Dżul — Joule

Dżul
System jednostkowy Jednostka pochodna SI
Jednostką Energia
Symbol J
Nazwany po James Prescott Joule
Konwersje
1 J w ... ... jest równe ...
   Jednostki podstawowe SI    kgm 2s −2
   Jednostki CGS    1 × 10 7 erg
   Watosekundy    1 Ws
   kilowatogodzin    2,78 × 10 -7  kW⋅h
   kilokalorie ( termochemiczne )    2,390 × 10 -4  kcal th
   BTU    9,48 × 10 -4  BTU
   elektronowoltów    6,24 × 10 18  eV

Joule'a ( / l , ù l / podgardle, Jool ; symbol: J ) jest jednostka pochodzi z energii w międzynarodowym układzie jednostek . Jest równa energii przekazanej do obiektu (lub wykonanej na nim pracy ), gdy siła jednego niutona działa na ten obiekt w kierunku ruchu siły na odległość jednego metra (1 niutonometr lub N⋅m). Jest to również energia rozpraszana w postaci ciepła, gdy prąd elektryczny o natężeniu jednego ampera przepływa przez rezystancję jednego oma przez jedną sekundę. Jego nazwa pochodzi od angielskiego fizyka Jamesa Prescotta Joule'a (1818-1889).

Definicja

W odniesieniu najpierw do podstawowych jednostek SI, a następnie do innych jednostek SI, dżul jest definiowany jako

gdzie

Symbol Oznaczający
J dżul
kg kilogram
m metr
s druga
n niuton
Rocznie Pascal
W wat
C kulomb
V wolt
Ω om
A amper

Jeden dżul można również zdefiniować w następujący sposób:

  • Praca wymagana do przeniesienia ładunku elektrycznego o wartości jednego kulomba przez różnicę potencjałów wynoszącą jeden wolt lub jeden kulomb-wolt (C⋅V). Ta zależność może być wykorzystana do zdefiniowania wolta.
  • Praca wymagana do wytworzenia jednego wata mocy przez jedną sekundę lub jednej watosekundy (W⋅s) (porównaj kilowatogodzinę  – 3,6 megadżuli). Ta zależność może być wykorzystana do zdefiniowania wata.

Dżul nosi imię Jamesa Prescotta Joule'a . Jak w przypadku każdego SI jednostką o nazwie dla osoby, jej symbol rozpoczyna się od górnej obudowy listu (J), ale kiedy napisany w całości wynika z zasady kapitalizacji wspólnego rzeczownika ; tj. „ dżul ” jest pisany wielką literą na początku zdania iw tytułach, ale poza tym jest pisany małymi literami.

Historia

System cgs został ogłoszony oficjalnym w 1881 roku na pierwszym Międzynarodowym Kongresie Elektrycznym . ERG został przyjęty jako jednostkę energii w 1882 roku Wilhelm Siemens , w przemówieniu inauguracyjnym jako przewodniczący British Association for Advancement of Science (23 sierpnia 1882) po raz pierwszy zaproponował Joule jako jednostki ciepła , które mają zostać uzyskane z elektromagnetycznym jednostki Amper i Ohm , w jednostkach cgs równoważnych10 7  erg . Nazwa jednostki na cześć Jamesa Prescotta Joule'a (1818-1889), w tym czasie na emeryturze, ale wciąż żyjącego (w wieku 63 lat), jest zasługą Siemensa:

„Taka jednostka ciepła, jeśli zostanie uznana za akceptowalną, może z wielką słusznością, jak sądzę, zostać nazwana dżulem, na cześć człowieka, który zrobił tak wiele, aby rozwinąć dynamiczną teorię ciepła”.

Na drugim Międzynarodowym Kongresie Elektrycznym, 31 sierpnia 1889 r., dżul został oficjalnie przyjęty obok wata i kwadrantu (później przemianowanego na henry ). Joule zmarł w tym samym roku, 11 października 1889. Na czwartym kongresie (1893) zdefiniowano „międzynarodowy Amper” i „międzynarodowy Ohm”, z niewielkimi zmianami w specyfikacjach ich pomiaru, przy czym „międzynarodowy dżul” został jednostka pochodząca od nich.

