จูล
หน่วยอนุพัทธ์ SI · ปริมาณ: พลังงาน งาน ปริมาณความร้อน
01 · นิยาม
งานของแรงหนึ่งนิวตันบนระยะทางหนึ่งเมตร ราวเท่านี้ที่ใช้ไปเมื่อยกแอปเปิลจากโต๊ะขึ้นถึงระดับไหล่
นิยามเดียวรับใช้ปริมาณสามอย่างพร้อมกัน คืองาน พลังงาน และปริมาณความร้อน มิใช่เพราะความเลินเล่อ แต่เพราะเนื้อแท้ของเรื่อง ทั้งสามแปลงกลับไปมาได้โดยไม่สูญเสียและไม่เหลือเศษ จนถึงกลางคริสต์ศตวรรษที่สิบเก้า ความร้อนถูกถือว่าเป็นสารชนิดพิเศษและวัดด้วยแคลอรี ส่วนงานวัดด้วยกิโลกรัมเมตร และความสัมพันธ์ระหว่างสองมาตราต้องหามาด้วยการทดลอง จูลแสดงว่าความสัมพันธ์นั้นคงที่ หลังจากเขาหน่วยที่แยกกันก็หมดความจำเป็น เหลือจูลเดียวสำหรับพลังงานทุกรูปแบบ ตั้งแต่ก้อนน้ำหนักที่ถูกยกขึ้น ไปจนถึงน้ำที่ร้อนขึ้นและตัวเก็บประจุที่มีประจุอยู่
งานเกิดขึ้นเมื่อแรงกระทำไปตามการกระจัด ส่วนโมเมนต์เกิดเมื่อแรงกระทำขวางกับแขนและไม่เคลื่อนอะไรเลย มิติในทั้งสองกรณีคือกิโลกรัมคูณเมตรกำลังสองต่อวินาทีกำลังสอง แต่จะสลับหน่วยกันไม่ได้ โมเมนต์ขันสลักเกลียวเขียนเป็นนิวตันเมตร ส่วนงานเขียนเป็นจูล และมาตรฐานยึดข้อแตกต่างนี้ไว้ ประแจที่ขันสลักด้วยโมเมนต์สี่สิบนิวตันเมตรแทบไม่ได้ทำงานเลย เพราะสลักหมุนไปเพียงหนึ่งในสี่รอบ
02 · การแปลงหน่วย
จูล แคลอรี กิโลวัตต์ชั่วโมง
สัมประสิทธิ์เหล่านี้แม่นยำโดยนิยาม แต่กับแคลอรีต้องระวัง เพราะมีหลายชนิดและต่างกันที่หลักที่สาม ในตารางใช้แคลอรีสากล คือสี่จุดหนึ่งแปดหกแปด
แคลอรีในอาหารแท้จริงคือกิโลแคลอรี หนึ่งพันแคลอรีเล็ก และในฉลากยุโรปข้าง ๆ มันย่อมมีค่าเป็นกิโลจูลกำกับเสมอ อาหารวันละหนึ่งพันห้าร้อยกิโลแคลอรีคือหกจุดสามเมกะจูล แคลอรีสากลนิยามไว้พอดีที่สี่จุดหนึ่งแปดหกแปดจูล ส่วนแคลอรีเทอร์โมเคมีอยู่ที่สี่จุดหนึ่งแปดสี่ และในการคำนวณสองค่านี้บางครั้งก็ถูกสับสน
| หน่วย | ชื่อ | ค่า | พบที่ใด |
|---|---|---|---|
| J | จูล หน่วย SI | 1 | ฟิสิกส์และวิศวกรรม |
| kJ | กิโลจูล | 0.001 | ฉลากอาหาร |
| MJ | เมกะจูล | 1·10⁻⁶ | วิศวกรรมความร้อน |
| GJ | กิกะจูล | 1·10⁻⁹ | ค่าทำความอบอุ่น |
| W·h | วัตต์ชั่วโมง | 2.778·10⁻⁴ | แบตเตอรี |
| kW·h | กิโลวัตต์ชั่วโมง | 2.778·10⁻⁷ | มิเตอร์ไฟฟ้า |
| cal | แคลอรีสากล | 0.2388 | วิศวกรรมความร้อน การคำนวณแบบเก่า |
| kcal | กิโลแคลอรี แคลอรีในอาหาร | 2.388·10⁻⁴ | ฉลากสินค้า |
| Gcal | กิกะแคลอรี | 2.388·10⁻¹⁰ | ค่าความร้อนในรัสเซีย |
| erg | เอิร์ก ระบบ CGS | 1·10⁷ | ฟิสิกส์ก่อน SI |
