Joule
Odvodená jednotka SI · veličina: energia, práca, množstvo tepla
01 · Definícia
Práca sily jedného newtonu na dráhe jedného metra. Zhruba toľko padne na to, aby človek zdvihol jablko zo stola do výšky ramena.
Jediná definícia obsluhuje tri veličiny naraz: prácu, energiu a množstvo tepla. Nestalo sa to z nedbanlivosti, ale z podstaty veci — všetky tri prechádzajú jedna v druhú bez strát a bezo zvyšku. Do polovice devätnásteho storočia sa teplo pokladalo za osobitnú látku a meralo sa v kalóriách, práca v kilogrammetroch, a vzťah medzi oboma stupnicami bolo treba zisťovať pokusom. Joule ukázal, že tento vzťah je stály, a po ňom sa oddelené jednotky stali zbytočnými: zostal jeden joule pre všetky formy energie, od zdvihnutého závažia po ohriatu vodu a nabitý kondenzátor.
Práca vzniká, keď sila pôsobí pozdĺž posunutia; moment, keď sila pôsobí naprieč ramenu a nič neposúva. Rozmer je v oboch prípadoch kilogram krát meter štvorcový za sekundu na druhú, ale jednotky zamieňať nemožno: uťahovací moment skrutky sa píše v newtonmetroch a práca v jouloch, a norma tento rozdiel udržiava. Kľúč, ktorý utiahol skrutku momentom štyridsiatich newtonmetrov, prácu takmer nevykonal — skrutka sa otočila o štvrť otáčky.
02 · Prevod
Jouly, kalórie, kilowatthodiny
Súčinitele sú z definície presné, ale pri kalórii treba opatrnosť: je ich niekoľko a líšia sa na treťom mieste. V tabuľke je použitá medzinárodná — štyri celé jedna osem šesť osem.
Potravinová kalória je v skutočnosti kilokalória, tisíc malých kalórií, a v európskom označovaní stojí vedľa nej vždy hodnota v kilojouloch. Pätnásťsto kilokalórií dennej dávky je šesť celých tri desatiny megajoulu. Medzinárodná kalória je určená presne ako štyri celé jedna osem šesť osem joulu, termochemická ako štyri celé jedna osem štyri, a vo výpočtoch sa tieto dve občas mýlia.
| Jednotka | Názov | Hodnota | Kde sa vyskytuje |
|---|---|---|---|
| J | joule, jednotka SI | 1 | fyzika a technika |
| kJ | kilojoule | 0,001 | označovanie potravín |
| MJ | megajoule | 1·10⁻⁶ | tepelná technika |
| GJ | gigajoule | 1·10⁻⁹ | účty za vykurovanie |
| W·h | watthodina | 2,778·10⁻⁴ | akumulátory |
| kW·h | kilowatthodina | 2,778·10⁻⁷ | elektromer |
| cal | kalória medzinárodná | 0,2388 | tepelná technika, staršie výpočty |
| kcal | kilokalória, potravinová kalória | 2,388·10⁻⁴ | etikety potravín |
| Gcal | gigakalória | 2,388·10⁻¹⁰ | účty za teplo v Rusku |
| erg | erg, sústava CGS | 1·10⁷ | fyzika pred prechodom na SI |
| BTU | britská tepelná jednotka | 9,478·10⁻⁴ | anglofónna tepelná technika |
| kp·m | kilopondmeter | 0,102 | staršie mechanické výpočty |
Joule, wattsekunda a newtonmeter sú to isté. Kilowatthodina sa lepšie hodí na účet za elektrinu, lebo výkon domácich spotrebičov sa meria vo wattoch a čas v hodinách
03 · Rády veličín
od elektrónvoltu po zemetrasenieJeden joule — jablko zdvihnuté o meter
04 · Meracie prístroje
Čím sa meria energia
Každú energiu je najjednoduchšie premeniť na teplo a zmerať podľa ohrevu známej hmotnosti vody. Presne tak pracoval prvý Joulov pokus a presne tak sa dnes overujú ohrievače a palivá — menia sa len teplomery a izolácia.
Násobí prúd a napätie a výsledok sčítava v čase. Indukčný kotúč počítal otáčky, elektronický prístroj počíta vzorky, ale veličina je tá istá — jouly, len ukázané v kilowatthodinách, do každej z ktorých sa zmestí tri a pol milióna.
