Джоуль

Джоуль ( / dʒ aʊ л , dʒ ¯u л / щековина, jool ; ^{[1] [2] [3]} символ: J ) представляет собой полученный блок из энергии в Международной системе единиц . ^[4] Она равна энергии , переданной (или работа выполняется на) объект , когда сила одного ньютона действует на этом объекте в направлении движения силы через расстояние одного метра (1 метр ньютона или Нм ). Это также энергия, рассеиваемая в виде тепла, когдаэлектрический ток в один ампер проходит через сопротивление в один Ом за одну секунду. Он назван в честь английского физика Джеймса Прескотта Джоуля (1818–1889). ^{[5] [6] [7]}

Определение [ править ]

Сначала в основных единицах СИ, а затем в других единицах СИ ниже определяется джоуль (пожалуйста, обратите внимание на значения символов в этой таблице):

${\displaystyle {\text{J}}={\frac {{\text{kg}}{\cdot }{\text{m}}^{2}}{{\text{s}}^{2}}}={\text{N}}{\cdot }{\text{m}}={\text{Pa}}{\cdot }{\text{m}}^{3}={\text{W}}{\cdot }{\text{s}}={\text{C}}{\cdot }{\text{V}}={\text{Ω}}{\cdot }{\text{A}}^{2}{\cdot }{\text{s}},}$

Один джоуль можно также определить следующим образом:

• Работа, необходимая для перемещения электрического заряда в один кулон через разность электрических потенциалов в один вольт или один кулон-вольт (C⋅V). Это соотношение можно использовать для определения напряжения.
• Работа, необходимая для производства одного ватта энергии за одну секунду или одну ватт-секунду (Вт⋅с) (сравните киловатт-час  - 3,6 мегаджоулей). Это соотношение можно использовать для определения ватт.

Джоуль назван в честь Джеймса Прескотта Джоуля . Как и каждый SI единицу имени для человека, его символ начинается с верхним корпусом буквой (J), но при записи в полном объеме следует правилам для капитализации нарицательного ; т. е. « джоуль » пишется с заглавной буквы в начале предложения и в заголовках, но в остальном - в нижнем регистре.

История [ править ]

Система cgs была объявлена ​​официальной в 1881 году на первом Международном электрическом конгрессе . Эрг был принят в качестве единицы энергии в 1882 году Вильгельм Сименс в своей инаугурационной речи в качестве председателя Британской ассоциации содействия развитию науки (23 августа 1882 г.) первым предложил Джоуля в качестве единицы тепла , которые могут быть получены от электромагнитного единиц Ампера и Ом , в единицах cgs, эквивалентных10 ⁷  эрг . Название подразделения в честь Джеймса Прескотта Джоуля (1818–1889), в то время находившегося на пенсии, но еще жившего (63 года), принадлежит Сименсу:

«Такую тепловую единицу, если она будет сочтена приемлемой, я думаю, с большим уместностью можно было бы назвать джоуль, в честь человека, который так много сделал для разработки динамической теории тепла». ^[8]

На втором Международном электрическом конгрессе 31 августа 1889 года джоуль был официально принят наряду с ваттом и квадрантом (позже переименованным в генри ). ^[9] Джоуль умер в том же году, 11 октября 1889 г. На четвертом конгрессе (1893 г.) были определены «международный Ампер» и «международный Ом» с небольшими изменениями в спецификациях для их измерения с помощью «международного Джоуль "является производной от них единицей.

В 1935 году Международная электротехническая комиссия (как организация-преемница Международного электротехнического конгресса) приняла « систему Джорджи », которая в силу принятия определенного значения магнитной постоянной также подразумевала новое определение 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 был единицей работы, выполняемой одной единицей силы (в то время еще не названной ньютоном ). на расстоянии 1 метра. Джоуль был явно задуман как единица энергии, которая будет использоваться как в электромагнитном, так и в механическом контексте. ^[10] Ратификация определения на девятой Генеральной конференции мер и весов в 1948 г. добавила уточнение, согласно которому джоуль также должен быть предпочтительной единицей измерения тепла в контексте калориметрии , тем самым официально осуждая использование калорийность . ^[11] Это определение было прямым предшественником джоуля, принятого в современной Международной системе единиц в 1960 году.

Определение джоуля как J = кг⋅м ² ⋅с ⁻² оставалось неизменным с 1946 года, но джоуль как производная единица унаследовал изменения в определениях второго (в 1960 и 1967) метра (в 1983 году). ) и килограмм ( в 2019 году ).