| BTU | หน่วยความร้อนบริติช | 9.478·10⁻⁴ | วิศวกรรมความร้อนในโลกที่ใช้ภาษาอังกฤษ |
| kgf·m | กิโลกรัมแรงเมตร | 0.102 | การคำนวณกลศาสตร์แบบเก่า |
จูล วัตต์วินาที และนิวตันเมตรคือสิ่งเดียวกัน กิโลวัตต์ชั่วโมงสะดวกกว่าในบิลค่าไฟ เพราะกำลังของเครื่องใช้ในบ้านวัดเป็นวัตต์ และเวลาวัดเป็นชั่วโมง
03 · อันดับของขนาด
จากอิเล็กตรอนโวลต์ถึงแผ่นดินไหวหนึ่งจูล — แอปเปิลที่ถูกยกขึ้นหนึ่งเมตร
04 · เครื่องมือวัด
วัดพลังงานด้วยอะไร
พลังงานใด ๆ ง่ายที่สุดคือเปลี่ยนเป็นความร้อนแล้ววัดจากการที่น้ำมวลที่ทราบค่าร้อนขึ้น การทดลองแรกของจูลทำงานอย่างนี้พอดี และเครื่องทำความร้อนกับเชื้อเพลิงทุกวันนี้ก็ตรวจสอบอย่างนี้ ที่เปลี่ยนไปมีเพียงเทอร์มอมิเตอร์และฉนวน
มันคูณกระแสกับแรงดันแล้วสะสมผลลัพธ์ไปตามเวลา จานเหนี่ยวนำเคยนับรอบ เครื่องอิเล็กทรอนิกส์นับตัวอย่าง แต่ปริมาณเป็นอย่างเดียวกัน คือจูล เพียงแสดงเป็นกิโลวัตต์ชั่วโมง ซึ่งแต่ละหน่วยบรรจุสามล้านห้าแสนจูล
แผ่นที่รมดำดูดกลืนรังสีแล้วร้อนขึ้นเพียงหนึ่งในพันขององศา เทอร์มอมิเตอร์ในแผ่นนั้นเองที่ให้ค่าพลังงาน กำลังของเลเซอร์ ฟลักซ์ของดวงอาทิตย์ที่สถานีอุตุนิยมวิทยา และรังสีพื้นหลังที่อ่อนที่สุดในชุดทดลองเย็นยิ่งยวด ล้วนวัดด้วยวิธีนี้
กระสุนฝังในก้อนน้ำหนักที่แขวนไว้ แล้วคำนวณพลังงานจลน์ของมันจากความสูงที่ก้อนนั้นยกขึ้น วิธีนี้เก่าแก่กว่าตัวหน่วยเอง และยังใช้เป็นการตรวจเทียบมาตรฐานในห้องปฏิบัติการวิถีกระสุนจนทุกวันนี้
05 · กฎการเขียน
J ตัวใหญ่ ไม่มีจุด
สัญลักษณ์มาจากนามสกุลจึงเป็นตัวใหญ่ ขณะที่ชื่อในเนื้อความเขียนด้วยตัวเล็ก คือ joule แต่สัญลักษณ์คือ J สัญลักษณ์ภาษารัสเซียคือ Дж สามตัวอักษร และไม่ใส่จุดตามหลัง คำอุปสรรคเขียนติดกัน: kJ, MJ, GJ
การเขียนโมเมนต์ของแรงเป็นจูลเป็นความผิดที่แพร่หลายและเป็นโทษ ปริมาณต่างกันแม้มิติจะตรงกัน แคลอรีและกิโลวัตต์ชั่วโมงยังคงอยู่ในบางสาขาตามมติของสำนักงานชั่งตวงวัดระหว่างประเทศ แต่ในการเขียนทางวิทยาศาสตร์นิยมใช้จูล ฉลากอาหารในสหภาพยุโรปต้องระบุกิโลจูลก่อน แล้วจึงระบุกิโลแคลอรีข้างกัน ในวงเล็บหรือในบรรทัดที่สอง
06 · หน่วยข้างเคียง
จูลอยู่กลางห่วงโซ่ นิวตันคูณด้วยระยะทางให้จูล และจูลเทียบกับเวลาก็ให้วัตต์
ในแผ่นข้อมูลข้างเคียงของ Simetrium: นิวตัน และ วัตต์ ทั้งสองข้างของห่วงโซ่ แคลอรี และ กิโลวัตต์ชั่วโมง ในฐานะหน่วยนอกระบบ SI ของปริมาณเดียวกัน อิเล็กตรอนโวลต์ สำหรับฟิสิกส์อนุภาค และ erg จากระบบ CGS
07 · ภาคประวัติ
ความร้อนเลิกเป็นสารได้อย่างไร