Začiernená doštička pohlcuje žiarenie a ohrieva sa o tisíciny stupňa; teplomer v nej potom dáva energiu. Tak sa meria výkon lasera, slnečný tok na meteorologickej stanici aj najslabšie reliktové žiarenie v kryogénnych aparatúrach.
Strela uviazne v zavesenom závaží a z výšky, do ktorej sa závažie zdvihne, sa vypočíta jej kinetická energia. Metóda je staršia než sama jednotka a dodnes slúži ako porovnávacia skúška v balistických laboratóriách.
05 · Pravidlá zápisu
Veľké J bez bodky
Značka je odvodená od priezviska, a preto je veľká, kým názov v texte sa píše malým písmenom: joule, ale J. Ruská značka je Дж, z troch písmen, a bodka za ňou sa nepíše. Predpony sa pripájajú spolu: kJ, MJ, GJ.
Moment sily v jouloch je rozšírená a škodlivá chyba: veličiny sú rôzne, hoci rozmer súhlasí. Kalória a kilowatthodina sa v jednotlivých odboroch zachovávajú rozhodnutím Medzinárodného úradu pre miery a váhy, ale vo vedeckom zápise sa uprednostňuje joule. Označovanie potravín v Európskej únii musí uvádzať najprv kilojouly a kilokalórie vedľa nich, v zátvorke alebo na druhom riadku.
06 · Susedné jednotky
Joule stojí uprostred reťazca: newton vynásobený dráhou ho dáva, a on sám, vztiahnutý na čas, dáva watt.
V susedných listoch Simetria: newton a watt po oboch stranách reťazca, kalória a kilowatthodina ako jednotky mimo SI tej istej veličiny, elektrónvolt pre fyziku častíc a erg zo sústavy CGS.
07 · Historický oddiel
Ako teplo prestalo byť látkou
Vládla teória beztiažovej látky, pretekajúcej od teplého k studenému. Vysvetľovala celkom dobre ohrev aj chladnutie, ale nevedela odpovedať, odkiaľ sa berie teplo pri trení — a toho sa uvoľňovalo koľko kto chcel.
Benjamin Thompson prizeral sa v Mníchove vyvŕtavaniu delových hlavní a všimol si: teplo sa uvoľňuje, kým sa vrták točí, bez akejkoľvek hranice. Látka by sa minula; práca nie.
Sládok zo Salfordu zavesil závažia na lopatkové miešadlo v nádobe s vodou a meral ohrev s presnosťou na stotiny stupňa. Práca klesajúceho závažia dávala presne určené množstvo tepla — prevodný súčiniteľ medzi dvoma svetmi.
Názov navrhol Siemens na zjazde Britskej asociácie roku 1882 a Medzinárodný kongres elektrotechnikov ho potvrdil roku 1889, ešte za vedcovho života. Generálna konferencia pre miery a váhy urobila z joulu jednotku energie, práce aj tepla naraz a kalória zostala v kuchyni a v starých učebniciach.
Jednotka, v ktorej sa zišli tri stupnice
Joulov pokus bol menej objavom než meraním: získal prevodný súčiniteľ medzi prácou a teplom a doviedol ho na tretie miesto na prístrojoch, kde ohrev predstavoval zlomky stupňa. Presnosť priniesla izolácia a trpezlivosť — sériu opakoval roky. Po uznaní zákona zachovania energie bola kalória určená už nie cez vodu, ale cez joule, a jej dnešná hodnota — štyri celé jedna osem šesť osem — je stanovená, nie zmeraná. Od dvetisícdevätnásť je joule navyše veličinou presnou svojou stavbou: Planckova konštanta je stanovená číslom vyjadreným v joulesekundách a jej prostredníctvom je určený kilogram. Jednotka energie prestala závisieť od akejkoľvek látky vrátane vody, ohrevom ktorej sa kedysi všetko začalo.
Katalóg · meracie jednotky
List pre každú veličinu
Sedem základných jednotiek SI, dvadsaťdva odvodených s vlastnými názvami a jednotky mimo sústavy, bez ktorých sa nezaobíde technika ani bežný život. Každá má svoj list: definícia, prevod, prístroje, pravidlá zápisu. V 16 jazykoch.
Odvodené jednotky SI s vlastným názvom
otvorený list jouluZákladné jednotky SI
terakotou — kilogram, meter a sekunda, z ktorých je joule zloženýJednotky mimo SI
terakotou — jednotky energie iných sústavJazyk listu
16 jazykov. Značka J je medzinárodná, ale zvyklosti sa líšia: európska etiketa uvádza najprv kilojouly, americká len kalórie.