W 1935 roku Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (jako organizacja następczyni Międzynarodowego Kongresu Elektrycznego) przyjęła „ system Giorgi ”, który poprzez przyjęcie określonej wartości stałej magnetycznej implikował również redefinicję Joule'a. System Giorgi został zatwierdzony przez Międzynarodowy Komitet Miar i Wag w 1946 roku. Dżul nie był już definiowany na podstawie jednostki elektromagnetycznej, ale jako jednostka pracy wykonywanej przez jedną jednostkę siły (wówczas jeszcze nie nazywaną newtonem ). na dystansie 1 metra . Dżul został wyraźnie zamierzony jako jednostka energii używana zarówno w kontekście elektromagnetycznym, jak i mechanicznym. Ratyfikacja definicji podczas dziewiątej Konferencji Generalnej Miar i Wag w 1948 r. dodała specyfikację, że dżul miał być również preferowany jako jednostka ciepła w kontekście kalorymetrii , tym samym oficjalnie odrzucając stosowanie kalorii . Ta definicja była bezpośrednim prekursorem dżula przyjętego we współczesnym międzynarodowym układzie jednostek w 1960 roku.

Definicja dżula jako J=kg⋅m 2 ⋅s- 2 pozostała niezmieniona od 1946 r., ale dżul jako jednostka pochodna odziedziczył zmiany w definicjach drugiego (w 1960 i 1967) metra (w 1983 r. ) i kilogram ( w 2019 r . ).

Praktyczne przykłady

Jeden dżul reprezentuje (w przybliżeniu):

  • Energia potrzebna do przyspieszenia a kg masy wm/s 2 na odległośćm .
  • Energia kinetyczna a Masa kg podróżująca przym/s .
  • Energia potrzebna do podniesienia średniej wielkości pomidora na 1 metr (3 stopy 3 cale) przy założeniu, że pomidor ma masę 101,97 gramów (3,597 uncji).
  • Ciepło wymagane do podniesienia temperatury 0,239 g wody w zakresie od 0 ° C do 1 ° C lub od 32 ° C do 33,8 ° C.
  • Typowa energia uwalniana jako ciepło przez osobę w spoczynku co 1/60 s (17  ms ).
  • Energia kinetyczna aCzłowiek o wadze 50 kg porusza się bardzo wolno (0,2 m/s lub 0,72 km/h).
  • Energia kinetyczna a Piłka tenisowa 56 g poruszająca się z prędkością 6 m/s (22 km/h).
  • Ilość energii elektrycznej potrzebna do uruchomienia Urządzenie W dlasek .
  • Energia pokarmowa (kcal) w nieco ponad połowie kryształu cukru (0,102  mg /kryształ).

