Джоуль

Единица энергии в системе СИ

Джоуль (произносится / ˈ dʒ uː l / , JOOL или / ˈ dʒ aʊ l / JOWL ; символ: J ) — единица энергии в Международной системе единиц (СИ) . ^[1] Он равен количеству работы , совершаемой, когда сила в один ньютон смещает массу на расстояние в один метр в направлении этой силы. Это также энергия, рассеиваемая в виде тепла, когда электрический ток силой в один ампер проходит через сопротивление в один Ом в течение одной секунды. Он назван в честь английского физика Джеймса Прескотта Джоуля (1818–1889). ^{[2] [3] [4]}

Определение

В базовых единицах СИ и в производных единицах СИ со специальными названиями джоуль определяется как ^{[ нужна ссылка ]}

Один джоуль также может быть определен любым из ^{следующих значений :}

• Работа, необходимая для перемещения электрического заряда в один кулон через разность электрических потенциалов в один вольт или один кулон-вольт (К⋅В). Это соотношение можно использовать для определения вольта.
• Работа, необходимая для производства одного ватта мощности за одну секунду, или одной ватт-секунды (Вт⋅с) (сравните киловатт-час , что составляет 3,6 мегаджоуля). Это соотношение можно использовать для определения ватта.

Джоуль назван в честь Джеймса Прескотта Джоуля . Как и в случае с любой единицей СИ , названной в честь человека, ее символ начинается с заглавной буквы (J), но при написании полностью он соответствует правилам написания заглавных букв для нарицательных существительных ; т. е. джоуль пишется с заглавной буквы в начале предложения и в заголовках, но в остальном пишется строчными буквами. ^{[ нужна цитата ]}

История

Система CGS была официально объявлена ​​в 1881 году на первом Международном электротехническом конгрессе . Эрг был принят в качестве единицы энергии в 1882 году . Вильгельм Сименс в своей инаугурационной речи на посту председателя Британской ассоциации содействия развитию науки (23 августа 1882 года) впервые предложил Джоуль в качестве единицы теплоты , полученной из электромагнитной энергии. единицы Ампер и Ом , в единицах СГС, эквивалентных10 ⁷  эрг . Название устройства в честь Джеймса Прескотта Джоуля (1818–1889), в то время вышедшего на пенсию, но все еще живого (63 года), связано с Сименсом: ^{[ нужна цитата ]}

«Подобную тепловую единицу, если она будет сочтена приемлемой, я думаю, можно было бы с большим правом назвать Джоулем, в честь человека, который так много сделал для разработки динамической теории тепла». ^[5]

На втором Международном электротехническом конгрессе 31 августа 1889 года джоуль был официально принят наряду с ваттом и квадрантом ( позже переименованным в генри ). ^[6] Джоуль умер в том же году, 11 октября 1889 года. На четвертом конгрессе (1893 г.) были определены «международный ампер» и «международный ом», с небольшими изменениями в спецификациях для их измерения, с «международным ампером» и «международным омом». Джоуль» — производная от них единица. ^[7]

В 1935 году Международная электротехническая комиссия (как организация-преемница Международного электрического конгресса) приняла « систему Джорджи », которая, предполагая определенное значение магнитной постоянной, также подразумевала переопределение Джоуля. Система Джорджи была одобрена Международным комитетом мер и весов в 1946 году. Джоуль теперь больше не определялся на основе электромагнитной единицы, а вместо этого определялся как единица работы , выполняемая одной единицей силы (в то время еще не называвшейся ньютоном ). на расстоянии 1 метра . Джоуль был явно задуман как единица энергии, которая будет использоваться как в электромагнитном, так и в механическом контексте. ^[8] Ратификация определения на девятой Генеральной конференции по мерам и весам в 1948 году добавила уточнение, что джоуль также следует отдавать предпочтение в качестве единицы теплоты в контексте калориметрии , тем самым официально осуждая использование калория . ^[9] Это определение было прямым предшественником джоуля, принятого в современной Международной системе единиц в ^{1960 году .}