ทฤษฎีที่ครองอยู่คือสารไร้น้ำหนักที่ไหลจากที่ร้อนไปสู่ที่เย็น มันอธิบายการร้อนขึ้นและการเย็นลงได้ไม่เลว แต่ตอบไม่ได้ว่าความร้อนจากการเสียดสีมาจากไหน และความร้อนนั้นก็ออกมาได้ไม่รู้จบ
เบนจามิน ทอมป์สันเฝ้าดูการคว้านลำกล้องปืนใหญ่ที่มิวนิกแล้วสังเกตว่า ความร้อนออกมาตราบที่ดอกสว่านยังหมุน โดยไม่มีขีดจำกัดใด ๆ ถ้าเป็นสารก็ย่อมหมดไป แต่งานไม่หมด
ช่างต้มเบียร์จากซอลฟอร์ดแขวนตุ้มน้ำหนักไว้กับเครื่องกวนใบพัดในถังน้ำ แล้ววัดการร้อนขึ้นด้วยความละเอียดถึงหนึ่งในร้อยขององศา งานของตุ้มที่ลดลงให้ปริมาณความร้อนที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด นั่นคือสัมประสิทธิ์แปลงค่าระหว่างสองโลก
ชื่อนี้ซีเมนส์เสนอในที่ประชุมสมาคมบริติชเมื่อปี 1882 และการประชุมช่างไฟฟ้าระหว่างประเทศรับรองในปี 1889 ขณะที่นักวิทยาศาสตร์ผู้นั้นยังมีชีวิตอยู่ ที่ประชุมใหญ่ว่าด้วยการชั่งตวงวัดทำให้จูลเป็นหน่วยของพลังงาน งาน และความร้อนพร้อมกันทีเดียว ส่วนแคลอรีก็เหลืออยู่ในครัวและในตำราเก่า
หน่วยที่สามมาตรามาบรรจบกัน
การทดลองของจูลมิใช่การค้นพบเท่ากับเป็นการวัด เขาได้สัมประสิทธิ์แปลงค่าระหว่างงานกับความร้อน และผลักมันไปถึงหลักที่สามบนเครื่องมือที่การร้อนขึ้นเป็นเพียงเศษส่วนขององศา ความแม่นยำได้มาจากฉนวนและความอดทน ชุดการทดลองนี้ทำซ้ำอยู่หลายปี เมื่อกฎการอนุรักษ์พลังงานได้รับการยอมรับ แคลอรีก็ถูกนิยามไม่ใช่ผ่านน้ำอีกต่อไป แต่ผ่านจูล และค่าปัจจุบันของมัน คือสี่จุดหนึ่งแปดหกแปด นั้นถูกกำหนดไว้ ไม่ได้วัดเอา ตั้งแต่ปีสองพันสิบเก้า จูลยังกลายเป็นปริมาณที่แม่นยำโดยโครงสร้างด้วย ค่าคงตัวของพลังค์ถูกตรึงไว้เป็นจำนวนที่แสดงเป็นจูลวินาที และกิโลกรัมก็นิยามผ่านค่านั้น หน่วยของพลังงานจึงเลิกขึ้นกับสารใด ๆ รวมทั้งน้ำที่ครั้งหนึ่งทุกอย่างเริ่มต้นจากการทำให้มันร้อนขึ้น
สารบัญ · หน่วยวัด
แผ่นข้อมูลสำหรับทุกปริมาณ
หน่วยฐานเอสไอเจ็ดหน่วย หน่วยอนุพัทธ์ที่มีชื่อเฉพาะยี่สิบสองหน่วย และหน่วยนอกระบบที่ทั้งงานช่างและชีวิตประจำวันขาดไม่ได้ แต่ละหน่วยมีแผ่นของตน คือ นิยาม การแปลงหน่วย เครื่องมือ และกฎการเขียน ใน 32 ภาษา
หน่วยอนุพัทธ์เอสไอที่มีชื่อเฉพาะ
เปิดแผ่นข้อมูลของจูลอยู่หน่วยฐานเอสไอ
สีดินเผาคือกิโลกรัม เมตร และวินาที ซึ่งประกอบกันเป็นจูลหน่วยนอกระบบ SI
สีดินเผาคือหน่วยพลังงานของระบบอื่นภาษาของแผ่นข้อมูล
32 ภาษา สัญลักษณ์ J เป็นสากล แต่ความเคยชินต่างกัน ฉลากยุโรปวางกิโลจูลไว้ก่อน ฉลากอเมริกันให้เพียงแคลอรี