焦耳
詹姆斯·普雷斯科特·焦耳在曼徹斯特附近經營家族釀酒廠，在家裡做實驗。1845 年，他把一個帶槳葉的攪拌器放進盛水的容器。兩個掛在繩上的重物帶動它轉動。重物下降，槳葉旋轉，水慢慢變熱。
溫度升高得極少，只有零點幾度。焦耳用能分辨百分之一度的溫度計來測量。實驗表明，功和熱是同一樣東西的不同形式。今天，功、熱和電能共用一個單位：焦耳。一焦耳是一牛頓的力在一公尺路程上所做的功。把一個蘋果舉高一公尺，就需要這麼多。
| 記號 | J |
| 定義 | 牛頓公尺 · N·m · kg·m²·s⁻² · 瓦秒 |
| 參考值 | 1 cal — 4.184 J · 1 kWh — 3.6 MJ · 1 eV — 1.602 176 634·10⁻¹⁹ J |
| 引入 | 1889 年，國際電學大會 · 熱量單位：CGPM 1948 |
| 標準 | ISO 80000-4 · ISO 80000-5 · SI Brochure 9th ed. |
| 典型值 | 1 J — 把蘋果舉高一公尺 · 400 kJ — 吃一個蘋果 · 4.184 GJ — 一噸 TNT |
01 · 定義
一牛頓走過一公尺
焦耳是一牛頓的力使其作用點沿力的方向移動一公尺時所做的功。用 SI 基本單位表示，就是公斤乘公尺的平方除以秒的平方。
同一個單位可以計量任何能量：動能、熱能、電能、化學能。一瓦持續一秒也是一焦耳。能量從一種形式轉為另一種形式，總量保持不變。焦耳的實驗證明的正是這一點。
舉起物體要用多少焦耳
把物體從地面舉到滑塊設定的高度。直尺上的紫色填充是走過的路程。虛線是一公尺。功等於重量乘高度，變成物體儲存的能量。一旦鬆手，它撞到地面時會放出同樣多的焦耳。
同一個量，三種習慣。化學家和營養師用卡路里：1 卡使 1 公克水升高 1 度，等於 4.184 J。電力行業用千瓦小時：1 千瓦的電器一小時消耗 3.6 MJ。物理學家寫焦耳。食品包裝上常常兩個數字都有，kcal 和 kJ。
要讓重物落下多少次，水才升高一度
兩個重物掛在繞過滑輪的繩子上。繩子纏在一個鼓輪上，鼓輪帶動盛水銅容器裡的攪拌器。重物下降 1.6 m，槳葉攪動水，水就變熱。隨後脫開攪拌器，把重物重新絞上去。右邊是放大鏡下的溫度計，分度 0.01 K。下面兩根柱：紫色是重物做的功，橙色是進入水中的熱。灰色部分是滑輪摩擦的損耗和散到房間裡的熱。「落下」按鈕讓重物落一次，「20 次」則連續落下，就像焦耳當年那樣。
讓重物落下幾次，看看水能升溫多少。
02 · 換算
| 單位 | 數值 | 常見於何處 |
|---|---|---|
| {n} | {v} | {note} |
包裝上的食品「卡路里」其實是千卡，4.184 kJ。
1 千瓦小時是 360 萬焦耳。電水壺把一公升水燒開大約十次，就用掉這麼多。
電子伏特是電子通過一伏電位差後獲得的能量。它用於原子和光子。
03 · 數量級
04 · 測量儀器
05 · 書寫規則
06 · 相鄰單位
07 · 歷史部分
卡路里有好幾種，彼此都不一樣。熱化學卡正好是 4.184 J。來自水蒸氣表的國際卡正好是 4.1868 J。使 1 公克水從 14.5 °C 升到 15.5 °C 的十五度卡約為 4.1855 J。差別不到百分之一，但在精確計算中看得出來。
因此在 1948 年，國際計量大會決定用焦耳計量熱量，把卡路里留在過去。焦耳由公斤、公尺和秒定義，與水的性質無關。焦耳本人的實驗得出每英熱單位 772 英呎磅，約合每卡 4.15 J。與今天的數值相差不到百分之一。
一滴酸改變果汁的顏色，鹽為火焰染色，水被輕敲一下就結冰。下面是 Simetrium 的全部頁面，按學科和字母順序排列。
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