Джоуль
Производная единица СИ · величина: энергия, работа, количество теплоты
01 · Определение
Работа силы в один ньютон на пути в один метр. Примерно столько тратится, чтобы поднять яблоко со стола на уровень плеча.
Одно определение обслуживает три величины сразу: работу, энергию и количество теплоты. Так вышло не по небрежности, а по существу — все три превращаются друг в друга без потерь и остатка. До середины девятнадцатого века теплоту считали особым веществом и мерили калориями, работу — килограмм-метрами, и связь между шкалами приходилось устанавливать опытом. Джоуль показал, что связь эта постоянна, и после него отдельные единицы стали ненужными: остался один джоуль на все формы энергии, от поднятого груза до нагретой воды и заряженного конденсатора.
Работа получается, когда сила действует вдоль перемещения; момент — когда сила приложена поперёк плеча и ничего не перемещает. Размерность в обоих случаях килограмм на метр в квадрате за секунду в квадрате, но подменять единицы нельзя: момент затяжки болта пишут в ньютон-метрах, а работу в джоулях, и стандарт это различие закрепляет. Ключ, затянувший болт моментом сорок ньютон-метров, работы почти не совершил — болт повернулся на четверть оборота.
02 · Пересчёт
Джоули, калории, киловатт-часы
Коэффициенты точны по определению, но осторожность нужна с калорией: их несколько, и различаются они в третьем знаке. В таблице использована международная — четыре целых сто восемьдесят шесть тысячных.
Пищевая калория — это на самом деле килокалория, тысяча малых калорий, и в европейской маркировке рядом с ней обязательно стоит значение в килоджоулях. Полторы тысячи килокалорий суточного рациона — это шесть целых три десятых мегаджоуля. Международная калория определена ровно как четыре целых сто восемьдесят шесть тысячных джоуля, термохимическая — как четыре целых сто восемьдесят четыре тысячных, и в расчётах эти две иногда путают.
| Единица | Название | Значение | Где встречается |
|---|---|---|---|
| J | джоуль, единица СИ | 1 | физика и техника |
| kJ | килоджоуль | 0,001 | пищевая маркировка |
| MJ | мегаджоуль | 1·10⁻⁶ | теплотехника |
| GJ | гигаджоуль | 1·10⁻⁹ | счета за отопление |
| W·h | ватт-час | 2,778·10⁻⁴ | аккумуляторы |
| kW·h | киловатт-час | 2,778·10⁻⁷ | счётчик электроэнергии |
| кал | калория международная | 0,2388 | теплотехника, старые расчёты |
| ккал | килокалория, пищевая калория | 2,388·10⁻⁴ | этикетки продуктов |
| Гкал | гигакалория | 2,388·10⁻¹⁰ | счета за тепло в России |
| эрг | эрг, система СГС | 1·10⁷ | физика до перехода на СИ |
| BTU | британская тепловая единица | 9,478·10⁻⁴ | англоязычная теплотехника |
| кгс·м | килограмм-сила-метр | 0,102 | старые механические расчёты |
Джоуль, ватт-секунда и ньютон-метр — одно и то же. Киловатт-час удобнее для счёта за электричество, потому что мощность бытовых приборов измеряется ваттами, а время — часами
03 · Порядки величин
от электронвольта до землетрясенияОдин джоуль — яблоко, поднятое на метр
04 · Приборы измерения
Чем меряют энергию
Любую энергию проще всего превратить в тепло и измерить по нагреву известной массы воды. Именно так работал первый опыт Джоуля, и так же поверяются нагреватели и топливо сегодня — меняются только термометры и теплоизоляция.
Перемножает ток и напряжение и накапливает результат по времени. Индукционный диск считал обороты, электронный считает выборки, но величина одна — джоули, только показанные в киловатт-часах, которых удобнее по три с половиной миллиона в каждом.
