantar uma maçã da mesa até à altura do ombro.
Uma só definição serve três grandezas ao mesmo tempo: o trabalho, a energia e a quantidade de calor. Não foi por descuido, mas pelo fundo da questão — as três convertem-se umas nas outras sem perda nem resto. Até meados do século dezanove o calor era tido por uma substância particular e media-se em calorias, o trabalho em quilogrâmetros, e a ligação entre as duas escalas tinha de ser estabelecida pela experiência. Joule mostrou que essa ligação é constante, e depois dele as unidades separadas tornaram-se desnecessárias: ficou um joule para todas as formas de energia, do peso levantado à água aquecida e ao condensador carregado.
O trabalho surge quando a força actua ao longo do deslocamento; o momento, quando a força é aplicada transversalmente ao braço e nada desloca. A dimensão é nos dois casos quilograma vezes metro quadrado por segundo ao quadrado, mas as unidades não podem ser trocadas: o momento de aperto de um parafuso escreve-se em newtons-metro e o trabalho em joules, e a norma fixa essa distinção. Uma chave que apertou um parafuso a quarenta newtons-metro quase não realizou trabalho — o parafuso rodou um quarto de volta.
02 · Conversão
Joules, calorias, quilowatt-horas
Os factores são exactos por definição, mas com a caloria é preciso cuidado: existem várias e diferem na terceira casa. Na tabela usa-se a internacional — quatro vírgula um oito seis oito.
A caloria alimentar é na verdade uma quilocaloria, mil calorias pequenas, e na rotulagem europeia está sempre ao seu lado o valor em quilojoules. Mil e quinhentas quilocalorias de ração diária são seis vírgula três megajoules. A caloria internacional está definida como exactamente quatro vírgula um oito seis oito joules e a termoquímica como quatro vírgula um oito quatro; nos cálculos as duas por vezes confundem-se.
| Unidade | Nome | Valor | Onde aparece |
|---|---|---|---|
| J | joule, unidade do SI | 1 | física e engenharia |
| kJ | quilojoule | 0,001 | rotulagem alimentar |
| MJ | megajoule | 1·10⁻⁶ | termotecnia |
| GJ | gigajoule | 1·10⁻⁹ | facturas de aquecimento |
| W·h | watt-hora | 2,778·10⁻⁴ | baterias |
| kW·h | quilowatt-hora | 2,778·10⁻⁷ | o contador de electricidade |
| cal | caloria internacional | 0,2388 | termotecnia, cálculos antigos |
| kcal | quilocaloria, a caloria alimentar | 2,388·10⁻⁴ | rótulos de alimentos |
| Gcal | gigacaloria | 2,388·10⁻¹⁰ | facturas de calor na Rússia |
| erg | erg, sistema CGS | 1·10⁷ | física antes do SI |
| BTU | unidade térmica britânica | 9,478·10⁻⁴ | termotecnia anglófona |
| kgf·m | quilogrâmetro | 0,102 | cálculos mecânicos antigos |
O joule, o watt-segundo e o newton-metro são a mesma coisa. O quilowatt-hora dá mais jeito para a factura da electricidade, porque a potência dos aparelhos se mede em watts e o tempo em horas
03 · Ordens de grandeza
do electrão-volt ao sismoUm joule — uma maçã levantada um metro
04 · Instrumentos de medição
Com que se mede a energia
O mais simples é converter qualquer energia em calor e medi-la pelo aquecimento de uma massa de água conhecida. Foi exactamente assim que funcionou a primeira experiência de Joule, e é assim que hoje se verificam aquecedores e combustíveis — mudam apenas os termómetros e o isolamento.
Multiplica a corrente pela tensão e acumula o resultado ao longo do tempo. O disco de indução contava rotações, o aparelho electrónico conta amostras, mas a grandeza é a mesma — joules, apenas mostrados em quilowatt-horas, dos quais cabem três milhões e meio em cada um.
Uma placa enegrecida absorve a radiação e aquece uns milésimos de grau; o termómetro que traz dentro dá a energia. É assim que se mede a potência de um laser, o fluxo solar numa estação meteorológica e a mais ténue radiação de fundo em montagens criogénicas.
