Joule
Unitate SI derivată · mărime: energie, lucru mecanic, cantitate de căldură
01 · Definiție
Lucrul mecanic al unei forțe de un newton pe un drum de un metru. Aproximativ atât se cheltuiește ca să ridici un măr de pe masă până la nivelul umărului.
O singură definiție servește trei mărimi deodată: lucrul mecanic, energia și cantitatea de căldură. Nu s-a întâmplat din neglijență, ci din însăși natura lucrurilor — toate trei se transformă una în alta fără pierdere și fără rest. Până la mijlocul secolului al XIX-lea căldura era socotită o substanță aparte și se măsura în calorii, lucrul mecanic în kilogram-metri, iar legătura dintre scări trebuia stabilită prin experiment. Joule a arătat că această legătură este constantă, iar după el unitățile separate au devenit inutile: a rămas un singur joule pentru toate formele de energie, de la o greutate ridicată la apa încălzită și la condensatorul încărcat.
Lucrul mecanic apare când forța acționează de-a lungul deplasării; momentul, când forța este aplicată transversal pe braț și nu deplasează nimic. Dimensiunea este în ambele cazuri kilogram ori metru pătrat pe secundă la pătrat, dar unitățile nu pot fi înlocuite una cu alta: momentul de strângere al unui șurub se scrie în newton-metri, iar lucrul mecanic în jouli, și standardul păstrează această deosebire. O cheie care a strâns un șurub cu patruzeci de newton-metri aproape că nu a efectuat lucru mecanic — șurubul s-a rotit un sfert de tură.
02 · Conversie
Jouli, calorii, kilowatt-ore
Factorii sunt exacți prin definiție, dar cu caloria e nevoie de prudență: sunt mai multe și diferă la a treia cifră. În tabel este folosită cea internațională — patru virgulă unu opt șase opt.
Caloria alimentară este de fapt o kilocalorie, o mie de calorii mici, iar în etichetarea europeană alături de ea stă întotdeauna valoarea în kilojouli. O mie cinci sute de kilocalorii de rație zilnică înseamnă șase virgulă trei megajouli. Caloria internațională este definită ca exact patru virgulă unu opt șase opt jouli, cea termochimică drept patru virgulă unu opt patru, iar în calcule cele două se confundă uneori.
| Unitate | Nume | Valoare | Unde apare |
|---|---|---|---|
| J | joule, unitate SI | 1 | fizică și tehnică |
| kJ | kilojoule | 0,001 | etichetarea alimentelor |
| MJ | megajoule | 1·10⁻⁶ | termotehnică |
| GJ | gigajoule | 1·10⁻⁹ | facturi de încălzire |
| W·h | wattoră | 2,778·10⁻⁴ | acumulatoare |
| kW·h | kilowatt-oră | 2,778·10⁻⁷ | contorul electric |
| cal | caloria internațională | 0,2388 | termotehnică, calcule vechi |
| kcal | kilocalorie, caloria alimentară | 2,388·10⁻⁴ | etichetele produselor |
| Gcal | gigacalorie | 2,388·10⁻¹⁰ | facturi de căldură în Rusia |
| erg | erg, sistemul CGS | 1·10⁷ | fizica înainte de SI |
| BTU | unitatea termică britanică | 9,478·10⁻⁴ | termotehnica anglofonă |
| kgf·m | kilogram-forță-metru | 0,102 | calcule mecanice vechi |
Joule, wattsecunda și newton-metrul sunt unul și același lucru. Kilowatt-ora se potrivește mai bine facturii de electricitate, fiindcă puterea aparatelor casnice se măsoară în wați, iar timpul în ore
03 · Ordine de mărime
de la electronvolt la cutremurUn joule — un măr ridicat cu un metru
04 · Instrumente de măsură
Cu ce se măsoară energia
Cel mai simplu este să prefaci orice energie în căldură și să o măsori după încălzirea unei mase cunoscute de apă. Exact așa a funcționat primul experiment al lui Joule și exact așa se verifică azi încălzitoarele și combustibilii — se schimbă doar termometrele și izolația.
Înmulțește curentul cu tensiunea și adună rezultatul în timp. Discul de inducție număra rotații, aparatul electronic numără eșantioane, dar mărimea este aceeași — jouli, doar arătați în kilowatt-ore, în fiecare dintre care intră trei milioane și jumătate.
