Joule
Đơn vị dẫn xuất SI · đại lượng: năng lượng, công, nhiệt lượng
01 · Định nghĩa
Công của một lực một newton trên quãng đường một mét. Chừng ấy là đủ để nhấc một quả táo từ mặt bàn lên ngang vai.
Một định nghĩa phục vụ ba đại lượng cùng lúc: công, năng lượng và nhiệt lượng. Chuyện ấy không phải do cẩu thả mà do chính bản chất sự việc — cả ba chuyển hoá lẫn nhau không mất mát, không dư thừa. Đến giữa thế kỷ mười chín, nhiệt vẫn được coi là một chất riêng và đo bằng calo, còn công đo bằng kilôgam mét, và mối liên hệ giữa hai thang phải xác lập bằng thực nghiệm. Joule chỉ ra rằng mối liên hệ ấy là hằng số, và sau ông những đơn vị tách rời trở nên thừa: chỉ còn một joule cho mọi dạng năng lượng, từ quả cân được nâng lên đến nước đun nóng và tụ điện đã tích điện.
Công sinh ra khi lực tác dụng dọc theo độ dời; mômen sinh ra khi lực đặt ngang cánh tay đòn và chẳng dời chuyển gì. Thứ nguyên trong cả hai trường hợp đều là kilôgam nhân mét vuông trên giây bình phương, nhưng không được thay đơn vị cho nhau: mômen siết bu lông viết bằng newton mét, còn công viết bằng joule, và tiêu chuẩn giữ chặt sự phân biệt ấy. Chiếc cờ lê siết bu lông với mômen bốn mươi newton mét gần như chẳng sinh công — bu lông chỉ quay một phần tư vòng.
02 · Quy đổi
Joule, calo, kilowatt giờ
Các hệ số là chính xác theo định nghĩa, nhưng với calo cần thận trọng: có mấy loại và chúng khác nhau ở chữ số thứ ba. Bảng dùng loại quốc tế — bốn phẩy một tám sáu tám.
Calo thực phẩm thật ra là kilocalo, một nghìn calo nhỏ, và trên nhãn châu Âu bên cạnh nó bao giờ cũng có giá trị tính bằng kilojoule. Một nghìn năm trăm kilocalo khẩu phần ngày là sáu phẩy ba megajoule. Calo quốc tế được định nghĩa đúng bằng bốn phẩy một tám sáu tám joule, calo nhiệt hoá học bằng bốn phẩy một tám tư, và trong tính toán hai loại này đôi khi bị lẫn.
| Đơn vị | Tên | Giá trị | Gặp ở đâu |
|---|---|---|---|
| J | joule, đơn vị SI | 1 | vật lý và kỹ thuật |
| kJ | kilojoule | 0,001 | nhãn dinh dưỡng |
| MJ | megajoule | 1·10⁻⁶ | kỹ thuật nhiệt |
| GJ | gigajoule | 1·10⁻⁹ | hoá đơn sưởi ấm |
| W·h | watt giờ | 2,778·10⁻⁴ | pin |
| kW·h | kilowatt giờ | 2,778·10⁻⁷ | công tơ điện |
| cal | calo quốc tế | 0,2388 | kỹ thuật nhiệt, tính toán cũ |
| kcal | kilocalo, calo thực phẩm | 2,388·10⁻⁴ | nhãn sản phẩm |
| Gcal | gigacalo | 2,388·10⁻¹⁰ | hoá đơn nhiệt ở Nga |
| erg | erg, hệ CGS | 1·10⁷ | vật lý trước khi có SI |
| BTU | đơn vị nhiệt Anh | 9,478·10⁻⁴ | kỹ thuật nhiệt nói tiếng Anh |
| kgf·m | kilôgam lực mét | 0,102 | tính toán cơ học cũ |
Joule, watt giây và newton mét là một. Kilowatt giờ tiện hơn cho hoá đơn tiền điện, vì công suất đồ gia dụng đo bằng watt còn thời gian đo bằng giờ
03 · Bậc độ lớn
từ electronvolt đến động đấtMột joule — quả táo được nâng lên một mét
04 · Dụng cụ đo
Đo năng lượng bằng gì
Cách đơn giản nhất là biến mọi năng lượng thành nhiệt rồi đo theo độ nóng lên của một khối lượng nước đã biết. Thí nghiệm đầu tiên của Joule hoạt động đúng như vậy, và ngày nay người ta cũng kiểm định thiết bị sưởi và nhiên liệu như vậy — chỉ nhiệt kế và lớp cách nhiệt là đổi.
Nó nhân dòng điện với điện áp rồi cộng dồn kết quả theo thời gian. Đĩa cảm ứng từng đếm vòng quay, thiết bị điện tử đếm mẫu, nhưng đại lượng vẫn thế — joule, chỉ được hiển thị bằng kilowatt giờ, mỗi kilowatt giờ chứa ba triệu rưỡi joule.
Một tấm bản bôi đen hút bức xạ và nóng lên vài phần nghìn độ; chiếc nhiệt kế trong nó cho ra năng lượng. Người ta đo công suất laser, dòng bức xạ mặt trời ở trạm khí tượng và bức xạ nền yếu ớt nhất trong các thiết bị lạnh sâu bằng cách ấy.
