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]
Джоуль | |
---|---|
Система единиц | Производная единица СИ |
Единица | Энергия |
Символ | J |
Названный в честь | Джеймс Прескотт Джоуль |
Конверсии | |
1 Дж в ... | ... равно ... |
Базовые единицы СИ | кг ⋅ м 2 ⋅ с −2 |
Единицы CGS | 1 × 10 7 эрг |
Ватт-секунды | 1 Вт ⋅ с |
киловатт-часы | ≈2,78 × 10 -7 kW⋅h |
килокалорий ( термохимический ) | 2,390 × 10 -4 ккал й |
БТЕ | 9,48 × 10 -4 БТЕ |
Определение
С точки зрения сначала основных единиц СИ, а затем других единиц СИ, ниже определяется джоуль (пожалуйста, обратите внимание на значения символов в этой таблице):
Символ | Имея в виду |
---|---|
J | джоуль |
кг | килограмм |
м | метр |
s | второй |
N | ньютон |
Па | паскаль |
W | ватт |
C | кулон |
V | вольт |
Ω | ом |
А | ампер |
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
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 бы она была признана приемлемой, я думаю, с большим правомерностью 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 по мерам и весам 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
Один джоуль представляет (приблизительно):
- Кинетическая энергия А Масса 2 кг, путешествующая на1 м / с .
- Энергия, необходимая для поднятия помидора среднего размера на 1 метр (3 фута 3 дюйма), предположим, что томат имеет массу 101,97 грамма (3,597 унции).
- Энергия, необходимая для ускорения Масса 1 кг при1 м / с 2 на расстоянии1 мес .
- Тепла , необходимое для повышения температуры единицы массы (1 г ) воды от 0 ° C до 1 ° C или от 32 ° F до 33,8 ° F. [12]
- Типичная энергия, выделяемая в виде тепла человеком в состоянии покоя каждые 1/60 с (17 мс ). [примечание 1]
- Кинетическая энергия АЧеловек весом 50 кг движется очень медленно (0,2 м / с или 0,72 км / ч).
- Кинетическая энергия Теннисный мяч весом 56 г движется со скоростью 6 м / с (22 км / ч). [13]
- Количество электричества, необходимое для освещения Светодиод 1 Вт для1 с .
- Пищевая энергия (ккал) содержится чуть более чем в половине кристаллов сахара (0,102 мг / кристалл).
Кратные
|
- Йоктоджоуль
- Йоктоджоуль (yJ) равен 10 −24 джоулей .
- Зептоджоуль
- Зептоджоуль (zJ) равен одному секстиллиону ( 10 −21 ) одного джоуля. 160 мкДж - это примерно один электронвольт . Минимальная энергия, необходимая для небольшого изменения примерно при комнатной температуре - примерно 2,75 мкДж - дается пределом Ландауэра .
- Аттоджоуль
- Аттоджоуль (aJ) равен 10 −18 джоулей .
- Фемтоджоулей
- Фемтоджоуль (fJ) равен 10 −15 джоулей .
- Пикоджоуль
- Пикоджоуль (пДж) равен одной триллионной ( 10 −12 ) одного джоуля.
- Наноджоуль
- Наноджоуль (нДж) равен одной миллиардной ( 10 −9 ) одного джоуля. 160 наноджоулей - это кинетическая энергия летающего комара. [14]
- Микроджоуль
- Микроджоуль (мкДж) равен одной миллионной ( 10 −6 ) одного джоуля. Большой адронный коллайдер (БАК) производит столкновения порядка Микроджоуль (7 ТэВ) на одну частицу.
- Милджоуль
- Милджоуль (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]На один квадратный метр Земли приходится около 1.4 килоджоулей от солнечной радиации каждую секунду в полном дневном свете. [16]
- Мегаджоуль
- Мегаджоуль (МДж) равен одному миллиону ( 10 6 ) джоулей, или приблизительно кинетическая энергия транспортного средства в один мегаграмм (тонна), движущегося со скоростью 161 км / ч (100 миль / ч). Энергия, необходимая для нагрева 10 л жидкой воды при постоянном давлении от 0 ° C (32 ° F) до 100 ° C (212 ° F) примерно 4,2 МДж . Один киловатт-час электроэнергии - это 3,6 мегаджоулей .