Чернёная пластинка поглощает излучение и нагревается на тысячные доли градуса; термометр в ней и даёт энергию. Так меряют мощность лазера, поток солнца на метеостанции и слабейшее реликтовое излучение в криогенных установках.
Пуля вязнет в подвешенном грузе, и по высоте, на которую груз поднялся, вычисляют её кинетическую энергию. Метод старше самой единицы и до сих пор служит эталонной проверкой в баллистических лабораториях.
05 · Правила записи
Прописная J без точки
Обозначение образовано от фамилии, поэтому прописное, а название в тексте пишется со строчной: джоуль, но J. Русское обозначение — Дж, из трёх букв, и точка после него не ставится. Приставки присоединяются слитно: kJ, MJ, GJ.
Момент силы в джоулях — распространённая и вредная ошибка: величины разные, хотя размерность совпадает. Калория и киловатт-час сохраняются в отдельных областях по решению Международного бюро мер и весов, но в научной записи предпочтителен джоуль. Пищевая маркировка в Евросоюзе обязана указывать килоджоули первыми, а килокалории — рядом, в скобках или второй строкой.
06 · Соседние единицы
Джоуль стоит посередине цепочки: ньютон, помноженный на путь, даёт его, а он сам, отнесённый ко времени, даёт ватт.
В соседних паспортах Simetrium: ньютон и ватт по обе стороны цепочки, калория и киловатт-час как внесистемные единицы той же величины, электронвольт для физики частиц и эрг из системы СГС.
07 · Исторический раздел
Как теплота перестала быть веществом
Господствовала теория невесомого вещества, перетекающего от горячего к холодному. Она неплохо объясняла нагрев и охлаждение, но не могла ответить, откуда берётся тепло при трении, — а его выделялось сколько угодно.
Бенджамин Томпсон наблюдал за рассверливанием пушечных стволов в Мюнхене и заметил: тепло выделяется, пока крутится сверло, без всякого предела. Вещество кончилось бы, работа — нет.
Пивовар из Солфорда подвесил гири к лопастной мешалке в бачке с водой и измерял нагрев с точностью до сотых долей градуса. Работа опускающегося груза давала строго определённое количество тепла — переводной коэффициент между двумя мирами.
Название предложил Сименс на съезде Британской ассоциации в 1882 году, а Международный конгресс электриков закрепил его в 1889-м, ещё при жизни учёного. Генеральная конференция по мерам и весам сделала джоуль единицей энергии, работы и теплоты сразу, и калория осталась в кухне и старых учебниках.
Единица, у которой сошлись три шкалы
Опыт Джоуля был не столько открытием, сколько измерением: он получил переводной коэффициент между работой и теплотой и довёл его до третьего знака на приборах, где нагрев составлял доли градуса. Точность далась изоляцией и терпением — серию повторяли годами. После признания закона сохранения энергии калорию определили уже не через воду, а через джоуль, и её сегодняшнее значение — четыре целых сто восемьдесят шесть тысячных — назначено, а не измерено. С двумя тысячами девятнадцатого года джоуль стал ещё и точной величиной по построению: постоянная Планка зафиксирована числом, выраженным в джоуль-секундах, и через неё определён килограмм. Единица энергии перестала зависеть от какого бы то ни было вещества, включая воду, на нагреве которой всё когда-то начиналось.
Каталог · единицы измерения
Паспорт на каждую величину
Семь базовых единиц СИ, двадцать две производные с собственными именами и внесистемные единицы, без которых не обходится ни техника, ни быт. Каждая — отдельный лист: определение, пересчёт, приборы, правила записи. На 16 языках.
Производные СИ с собственным именем
открыт паспорт джоуляБазовые единицы СИ
терракотой — килограмм, метр и секунда, из которых сложен джоульВнесистемные единицы
терракотой — единицы энергии других системЯзык паспорта
16 языков. Обозначение J международное, а вот привычка разная: европейская этикетка ставит килоджоули первыми, американская — только калории.