Wielokrotności

wielokrotności dżula w układzie SI (J)
Podwielokrotności Wielokrotności
Wartość Symbol SI Nazwa Wartość Symbol SI Nazwa
10 -1 J DJ decydżul 10 1 J daJ dekadżul
10 -2 J cJ centydżul 10 2 J hJ hektodżul
10 -3 J mJ milidżul 10 3 J kJ kilodżul
10 -6 J µJ mikrodżul 10 6 J MJ megadżul
10 -9 J nJ nanodżul 10 9 J GJ gigadżul
10 -12 J pJ picodżul 10 12 J TJ teradżul
10 -15 J fJ femtodżul 10 15 J PJ petadżul
10 -18 J aJ attodżul 10 18 J EJ eksadżul
10 -21 J zJ zeptodżul 10 21 J ZJ zettadżul
10 -24 J YJ joktdżul 10 24 J YJ yottajoule
Wspólne wielokrotności są pogrubione
Joktodżul
Joktdżul (yJ) jest równy 10 -24  dżuli .
Zeptodżul
Zeptodżul (zJ) jest równy jednej sześciotylionowej (10 -21 ) jednego dżula.160 zJ to około jednego elektronowoltu .
Minimalna energia potrzebna do niewielkiej zmiany w temperaturze pokojowej – około 2,75 zJ – podaje granica Landauera .
Attodżul
Attodżul (aJ) jest równy 10 -18  dżuli .
Femtodżul
Femtodżul (fJ) jest równy 10 -15  dżuli .
Pikodżul
Pikodżul (pJ) jest równy jednej bilionowej (10 -12 ) jednego dżuli.
Nanodżul
Nanodżul (nJ) jest równy jednej miliardowej (10 -9 ) jednego dżuli.160 nanodżuli to energia kinetyczna latającego komara.
Mikrodżul
Mikrodżul (μJ) jest równy jednej milionowej (10 -6 ) jednego dżuli. Duża High Speed hadronów (LHC) wytwarza kolizji rzędu microjoule (7 TeV) na cząstki.
Milidżul
Milidżul (mJ) jest równy jednej tysięcznej (10 -3 ) o dżuli.
Kilodżule
Kildżul (kJ) jest równy tysiącowi (10 3 ) dżuli. Etykiety wartości odżywczych żywności w większości krajów wyrażają energię w kilodżulach (kJ).
Jeden metr kwadratowy Ziemi otrzymuje około1.4 kilodżuli z promieniowania słonecznego co sekundę w pełnym świetle dnia.
Megadżul
Megadżul (MJ) jest równy milionowi (10 6 ) dżuli, czyli w przybliżeniu energia kinetyczna jednego megagramowego (tony) pojazdu poruszającego się z prędkością161  km/h (100 mil /h ).
Energia potrzebna do ogrzewania 10 l ciekłej wody przy stałym ciśnieniu od 0 °C (32 °F) do 100 °C (212 °F) wynosi około4.2  MJ .
Jedna kilowatogodzina energii elektrycznej to3,6 megadżuli .
Gigadżul
Gigadżul (GJ) jest równy miliardowi (10 9 ) dżuli.GJ to energia chemiczna spalania 1 baryłki (159 l) ropy naftowej . 2 GJ dotyczy jednostki energetycznej Planck .
Teradżul
Teradżul (TJ) jest równy jednemu bilionowi (10 12 ) dżuli; lub o0,278  GWh (co jest często wykorzystywane w tabelach energetycznych). O63  TJ energii zostało uwolnione przez Little Boy . Międzynarodowa Stacja Kosmiczna , o masie ok450  megagramów i prędkość orbitalna7700  m/s , ma energię kinetyczną z grubsza13 TJ . Szacuje się, że w 2017 r. huragan Irma miał szczytową energię wiatru112 TJ .90 TJ to ilość energii równoważna1 gram masy .
Petadżul
Petadżul (PJ) jest równy jednemu biliardowi (10 15 ) dżuli.210 PJ jest około50  megaton trotylu, czyli ilość energii uwolnionej przez Car Bombę , największą w historii eksplozję stworzoną przez człowieka.
eksadżuli
Eksadżul (EJ) jest równy jednemu kwintylionowi (10 18 ) dżuli. 2011 Tohoku trzęsienia ziemi i tsunami w Japonii miał1,41 EJ energii zgodnie z oceną 9,0 na skali chwilowej wielkości . Roczne zużycie energii w USA wynosi w przybliżeniu94 EJ .
Zettadżoule
Zettadżul (ZJ) jest równy jednemu sekstylionowi (10 21 ) dżuli. Roczne zużycie energii przez człowieka na świecie wynosi około0,5 ZJ . Energia potrzebna do podniesienia temperatury ziemskiej atmosfery o 1°C wynosi około2.2 ZJ .
Yottadżul
yottajoule (YJ) jest równe jednemu septillionowi (10 24 ) dżuli. Jest to w przybliżeniu ilość energii potrzebna do podgrzania całej wody na Ziemi o 1°C. Moc cieplna Słońca wynosi około400 YJ na sekundę.