O plăcuță înnegrită absoarbe radiația și se încălzește cu miimi de grad; termometrul din ea dă energia. Așa se măsoară puterea unui laser, fluxul solar la o stație meteo și cea mai slabă radiație de fond în montaje criogenice.
Glonțul se înfige într-o greutate suspendată, iar din înălțimea la care aceasta se ridică i se calculează energia cinetică. Metoda este mai veche decât unitatea însăși și servește și azi drept verificare de referință în laboratoarele de balistică.
05 · Reguli de scriere
J majuscul, fără punct
Simbolul vine de la un nume de familie și de aceea este majuscul, în timp ce numele în text se scrie cu minusculă: joule, dar J. Simbolul rusesc este Дж, din trei litere, și nu se pune punct după el. Prefixele se alipesc fără spațiu: kJ, MJ, GJ.
Momentul forței exprimat în jouli este o greșeală răspândită și dăunătoare: mărimile sunt diferite, deși dimensiunea coincide. Caloria și kilowatt-ora se păstrează în anumite domenii prin hotărârea Biroului Internațional de Măsuri și Greutăți, dar în scrierea științifică se preferă joule. Etichetarea alimentelor în Uniunea Europeană trebuie să indice mai întâi kilojoulii, iar kilocaloriile alături, în paranteze sau pe un al doilea rând.
06 · Unități vecine
Joule stă la mijlocul unui lanț: newtonul înmulțit cu drumul îl dă, iar el însuși, raportat la timp, dă wattul.
În fișele vecine din Simetrium: newton și watt de o parte și de alta a lanțului, calorie și kilowatt-oră ca unități din afara SI ale aceleiași mărimi, electronvolt pentru fizica particulelor, și erg din sistemul CGS.
07 · Secțiune istorică
Cum a încetat căldura să fie o substanță
Domnea teoria unei substanțe imponderabile care curge de la cald la rece. Explica destul de bine încălzirea și răcirea, dar nu putea spune de unde vine căldura din frecare — iar din aceasta se degaja oricât.
Benjamin Thompson privea la München alezarea țevilor de tun și a observat: căldura se degajă cât timp se rotește burghiul, fără nicio limită. O substanță s-ar fi terminat; lucrul mecanic, nu.
Un berar din Salford a atârnat greutăți de un agitator cu palete într-un vas cu apă și a măsurat încălzirea cu precizie de sutimi de grad. Lucrul mecanic al greutății care cobora dădea o cantitate de căldură strict determinată — factorul de conversie între două lumi.
Numele a fost propus de Siemens la reuniunea Asociației Britanice din 1882, iar Congresul Internațional al Electricienilor l-a consfințit în 1889, încă din timpul vieții savantului. Conferința Generală de Măsuri și Greutăți a făcut din joule unitatea energiei, a lucrului mecanic și a căldurii deodată, iar caloria a rămas în bucătărie și în manualele vechi.
Unitatea în care s-au întâlnit trei scări
Experimentul lui Joule a fost mai puțin o descoperire cât o măsurătoare: a obținut factorul de conversie între lucru mecanic și căldură și l-a dus până la a treia cifră pe aparate în care încălzirea era de fracțiuni de grad. Precizia a venit din izolație și răbdare — seria a fost repetată ani la rând. După recunoașterea legii conservării energiei, caloria a fost definită nu prin apă, ci prin joule, iar valoarea ei de azi — patru virgulă unu opt șase opt — este atribuită, nu măsurată. Din două mii nouăsprezece joule a devenit, pe deasupra, o mărime exactă prin construcție: constanta lui Planck este fixată ca un număr exprimat în jouli-secundă, iar prin ea este definit kilogramul. Unitatea de energie a încetat să depindă de vreo substanță oarecare, inclusiv de apa cu a cărei încălzire a început cândva totul.
Catalog · unități de măsură
O fișă pentru fiecare mărime
Șapte unități fundamentale SI, douăzeci și două derivate cu nume propriu și unitățile din afara sistemului fără de care nu se descurcă nici tehnica, nici viața de zi cu zi. Fiecare are foaia ei: definiție, conversie, instrumente, reguli de scriere. În 16 de limbi.
Unități SI derivate cu nume propriu
fișa joule-ului este deschisăUnități fundamentale SI
cu teracotă — kilogramul, metrul și secunda, din care este alcătuit jouleUnități din afara SI
cu teracotă — unități de energie din alte sistemeLimba fișei
16 de limbi. Simbolul J este internațional, dar obiceiul diferă: eticheta europeană pune întâi kilojoulii, cea americană dă numai calorii.