- 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 ) джоули; или о 0,278 ГВтч (часто используется в таблицах энергопотребления). О 63 TJ энергии было выпущено Little Boy . [18] Международная космическая станция , с массой приблизительно 450 мегаграмм и орбитальная скорость 7700 м / с , [19] имеет кинетическую энергию примерно 13 ТДж . В 2017 году пиковая энергия ветра урагана Ирма, по оценкам, составила 112 ТДж . [20] [21]90 ТДж - это количество энергии, эквивалентное1 грамм масс .
- Петаджоуль
- Петаджоуль (ПДж) равен одному квадриллиону ( 10 15 ) джоулей. 210 ПДж это примерно 50 мегатонн в тротиловом эквиваленте - это количество 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 ЭДж энергии в соответствии с его рейтингом 9,0 по шкале моментных величин . Годовое потребление энергии в США составляет примерно 94 EJ .
- Зеттаджоуль
- Зеттаджоуль (ZJ) равен одному секстиллиону ( 10 21 ) джоули. Годовое мировое потребление энергии людьми составляет примерно 0,5 ZJ . Энергия для повышения температуры атмосферы Земли на 1 ° C составляет примерно 2.2 ZJ .
- 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 ЙДж в секунду.
Конверсии
1 джоуль равен (приблизительно, если не указано иное):
- 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 latm (литр-атмосфера)
- 11,1265 × 10 −15 г (через эквивалент массы и энергии )
- 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
В механике понятие силы (в каком-то направлении) имеет близкий аналог в понятии крутящего момента (около некоторого угла):
Линейный | Угловой |
---|---|
Сила | Крутящий момент |
Масса | Момент инерции |
Смещение | Угол |
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
где E - энергия, τ - крутящий момент ( величина вектора ), а θ - угол поворота (в радианах ). Поскольку плоские углы безразмерны, следовательно, крутящий момент и энергия имеют одинаковые размеры.
Ватт-секунда
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
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.
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]
Смотрите также
- Флюенс
- Взаимные джоули
Заметки
- ^ Это называется основной скоростью метаболизма . Это соответствует примерно 5000 кДж (1200 ккал) в день. Килокалория (символ ккал) также известна как диетическая калория .
Рекомендации
- ^ "джоуль" . Новый английский словарь по историческим принципам . Пресса Кларендона. Январь 1901 г. с. 606.CS1 maint: дата и год ( ссылка )
- ^ Аллен, Х.С. (сентябрь 1943 г.). «Природа 152, 354 (1943)» . Природа . 152 (3856): 354. DOI : 10.1038 / 152354a0 . S2CID 4182911 .
- ^ Уэллс, Джон (2008). Словарь произношения Longman (3-е изд.). Пирсон Лонгман. ISBN 978-1-4058-8118-0.
- ^ Международное бюро мер и весов (2006 г.), Международная система единиц (СИ) (PDF) (8-е изд.), Стр. 120, ISBN 92-822-2213-6, архивировано (PDF) из оригинала на 2017-08-14
- ^ Американский словарь наследия английского языка , онлайн-издание (2009). Houghton Mifflin Co., размещенная на Yahoo! Образование .
- ^ Словарь американского наследия , второе издание колледжа (1985). Бостон: Houghton Mifflin Co., стр. 691.
- ^ Словарь физики Макгроу-Хилла , пятое издание (1997). McGraw-Hill, Inc., стр. 224.
- ^ "Единица тепла до сих пор принималась по-разному, как тепло, необходимое для поднятия фунта воды при температуре замерзания на 1 ° по Фаренгейту или Цельсию, или, опять же, тепло, необходимое для поднятия килограмма воды на 1 ° по Цельсию. Неудобство такого совершенно произвольного устройства достаточно очевидно, чтобы оправдать введение устройства, основанного на электромагнитной системе, а именно тепла, выделяемого за одну секунду током Ампера, протекающим через сопротивление Ом. В абсолютной мере его значение равно 10 7 CGS единиц, и, предполагаяэквивалентную Джоулякак 42,000,000, это тепло необходимо поднять 0,238 граммов воды1 °Цельсию, или, приблизительно, то 1 / 1000 - й части произвольной единицы фунта воды поднял 1 ° по Фаренгейту и 1 ⁄ 4000 килограмма воды поднялась на 1 градус по Цельсию. Такую тепловую единицу, если она будет сочтена приемлемой, я думаю, с большим уместностью можно было бы назвать Джоуля, в честь человека, который так много сделал для развития динамической теории тепла ». Карл Вильгельм Сименс, Отчет о пятьдесят второй встрече Британской ассоциации развития науки S. 6 f.