Konwersje

1 dżul to (w przybliżeniu, o ile nie zaznaczono inaczej):

  • 10 7  erg (dokładnie)
  • 6.241 509 74 × 10 18  eV
  • 0,2390  cal (kalorie gramach)
  • 2,390 × 10 -4  kcal (kalorie z jedzenia)
  • 9,4782 × 10 -4  BTU
  • 0,7376  ft⋅lb (stopa-funt)
  • 23,7  ft⋅pdl (stopa-funt)
  • 2,7778 × 10 -7  kW⋅h (kilowatogodzina)
  • 2,7778 × 10 -4  W⋅h (watogodzina)
  • 9,8692 × 10 -3  latm (litr-atmosfera)
  • 11,1265 x 10 -15  g (poprzez masę energii równoważności)
  • 10 −44  wróg (dokładnie)

Jednostki zdefiniowane dokładnie w dżulach to:

  • 1 kaloria termochemiczna = 4,184  J
  • 1 międzynarodowa tabela kalorii = 4,1868  J
  • 1  W⋅h = 3600  J (lub 3,6  kJ)
  • 1  kW⋅h =3,6 x 10 6  J (lub 3,6  MJ)
  • 1  W⋅s =1J
  • 1 tona TNT = 4,184 GJ

Newtonometr i moment obrotowy

W mechanice pojęcie siły (w pewnym kierunku) ma bliski analog w pojęciu momentu obrotowego (o pewnym kącie):

Liniowy Kątowy
Zmuszać Moment obrotowy
Masa Moment bezwładności
Przemieszczenie Kąt

Wynikiem tego podobieństwa jest to, że jednostką SI dla momentu obrotowego jest niutonometr , który algebraicznie ma te same wymiary co dżul, ale nie są one zamienne. Generalna Konferencja Miar dał jednostkę energii nazwa dżul , ale nie podano jednostkę momentu jakiejkolwiek specjalnej nazwy, a więc jest to po prostu Nm (N⋅m) - nazwa pochodzi od jego związek składnika Części. Użycie niutonometrów jako momentu obrotowego i dżulów jako energii pomaga uniknąć nieporozumień i nieporozumień.

Różnicę widać również w tym, że energia jest wielkością skalarnąiloczynem skalarnym wektora siły i wektora przemieszczenia. Natomiast moment obrotowy jest wektorem – iloczynem krzyżowym wektora siły i wektora odległości. Moment obrotowy i energia są ze sobą powiązane równaniem

gdzie E to energia, τ to ( wielkość wektora ) momentu obrotowego, a θ to kąt przeciągnięcia (w radianach ). Ponieważ kąty płaskie są bezwymiarowe, wynika z tego, że moment obrotowy i energia mają te same wymiary.

Watosekunda

Wh sekund (symbol Ws lub W-s ) jest jednostka pochodzi z energii równoważnej Joule'a. Watosekunda to energia równoważna mocy jednego wata utrzymywanej przez jedną sekundę . Chociaż watosekunda jest odpowiednikiem dżula w obu jednostkach i znaczeniu, istnieją pewne konteksty, w których termin „watosekunda” jest używany zamiast „dżula”.

Fotografia

W fotografii jednostką błysku jest watosekunda. Błysk może być oceniany w watosekundach (np. 300 W⋅s) lub w dżulach (różne nazwy dla tej samej rzeczy), ale historycznie termin „watosekunda” był używany i nadal jest używany.

Ocena energetyczna lampy błyskowej nie jest wiarygodnym punktem odniesienia dla jej mocy świetlnej, ponieważ istnieje wiele czynników, które wpływają na wydajność konwersji energii. Przykładowo, konstrukcja tuby wpłynie na wydajność, a zastosowanie odbłyśników i filtrów zmieni użyteczną moc światła w kierunku obiektu. Niektóre firmy określają swoje produkty w „prawdziwych” watosekundach, a inne w „nominalnych” watosekundach.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Zewnętrzne linki

  • Słownikowa definicja dżula w Wikisłowniku