A bala fica presa num bloco suspenso, e pela altura a que esse bloco sobe calcula-se a sua energia cinética. O método é mais antigo do que a própria unidade e ainda serve de verificação de referência nos laboratórios de balística.
05 · Regras de escrita
J maiúsculo, sem ponto
O símbolo vem de um apelido e por isso é maiúsculo, ao passo que o nome no texto se escreve com minúscula: joule, mas J. O símbolo russo é Дж, de três letras, e não leva ponto a seguir. Os prefixos juntam-se sem espaço: kJ, MJ, GJ.
Dar o momento em joules é um erro difundido e nocivo: as grandezas diferem embora a dimensão coincida. A caloria e o quilowatt-hora mantêm-se em certos domínios por decisão do Gabinete Internacional de Pesos e Medidas, mas a escrita científica prefere o joule. A rotulagem alimentar na União Europeia é obrigada a indicar primeiro os quilojoules e as quilocalorias ao lado, entre parênteses ou numa segunda linha.
06 · Unidades vizinhas
O joule está no meio de uma cadeia: o newton multiplicado pelo percurso dá-o, e ele próprio, referido ao tempo, dá o watt.
Nas fichas vizinhas do Simetrium: newton e watt de ambos os lados da cadeia, caloria e quilowatt-hora como unidades fora do SI da mesma grandeza, electrão-volt para a física de partículas, e erg do sistema CGS.
07 · Secção histórica
Como o calor deixou de ser uma substância
Dominava a teoria de uma substância imponderável que fluía do quente para o frio. Explicava bastante bem o aquecimento e o arrefecimento, mas não sabia dizer de onde vinha o calor do atrito — e desse libertava-se quanto se quisesse.
Benjamin Thompson assistia em Munique à furação de tubos de canhão e reparou: o calor liberta-se enquanto a broca gira, sem limite algum. Uma substância ter-se-ia esgotado; o trabalho, não.
Um cervejeiro de Salford pendurou pesos num agitador de pás dentro de um depósito de água e mediu o aquecimento com a precisão de centésimos de grau. O trabalho do peso que descia dava uma quantidade de calor rigorosamente determinada — o factor de conversão entre dois mundos.
O nome foi proposto por Siemens na reunião da Associação Britânica de 1882, e o Congresso Internacional de Electricistas consagrou-o em 1889, ainda em vida do cientista. A Conferência Geral de Pesos e Medidas fez do joule a unidade da energia, do trabalho e do calor ao mesmo tempo, e a caloria ficou para a cozinha e para os manuais antigos.
A unidade onde três escalas se encontraram
A experiência de Joule foi menos uma descoberta do que uma medição: obteve o factor de conversão entre trabalho e calor e levou-o à terceira casa em aparelhos onde o aquecimento era de fracções de grau. O rigor conseguiu-se com isolamento e paciência — a série foi repetida durante anos. Depois de aceite a conservação da energia, a caloria passou a ser definida já não pela água mas pelo joule, e o seu valor de hoje — quatro vírgula um oito seis oito — é atribuído, não medido. Desde dois mil e dezanove o joule é ainda uma grandeza exacta por construção: a constante de Planck está fixada como um número expresso em joules-segundo, e através dela define-se o quilograma. A unidade de energia deixou de depender de substância alguma, incluindo a água com cujo aquecimento tudo um dia começou.
Catálogo · unidades de medida
Uma ficha para cada grandeza
Sete unidades de base do SI, vinte e duas derivadas com nome próprio e as unidades fora do sistema sem as quais não passam nem a técnica nem o dia a dia. Cada uma tem a sua folha: definição, conversão, instrumentos, regras de escrita. Em 16 idiomas.
Unidades derivadas do SI com nome próprio
ficha do joule abertaUnidades de base do SI
a terracota: o quilograma, o metro e o segundo, de que o joule é compostoUnidades fora do SI
a terracota: unidades de energia de outros sistemasIdioma da ficha
16 línguas. O símbolo J é internacional, mas o hábito difere: o rótulo europeu põe os quilojoules em primeiro lugar, o americano dá apenas calorias.