Определение джоуля как J = кг⋅м ² ⋅с ⁻² осталось неизменным с 1946 года, однако джоуль как производная единица унаследовал изменения в определениях секунды ( в 1960 и 1967 годах), метра (в 1983 году) ) и килограмм ( в 2019 году ). ^{[ нужна цитата ]}

Практические примеры

Один джоуль представляет (приблизительно):

• Количество электроэнергии, необходимое для работыУстройство мощностью 1  Вт для1  с . ^{[ нужна цитата ]}
• Энергия, необходимая для ускорениямасса 1  кг при1  м/с ² на расстоянии1  м . ^{[ нужна цитата ]}
• Кинетическая энергия _ Масса 2  кг путешествует при1  м/с илиМасса 1  кг путешествует при1,41  м/с . ^{[ нужна цитата ]}
• Энергия, необходимая для поднятия яблока на высоту 1 м при массе яблока 101,97 г. ^{[ нужна цитата ]}
• Тепло , необходимое для повышения температуры 0,239 г воды с 0 °С до 1 °С. ^[10]
• Типичная энергия, выделяемая в виде тепла человеком в состоянии покоя каждые 1/60 с (17  мс ). ^{[примечание 1] [ нужна ссылка ]}
• Кинетическая энергия _Человек массой 50 кг движется очень медленно (0,2 м/с или 0,72 км/ч). ^{[ нужна цитата ]}
• Кинетическая энергияТеннисный мяч массой 56 г движется со скоростью 6 м/с (22 км/ч). ^[11]
• Энергетическая ценность пищи (ккал) чуть больше половины кристалла сахара обычного размера (0,102  мг /кристалл). ^{[ нужна цитата ]}

Множители

Зептоджоуль

160 зептоджоулей – это примерно один электронвольт . ^{[ нужна цитата ]}

Минимальная энергия, необходимая для изменения небольшого количества данных в вычислениях при температуре около комнатной – примерно2,75 зДж – определяется пределом Ландауэра . ^{[ нужна цитата ]}

наноджоуль

160 наноджоулей — это кинетическая энергия летающего комара. ^[12]

микроджоуль

Большой адронный коллайдер (БАК) производит столкновения порядка микроджоуля (7 ТэВ) на частицу. ^{[ нужна цитата ]}

килоджоуль

На этикетках пищевых продуктов в большинстве стран указана энергия в килоджоулях (кДж). ^[13]

На один квадратный метр Земли поступает около1,4 килоджоуля солнечной радиации каждую секунду при ярком дневном свете. ^[14] Кинетическая энергия человека во время спринта составляет около 3 кДж, ^[15] в то время как гепард в бегеСпринт со скоростью 122  км/ч (76 миль в час) требует примерно 20 кДж. ^[16] Один ватт-час электроэнергии равен3,6 килоджоуля . ^{[ нужна цитата ]}

Мегаджоуль

Мегаджоуль — это примерно кинетическая энергия транспортного средства весом в один мегаграмм (тонна), движущегося со скоростью161  км/ч (100 миль в час). ^{[ нужна цитата ]}

Энергия, необходимая для нагрева10 л жидкой воды при постоянном давлении от 0 °C (32 °F) до 100 °C (212 °F) составляют примерно4,2  МДж . ^{[ нужна цитата ]}

Один киловатт-час электроэнергии равен3,6 мегаджоулей . ^{[ нужна цитата ]}

Гигаджоуль

6  гигаджоулей — это химическая энергия сгорания 1 барреля (159 л) нефти . ^[17] 2 ГДж — это планковская единица энергии . Один мегаватт-час электроэнергии равен3,6 гигаджоуля . ^{[ нужна цитата ]}