Практические примеры [ править ]

Один джоуль представляет (приблизительно)

• Кинетическая энергия из 2 кг масс , распространяющихся 1 м / с
• Энергия, необходимая для поднятия помидора среднего размера на 1 метр (3 фута 3 дюйма) (предположим, что помидор имеет массу примерно 100 граммов (3,5 унции)).
• Энергия, необходимая для ускорения массы 1 кг со скоростью 1 м⋅с ⁻² на расстояние 1 м.
• Тепла , необходимое для повышения температуры 1 г воды на 0,24 ° С. ^[12]
• Типичная энергия, выделяемая в виде тепла человеком в состоянии покоя каждые 1/60 с (приблизительно 17 мс). ^{[примечание 1]}
• Кинетическая энергия 50 кг человека , движущегося очень медленно (0,2 м / с или 0,72 км / ч).
• Кинетическая энергия теннисного мяча весом 56 г, движущегося со скоростью 6 м / с (22 км / ч). ^[13]
• Количество электроэнергии, необходимое для включения светодиода мощностью 1 Вт в течение 1 с.

Киловатт-час - это 3,6 мегаджоулей.

Множественные [ править ]

Йоктоджоуль

Йоктоджоуль (yJ) равен (10 ⁻²⁴ ) одного джоуля.

Зептоджоуль

Зептоджоуль (zJ) равен одному секстиллиону (10 ⁻²¹ ) одного джоуля. 160 зептоджоулей - это примерно один электронвольт .

Минимальная энергия, необходимая для небольшого изменения примерно при комнатной температуре - примерно 2,75 мкДж - определяется пределом Ландауэра .

Аттоджоуль

Аттоджоуль (aJ) равен (10 ⁻¹⁸ ) одного джоуля.

Фемтоджоулей

Фемтоджоуль (fJ) равен (10 ⁻¹⁵ ) одного джоуля.

Пикоджоуль

Пикоджоуль (пДж) равен одной триллионной (10 ^-12 ) части одного джоуля.

Наноджоуль

Наноджоуль (нДж) равен одной миллиардной (10 ^-9 ) части одного джоуля. 160 наноджоулей - это кинетическая энергия летающего комара. ^[14]

Микроджоуль

Микроджоуль (мкДж) равен одной миллионной части (10 ^-6 ) одного джоуля. Большой адронный коллайдер (БАК) производит столкновения порядка Микроджоуль (7 ТэВ) на одну частицу.

Милджоуль

Миллиджоуль (мДж) равен одной тысячной (10 ⁻³ ) джоуля.

Килоджоулей

Килоджоуль (кДж) равен одной тысяче (10 ³ ) джоулей. На этикетках пищевых продуктов в большинстве стран указана энергия в килоджоулей (кДж). ^[15]

Один квадратный метр Земли получает около 1,4 килоджоулей солнечной радиации каждую секунду при полном дневном свете. ^[16]

Мегаджоуль

Мегаджоуль (МДж) равен одному миллиону (10 ⁶ ) джоулей или приблизительно кинетической энергии транспортного средства в один мегаграмм (тонна), движущегося со скоростью 161 км / ч (100 миль в час).

Энергия, необходимая для нагрева 10 литров жидкой воды при постоянном давлении от 0 ° C (32 ° F) до 100 ° C (212 ° F), составляет примерно 4,2 МДж.

Один киловатт-час электроэнергии равен 3,6 мегаджоуля.

Гигаджоуль

Гигаджоуль (ГДж) равен одному миллиарду (10 ⁹ ) джоулей. 6 ГДж - это химическая энергия сжигания 1 барреля (159 л) нефти . ^[17] 2 ГДж - это единица энергии Планка .

Тераджоуль

Тераджоуль (ТДж) равен одному триллиону (10 ¹² ) джоулей; или около 0,278 ГВтч (что часто используется в энергетических таблицах). Little Boy выделил около 63 ТДж энергии . ^[18] Международная космическая станция , с массой приблизительно 450 megagrams и орбитальной скоростью 7700 м / с, ^[19] имеет кинетическую энергию от примерно 13 TJ. В 2017 году пиковая энергия ветра у урагана Ирма составила 112 ТДж. ^{[20] [21]} 90 ТДж - это количество энергии, эквивалентное 1 грамму массы .

