Единица энергии в системе СИ
Джоуль (произносится , JOOL или dʒ JOWL ; символ: ) — 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
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
Рекомендации
- ^ 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.
- ^ Словарь английского языка американского наследия, онлайн-издание (2009). Houghton Mifflin Co., организованная Yahoo! Образование.
- ^ Словарь американского наследия , второе издание для колледжей (1985). Бостон: Houghton Mifflin Co., стр. 691.
- ^ Физический словарь МакГроу-Хилла , пятое издание (1997). McGraw-Hill, Inc., с. 224.
- ^ 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.
- ^ Пэт Нотин: Хронологическая история современной метрической системы, metricationmatters.com, 2009.
- ^ Материалы Международного электротехнического конгресса. Нью-Йорк: Американский институт инженеров-электриков. 1894.
- ^ CIPM, 1946, Резолюция 2, Определения электрических единиц. bipm.org .
- ^ 9-я ГКМВ, Резолюция 3: Тройная точка воды; термодинамическая шкала с одной фиксированной точкой; единица количества тепла (джоуль)., bipm.org.
- ^ «Единицы тепла - БТЕ, калории и джоули». Инженерный набор инструментов . Проверено 14 июня 2021 г.
- ^ 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.
- ^ "Физика - ЦЕРН" . public.web.cern.ch . Архивировано из оригинала 13 декабря 2012 г.
- ^ «Вы говорите калория, мы говорим килоджоуль: кто прав?». Архивировано из оригинала 15 мая 2023 г. Проверено 2 мая 2017 г.
- ^ «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.
- ^
- ^
- ^ «Энергетические единицы - объяснение энергии, ваше руководство к пониманию энергетики - управление энергетической информацией» . www.eia.gov .
- ^ 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.
- ^ «Окончательная конфигурация Международной космической станции» (PDF) . Европейское космическое агентство . Архивировано из оригинала (PDF) 21 июля 2011 года . Проверено 18 марта 2015 г.
- ^ 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.
- ^ «Ирма обрушивает свою ярость на южную Флориду», Financial Times , по состоянию на 10 сентября 2017 г. (требуется подписка)
- ^ Мировой энергетический прогноз на 2022 год (отчет). Международное энергетическое агентство. 2022. с. 239 . Проверено 7 сентября 2023 г.
- ^ ab «Объемы Мирового океана по данным ETOPO1». noaa.gov . Национальное управление океанических и атмосферных исследований. 19 августа 2020 г. Проверено 8 марта 2022 г.
- ^ 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.
- ^ Фейнман, Ричард (1963). «Физические единицы». Лекции Фейнмана по физике . Проверено 7 марта 2014 г.
- ^ ab «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.
- ^ 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.
- ^ "Что такое ватт-секунда?"
Внешние ссылки
- Словарное определение джоуля в Викисловаре