- ^ Пэт Нотин: Хронологическая история современной метрической системы. , metricationmatters.com, 2009 г.
- ^ CIPM, 1946, Резолюция 2, Определения электрических единиц. bipm.org.
- ^ 9-я CGPM, Резолюция 3: Тройная точка воды; термодинамическая шкала с одной фиксированной точкой; единица количества тепла (джоуль). , bipm.org.
- ^ «Единицы тепла - БТЕ, калория и джоуль» . Инженерный инструментарий . Проверено 7 июня 2019 .
- ^ Ристинен, Роберт А .; Краушаар, Джек Дж. (2006). Энергия и окружающая среда (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Джон Уайли и сыновья. ISBN 0-471-73989-8.
- ^ «Физика - ЦЕРН» . public.web.cern.ch . Архивировано из оригинала на 2012-12-13.
- ^ «Вы говорите калории, мы говорим килоджоулей: кто прав?» . Дата обращения 2 мая 2017 .
- ^ «Построение составного временного ряда полной солнечной радиации (TSI) с 1978 года по настоящее время» . Архивировано из оригинала на 2011-08-30 . Проверено 5 октября 2005 .
- ^ «Энергетические единицы - объяснение энергии, ваше руководство по пониманию энергии - Управление энергетической информации» . www.eia.gov .
- ^ Малик, Джон (сентябрь 1985). «Отчет LA-8819: Мощность ядерных взрывов в Хиросиме и Нагасаки» (PDF) . Лос-Аламосская национальная лаборатория . Архивировано из оригинального (PDF) 11 октября 2009 года . Проверено 18 марта 2015 года .
- ^ «Окончательная конфигурация Международной космической станции» (PDF) . Европейское космическое агентство . Архивировано из оригинального (PDF) 21 июля 2011 года . Проверено 18 марта 2015 года .
- ^ Бонни Берковиц; Ларис Карклис; Рубен Фишер-Баум; Чики Эстебан (11 сентября 2017 г.). «Анализ - Насколько велик ураган Ирма?» . Вашингтон Пост . Проверено 2 ноября 2017 года .
- ^ " Ирма обрушивает свою ярость на юг Флориды ", Financial Times , доступ 10 сентября 2017 г. (требуется подписка)
- ^ Принятие джоулей в качестве единиц энергии , Специальный комитет экспертов ФАО / ВОЗ по энергии и белку, 1971. Отчет о переходе от калорий к джоулям в питании.
- ^ Фейнман, Ричард (1963). «Физические единицы» . Лекции Фейнмана по физике . Проверено 7 марта 2014 .
- ^ а б «Единицы со специальными названиями и символами; единицы со специальными названиями и символами» . Международное бюро мер и весов . Архивировано из оригинального 28 июня 2009 года . Проверено 18 марта 2015 года .
Производная единица часто может быть выражена по-разному, комбинируя базовые единицы с производными единицами, имеющими специальные имена. Джоуль, например, формально можно записать как ньютон-метр или килограмм-метр в квадрате на секунду в квадрате. Это, однако, алгебраическая свобода руководствоваться физическими соображениями здравого смысла; в данной ситуации одни формы могут быть более полезными, чем другие. На практике для определенных количеств предпочтение отдается использованию определенных специальных наименований единиц или комбинаций наименований единиц, чтобы облегчить различие между разными величинами, имеющими одинаковую размерность.
- ^ Международное бюро мер и весов (2006 г.), Международная система единиц (СИ) (PDF) (8-е изд.), Стр. 39–40, 53, ISBN 92-822-2213-6, архивировано (PDF) из оригинала на 2017-08-14
- ^ "Что такое ватт-секунда?" .
Внешние ссылки
- Словарь определения джоуля в Викисловаре