Viên đạn cắm vào một khối treo, và từ độ cao mà khối ấy dâng lên người ta tính động năng của nó. Phương pháp này già hơn chính đơn vị và đến nay vẫn dùng làm phép kiểm chuẩn trong các phòng thí nghiệm đạn đạo.
05 · Quy tắc viết
J hoa, không dấu chấm
Ký hiệu bắt nguồn từ một họ người nên viết hoa, còn tên trong văn bản viết thường: joule, nhưng J. Ký hiệu tiếng Nga là Дж, gồm ba chữ cái, và không có dấu chấm theo sau. Tiền tố viết liền: kJ, MJ, GJ.
Ghi mômen lực bằng joule là một lỗi phổ biến và tai hại: các đại lượng khác nhau dù thứ nguyên trùng nhau. Calo và kilowatt giờ vẫn được giữ trong vài lĩnh vực theo quyết định của Văn phòng Cân đo Quốc tế, nhưng lối viết khoa học chuộng joule hơn. Nhãn dinh dưỡng trong Liên minh châu Âu buộc phải ghi kilojoule trước, còn kilocalo bên cạnh, trong ngoặc hoặc ở dòng thứ hai.
06 · Các đơn vị lân cận
Joule đứng giữa một chuỗi: newton nhân với quãng đường thì ra nó, còn chính nó chia cho thời gian thì ra watt.
Trong các phiếu lân cận của Simetrium: niutơn và oát ở hai đầu của chuỗi, calo và kilowatt giờ như những đơn vị ngoài SI của cùng đại lượng, electronvolt cho vật lý hạt, và erg từ hệ CGS.
07 · Phần lịch sử
Nhiệt đã thôi làm một chất như thế nào
Thống trị là thuyết về một chất không trọng lượng chảy từ nóng sang lạnh. Nó giải thích khá ổn việc nóng lên và nguội đi, nhưng không trả lời được nhiệt do ma sát từ đâu ra — mà thứ nhiệt ấy toả ra bao nhiêu cũng có.
Benjamin Thompson xem người ta khoan nòng pháo ở Munich và nhận ra: nhiệt toả ra chừng nào mũi khoan còn quay, chẳng có giới hạn nào. Một chất hẳn đã cạn; công thì không.
Một người nấu bia ở Salford treo những quả cân vào chiếc khuấy có cánh đặt trong thùng nước và đo độ nóng lên chính xác đến phần trăm độ. Công của quả cân đang hạ xuống cho ra một lượng nhiệt xác định nghiêm ngặt — hệ số quy đổi giữa hai thế giới.
Cái tên được Siemens đề xuất tại kỳ họp của Hiệp hội Anh năm 1882, còn Đại hội Quốc tế các nhà kỹ thuật điện xác nhận nó năm 1889, khi nhà bác học vẫn còn sống. Hội nghị Toàn thể về Cân đo đã biến joule thành đơn vị của năng lượng, công và nhiệt cùng một lúc, còn calo thì ở lại trong bếp và trong những cuốn sách giáo khoa cũ.
Đơn vị nơi ba thang đo gặp nhau
Thí nghiệm của Joule ít là một khám phá mà nhiều hơn là một phép đo: ông thu được hệ số quy đổi giữa công và nhiệt và đưa nó tới chữ số thứ ba trên những dụng cụ mà độ nóng lên chỉ là phần nhỏ của một độ. Độ chính xác có được nhờ cách nhiệt và lòng kiên nhẫn — loạt thí nghiệm được lặp lại suốt nhiều năm. Sau khi định luật bảo toàn năng lượng được thừa nhận, calo không còn được định nghĩa qua nước mà qua joule, và giá trị hôm nay của nó — bốn phẩy một tám sáu tám — là được ấn định chứ không phải đo ra. Từ năm hai nghìn mười chín, joule còn trở thành một đại lượng chính xác ngay trong cách dựng: hằng số Planck được cố định là một con số biểu diễn bằng joule giây, và kilôgam được định nghĩa qua nó. Đơn vị năng lượng đã thôi phụ thuộc vào bất cứ chất nào, kể cả nước mà từ việc hâm nóng nó mọi chuyện một thời đã bắt đầu.
Danh mục · đơn vị đo
Mỗi đại lượng một phiếu
Bảy đơn vị cơ bản của SI, hai mươi hai đơn vị dẫn xuất có tên riêng, và những đơn vị ngoài hệ mà cả kỹ thuật lẫn đời thường đều không thể thiếu. Mỗi đơn vị một tờ riêng: định nghĩa, quy đổi, dụng cụ, quy tắc viết. Bằng 32 ngôn ngữ.
Đơn vị dẫn xuất SI có tên riêng
phiếu của joule đang mởĐơn vị cơ bản của SI
màu đất nung — kilôgam, mét và giây, những thứ dựng nên jouleĐơn vị ngoài SI
màu đất nung — đơn vị năng lượng của các hệ khácNgôn ngữ của phiếu
32 ngôn ngữ. Ký hiệu J mang tính quốc tế, nhưng thói quen thì khác: nhãn châu Âu đặt kilojoule lên trước, nhãn Mỹ chỉ cho calo.