Тераджоуль

Тераджоуль составляет около0,278  ГВтч (что часто используется в таблицах энергопотребления). ОLittle Boy выпустил 63  ТДж энергии . ^[18] Международная космическая станция массой около450  мегаграмм и орбитальная скорость7700  м/с , ^[19] имеет кинетическую энергию примерно13 ТДж . По оценкам , в 2017 году пиковая энергия ветра урагана Ирма составила112 ТДж . ^{[20] [21]} Один гигаватт-час электроэнергии равен3,6 тераджоулей . ^{[ нужна цитата ]}

петаджоуль

210 петаджоулей составляет около50  мегатонн в тротиловом эквиваленте — столько же энергии высвободилось в результате «Царь-бомбы» , крупнейшего искусственного взрыва за всю историю. Один тераватт-час электроэнергии равен3,6 петаджоулей . ^{[ нужна цитата ]}

Эксаджоуль

Землетрясение и цунами Тохоку в Японии в 2011 году.1,41 ЭДж энергии согласно его рейтингу 9,0 по шкале моментной величины . Ежегодное потребление энергии в США составляет примерно94 ЭДж , а мировое конечное потребление энергии составило439 ЭДж в 2021 году. ^[22] Один петаватт-час электроэнергии равен3,6 эксаджоуля . ^{[ нужна цитата ]}

Зеттаджоуль

Зеттаджоуль — это несколько больше, чем количество энергии, необходимое для нагрева Балтийского моря на 1 °C, принимая во внимание свойства, аналогичные свойствам чистой воды . ^[23] Годовое потребление энергии человеком в мире составляет примерно0,5 ЗДж . Энергия, необходимая для повышения температуры атмосферы Земли на 1 °С, равна примерно2.2 ЗЖ . ^{[ нужна цитата ]}

Йотаджоуль

Йотаджоуль немного меньше количества энергии, необходимой для нагрева Индийского океана на 1 °C, принимая во внимание свойства, аналогичные свойствам чистой воды. ^[23] Тепловая мощность Солнца составляет примерно400 ЯДж в секунду. ^{[ нужна цитата ]}

Конверсии

1 джоуль равен (приблизительно, если не указано иное): ^{[ нужна ссылка ]}

• 10 ⁷  эрг (ровно)
• 6,241 509 74 × 10 ¹⁸  эВ
• 0,2390  кал (грамм калорий)
• 2,390 × 10 ⁻⁴  ккал (пищевые калории)
• 9,4782 × 10 ⁻⁴  БТЕ
• 0,7376  фут-фунт (фут-фунт)
• 23,7  фут-пдл (фут-паундаль)
• 2,7778 × 10 ⁻⁷  кВт⋅ч (киловатт-час)
• 2,7778 × 10 ⁻⁴  Вт⋅ч (ватт-час)
• 9,8692 × 10 ^-3  лат (литр атмосферы)
• 11,1265 × 10 ⁻¹⁵  г⋅ c ² (в порядке эквивалентности массы и энергии )

Единицы, определенные точно в джоулях ^{, включают :}

• 1 термохимическая калория = 4,184  Дж ^[24]
• 1 Международная таблица калорий = 4,1868  Дж ^[25]
• 1  Вт⋅ч = 3600  Дж (или 3,6  кДж)
• 1  кВт⋅ч =3,6 × 10 ⁶  Дж (или 3,6  МДж)
• 1  Вт⋅с =1 Дж
• 1 тонна тротила = 4,184 ГДж
• 1 враг = 10 ⁴⁴  Дж

Ньютон-метр и крутящий момент

В механике понятие силы (в каком-то направлении) имеет близкий аналог понятию крутящего момента (около некоторого ^{угла ) :}

Результатом этого сходства является то, что единицей крутящего момента в системе СИ является ньютон -метр , который алгебраически имеет те же размеры , что и джоуль, но они не являются взаимозаменяемыми. Генеральная конференция по мерам и весам дала единице энергии название джоуль , но не дала единице крутящего момента какого-либо специального названия, поэтому это просто ньютон-метр (Нм) – составное название, полученное от его составной части. части. ^[26] Использование ньютон-метров для крутящего момента и джоулей для энергии помогает избежать недопонимания и недопонимания. ^[26]