Петаджоуль

Петаджоуль (ПДж) равен одному квадриллиону (10 ¹⁵ ) джоулей. 210 ПДж - это около 50 мегатонн в тротиловом эквиваленте, что соответствует количеству энергии, выпущенной Царь-бомбой , крупнейшим в истории рукотворным взрывом.

Экзаджоуль

Экзаджоуль (ЭДж) равен одному квинтиллиону (10 ¹⁸ ) джоулей. 2011 Тохоку землетрясения и цунами в Японии было 1,41 EJ энергии в соответствии с его оценкой 9,0 по шкале моментной магнитуды . Годовое потребление энергии в США составляет примерно 94 ЭДж.

Зеттаджоуль

Зеттаджоуль (ZJ) равен одному секстиллиону (10 ²¹ ) джоулю. Годовое мировое потребление энергии человеком составляет примерно 0,5 ЗДж. Энергия для повышения температуры атмосферы Земли на 1 ° C составляет примерно 2,2 ЗДж.

Йоттаджоуль

Йоттаджоуль (YJ) равен одному септиллиону (10 ²⁴ ) джоулей. Это примерно количество энергии, необходимое для нагрева всей воды на Земле на 1 ° C. Тепловая мощность Солнца составляет примерно 400 ЯДж в секунду.

Конверсии [ править ]

1 джоуль равен (приблизительно, если не указано иное):

• 1 × 10 ⁷  эрг (точно)
• 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  ft⋅lb (фут-фунт)
• 23,7  ft⋅pdl (фут-фунт)
• 2,7778 × 10 ^-7  kW⋅h (киловатт-час)
• 2.7778 × 10 ⁻⁴  Вт⋅ч (ватт-час)
• 9,8692 × 10 ⁻³  л⋅атм (литр-атмосфера)
• 11,1265 × 10 ⁻¹⁵  г (через эквивалент массы и энергии )
• 1 × 10 ⁻⁴⁴  врага (точно)

Единицы, точно определенные в джоулях, включают:

• 1 термохимическая калория = 4,184  Дж ^[22]
• 1 Международная таблица калорий = 4,1868  Дж ^[23]
• 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 в тротиловом эквиваленте = 4,184 ГДж

Ньютон-метр и крутящий момент [ править ]

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

Результатом этого сходства является то, что единицей СИ для крутящего момента является ньютон-метр , который алгебраически имеет те же размеры, что и джоуль, но не является взаимозаменяемым. Генеральная конференция по мерам и весам дала единицу энергии имени джоуло , но не дала единица крутящий момента какого - либо специального названия, следовательно , это просто ньютон-метр (Нм) - имя соединения , полученный из его составляющие части. ^[24] Использование ньютон-метров для крутящего момента и джоулей для энергии помогает избежать недоразумений и недоразумений. ^[24]

Различие также можно увидеть в том факте, 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 ( величина вектора ), а θ - угол поворота (в радианах ). Поскольку плоские углы безразмерны, отсюда следует, что крутящий момент и энергия имеют одинаковые размеры.

Ватт-секунда [ править ]

Ватт-вторыхи (символ W сек или Вт · с ) является производной единицей из энергии , эквивалентного джоуль. ^[25] Ватт-секунда - это энергия, эквивалентная мощности одного ватта в течение одной секунды . Хотя ватт-секунда эквивалентна джоулю как в единицах измерения, так и в значении, есть некоторые контексты, в которых термин «ватт-секунда» используется вместо «джоуль». ^{[ почему? ]}

Фотография [ править ]

В фотографии единицей измерения вспышек является ватт-секунда. Вспышка может быть оценена в ватт-секундах (например, 300 Вт⋅с) или в джоулях (разные названия для одного и того же), но исторически термин «ватт-секунда» использовался и продолжает использоваться.

${\displaystyle {\text{Energy of a flash in joules or watt-seconds}}={\dfrac {1}{2}}\cdot {\text{capacitance of the storage capacitor in farads}}\cdot {\text{working voltage}}^{2}}$

Показатель энергии вспышки не является надежным критерием ее светоотдачи, поскольку на эффективность преобразования энергии влияет множество факторов. Например, конструкция трубки повлияет на эффективность, а использование отражателей и фильтров изменит полезный световой поток по направлению к объекту. Некоторые компании указывают свои продукты в «истинных» ватт-секундах, а некоторые - в «номинальных» ватт-секундах. ^[26]

См. Также [ править ]

• Флюенс
• Взаимные джоули

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Словарь определения джоуля в Викисловаре