Джоуль
Джеймс Прескотт Джоуль управлял семейной пивоварней под Манчестером и ставил опыты дома. В 1845 году он опустил в сосуд с водой мешалку с лопатками. Её вращали два груза на шнурах. Грузы опускались, лопатки крутились, вода нагревалась.
Нагрев был крошечным, доли градуса. Джоуль мерил его термометрами, на которых различал сотые доли градуса. Из опыта следовало, что работа и теплота — одно и то же в разных видах. Сегодня у работы, тепла и электрической энергии одна единица — джоуль. Один джоуль — это работа силы в один ньютон на пути в один метр. Столько нужно, чтобы поднять яблоко на метр.
| Обозначение | J |
| Определение | ньютон-метр · N·m · kg·m²·s⁻² · ватт-секунда |
| Опорные значения | 1 cal — 4,184 J · 1 kWh — 3,6 MJ · 1 eV — 1,602 176 634·10⁻¹⁹ J |
| Введена | 1889, Международный электрический конгресс · для теплоты — CGPM 1948 |
| Стандарты | ISO 80000-4 · ISO 80000-5 · SI Brochure 9th ed. |
| Типичные значения | 1 J — яблоко на метр вверх · 400 kJ — съесть яблоко · 4,184 GJ — тонна тротила |
01 · Определение
Ньютон на метр пути
Джоуль — работа, которую совершает сила в один ньютон, когда точка её приложения сдвигается на один метр вдоль силы. В основных единицах СИ это килограмм на метр в квадрате на секунду в квадрате.
Той же единицей меряют любую энергию: кинетическую, тепловую, электрическую, химическую. Ватт за секунду — тоже джоуль. Энергия переходит из одного вида в другой, а сумма остаётся прежней. Именно это и показал опыт Джоуля.
Сколько джоулей уходит на подъём
Предмет поднимают с пола на высоту, которую задаёт ползунок. Фиолетовая заливка на линейке — пройденный путь. Пунктир — один метр. Работа равна весу, умноженному на высоту, и становится запасом энергии предмета. Если его отпустить, при ударе об пол выделятся те же джоули.
Это одна величина в трёх привычках. Химики и диетологи считают в калориях: калория нагревает грамм воды на градус и равна 4,184 J. Энергетики считают в киловатт-часах: прибор мощностью в киловатт за час тратит 3,6 MJ. Физики пишут джоули. На упаковке еды часто стоят обе цифры, kcal и kJ.
Сколько раз уронить груз, чтобы нагреть воду на градус
Два груза висят на шнурах, перекинутых через блоки. Шнуры намотаны на барабан, который вращает мешалку в медном сосуде с водой. Грузы опускаются на 1,6 m, лопатки взбивают воду, и она нагревается. Потом грузы поднимают обратно, а мешалку отцепляют. Справа термометр под лупой: деления по 0,01 K. Под ним два столбика: фиолетовый — работа грузов, оранжевый — тепло, которое попало в воду. Серая часть — потери на трение в блоках и тепло, ушедшее в комнату. Кнопка «Уронить» отпускает грузы один раз, «20 раз» — подряд, как у Джоуля.
Уроните грузы несколько раз и посмотрите, на сколько нагреется вода.
02 · Пересчёт
| Единица | Значение | Где встречается |
|---|---|---|
| {n} | {v} | {note} |
Пищевая «калория» на упаковке — это килокалория, 4,184 kJ.
Киловатт-час — 3,6 миллиона джоулей. Столько тратит чайник примерно за десять кипячений литра воды.
Электронвольт — энергия электрона, прошедшего разность потенциалов в один вольт. Он нужен для атомов и фотонов.
03 · Порядки величин
04 · Приборы измерения
05 · Правила записи
06 · Соседние единицы
07 · Исторический раздел
Калорий несколько, и все разные. Термохимическая равна ровно 4,184 J. Международная, из таблиц водяного пара, — ровно 4,1868 J. Пятнадцатиградусная, которая нагревает грамм воды от 14,5 до 15,5 °C, — около 4,1855 J. Разница меньше процента, но в точном расчёте её видно.
Поэтому в 1948 году Генеральная конференция по мерам и весам решила мерить теплоту в джоулях, а калорию оставить в прошлом. Джоуль задан через килограмм, метр и секунду и не зависит от свойств воды. Опыт самого Джоуля дал 772 фута-фунта на британскую единицу теплоты, около 4,15 J на калорию. Это меньше процента от сегодняшнего значения.
Каталог величин
весь указатель →Семь основных единиц СИ
Капля кислоты меняет цвет сока, соль красит пламя, вода замерзает от стука. Под ними — все листы Simetrium по дисциплинам и по алфавиту.
Открыть указатель →