Различие можно увидеть также в том, что энергия является скалярной величиной – скалярным произведением вектора силы и вектора смещения. Напротив, крутящий момент представляет собой вектор – векторное произведение вектора силы и вектора расстояния. Крутящий момент и ^{энергия} связаны друг с ^{другом уравнением}

$${\displaystyle E=\tau \theta \,,}$$

где E - энергия, τ - крутящий момент ( векторная величина ), а θ - угол стреловидности (в радианах ). Поскольку плоские углы безразмерны, отсюда следует, что крутящий момент и энергия имеют одинаковые размеры. ^{[ нужна цитата ]}

Ватт-секунда

Ватт -секунда (обозначение W⋅s или W⋅s ) — это производная единица энергии , эквивалентная джоулю. ^[27] Ватт-секунда — это энергия, эквивалентная мощности одного ватта , поддерживаемой в течение одной секунды . Хотя ватт-секунда эквивалентна джоулю как по единицам измерения, так и по значению, в некоторых контекстах вместо «джоуля» используется термин «ватт-секунда», например, в рейтинге фотоэлектронных вспышек . ^[28]

Примечания

1. Это называется базальным уровнем метаболизма . Это соответствует примерно 5000 кДж (1200 ккал) в день. Килокалория (обозначение ккал) также известна как диетическая калория .

Рекомендации

1. Международное бюро мер и весов (2006), Международная система единиц (СИ) (PDF) (8-е изд.), стр. 120, ISBN 92-822-2213-6, заархивировано (PDF) из оригинала 04 июня 2021 г. , получено 16 декабря 2021 г.
2. Словарь английского языка американского наследия, онлайн-издание (2009). Houghton Mifflin Co., организованная Yahoo! Образование.
3. Словарь американского наследия , второе издание для колледжей (1985). Бостон: Houghton Mifflin Co., стр. 691.
4. Физический словарь МакГроу-Хилла , пятое издание (1997). McGraw-Hill, Inc., с. 224.
5. Сименс, Кэл Вильгельм (август 1882 г.). Отчет пятьдесят второго собрания Британской ассоциации содействия развитию науки. Саутгемптон. стр. 1–33. стр. 6–7: До сих пор за единицу теплоты принимали по-разному: тепло, необходимое для поднятия фунта воды при температуре замерзания на 1 градус по Фаренгейту или Цельсия, или, опять же, тепло, необходимое для поднятия килограмма воды. 1 градус Цельсия. Неудобство столь совершенно произвольной единицы достаточно очевидно, чтобы оправдать введение единицы, основанной на электромагнитной системе, а именно. тепло, выделяемое за одну секунду током в Ампер, протекающим через сопротивление Ома. В абсолютной мере его значение составляет 10 ⁷ единиц СГС, и, если принять эквивалент Джоуля за 42 000 000, это тепло, необходимое для поднятия 0,238 грамма воды на 1 градус Цельсия, или, примерно, на 1 / 1000 -ю часть условной единицы измерения. фунт воды поднял на 1 градус по Фаренгейту, а 1 ⁄ 4000 килограмма воды поднял на 1 градус Цельсия. Такую единицу тепла, если она окажется приемлемой, я думаю, можно было бы с большим правом назвать Джоулем, в честь человека, который так много сделал для разработки динамической теории тепла.
6. Пэт Нотин: Хронологическая история современной метрической системы, metricationmatters.com, 2009.
7. Материалы Международного электротехнического конгресса. Нью-Йорк: Американский институт инженеров-электриков. 1894.
8. CIPM, 1946, Резолюция 2, Определения электрических единиц. bipm.org .
9. 9-я ГКМВ, Резолюция 3: Тройная точка воды; термодинамическая шкала с одной фиксированной точкой; единица количества тепла (джоуль)., bipm.org.
10. «Единицы тепла - БТЕ, калории и джоули». Инженерный набор инструментов . Проверено 14 июня 2021 г.
11. Ристинен, Роберт А.; Краушаар, Джек Дж. (2006). Энергия и окружающая среда (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-73989-8.
12. "Физика - ЦЕРН" . public.web.cern.ch . Архивировано из оригинала 13 декабря 2012 г.
13. «Вы говорите калория, мы говорим килоджоуль: кто прав?» Архивировано из оригинала 15 мая 2023 г. Проверено 2 мая 2017 г.
14. «Построение составного временного ряда общего солнечного излучения (TSI) с 1978 года по настоящее время» . Архивировано из оригинала 30 августа 2011 г. Проверено 5 октября 2005 г.
15. ${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}\cdot 70~{\text{kg}}\cdot \left(10~{\text{m/s}}\right)^{2}=3500~{\text{J}}}$
16. ${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}\cdot 35~{\text{kg}}\cdot \left(35~{\text{m/s}}\right)^{2}=21,400~{\text{J}}}$
17. «Энергетические единицы - объяснение энергии, ваше руководство к пониманию энергетики - управление энергетической информацией» . www.eia.gov .
18. Малик, Джон (сентябрь 1985 г.). «Отчет LA-8819: Мощность ядерных взрывов в Хиросиме и Нагасаки» (PDF) . Лос-Аламосская национальная лаборатория . Архивировано из оригинала (PDF) 11 октября 2009 года . Проверено 18 марта 2015 г.
19. «Окончательная конфигурация Международной космической станции» (PDF) . Европейское космическое агентство . Архивировано из оригинала (PDF) 21 июля 2011 года . Проверено 18 марта 2015 г.
20. Бонни Берковиц; Ларис Карклис; Рубен Фишер-Баум; Чики Эстебан (11 сентября 2017 г.). «Анализ: насколько велик ураган Ирма?». Вашингтон Пост . Проверено 2 ноября 2017 г.
21. «Ирма обрушивает свою ярость на южную Флориду», Financial Times , по состоянию на 10 сентября 2017 г. (требуется подписка)
22. Мировой энергетический прогноз на 2022 год (отчет). Международное энергетическое агентство. 2022. с. 239 . Проверено 7 сентября 2023 г.
23. «Объемы Мирового океана по данным ETOPO1». noaa.gov . Национальное управление океанических и атмосферных исследований. 19 августа 2020 г. Проверено 8 марта 2022 г.
24. Принятие джоулей в качестве единиц энергии, Специальный комитет экспертов ФАО/ВОЗ по энергетике и белкам, 1971. Отчет о переходе от калорий к джоулям в питании.
25. Фейнман, Ричард (1963). «Физические единицы». Лекции Фейнмана по физике . Проверено 7 марта 2014 г.
26. «Единицы со специальными названиями и символами; отряды со специальными названиями и символами». Международное бюро мер и весов . Архивировано из оригинала 28 июня 2009 года . Проверено 18 марта 2015 г. Производную единицу часто можно выразить по-разному, комбинируя базовые единицы с производными единицами, имеющими специальные названия. Джоуль, например, формально может быть записан как ньютон-метр или килограмм-метр в квадрате на секунду в квадрате. Однако это алгебраическая свобода, которая руководствуется физическими соображениями здравого смысла; в конкретной ситуации некоторые формы могут оказаться более полезными, чем другие. На практике применительно к определенным величинам предпочтение отдается использованию определенных специальных названий единиц или комбинаций названий единиц, чтобы облегчить различие между разными величинами, имеющими одинаковую размерность.
27. Международное бюро мер и весов (2006), Международная система единиц (СИ) (PDF) (8-е изд.), стр. 39–40, 53, ISBN. 92-822-2213-6, заархивировано (PDF) из оригинала 04 июня 2021 г. , получено 16 декабря 2021 г.
28. "Что такое ватт-секунда?"

Внешние ссылки

• Словарное определение джоуля в Викисловаре