Джоуль
Единица энергии СИ

Джоуль
Интуитивное представление джоуля как работы движущей силы
Общая информация
Система единицСИ
Единица измеренияэнергия
СимволДж.
Назван в честьДжеймс Прескотт Джоуль
Конверсии
1 Дж в ...... равно ...
   основные единицы СИ   кг ⋅ м 2 ⋅ с −2
   Единицы СГС   1 × 10 7 эрг
   ватт-секунды   1  Вт ⋅ с
   киловатт-часы   ≈2,78 × 10−7  кВт⋅ч​
   килокалории (термохимические)   2,390 × 10−4  ккал т​
   БТЕ   9,48 × 10−4  БТЕ​
   электронвольты   ≈6,24 × 10 18  эВ

Джоуль ( / dʒ uː l / JOOL , или / dʒ aʊ l / JOWL ; символ: Дж ) — единица энергии в Международной системе единиц (СИ). [1] Он равен количеству работы , совершаемой при перемещении массы силой в один ньютон на расстояние в один метр в направлении действия 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 терминах основных единиц СИ и в терминах производных единиц СИ со специальными названиями джоуль определяется как [5]

Дж. =   к г ⋅ м 2 ⋅ с − 2 =   Н ⋅ м =   П а ⋅ м 3 =   Вт ⋅ с =   С ⋅ В {\displaystyle {\begin{alignedat}{3}\mathrm {J} \;&=~\mathrm {kg{\cdot }m^{2}{\cdot }s^{-2}} \\[0.7 ex]&=~\mathrm {N{\cdot }m} \\[0.7ex]&=~\mathrm {Pa{\cdot }m^{3}} \\[0.7ex]&=~\mathrm { W{\cdot }s} \\[0.7ex]&=~\mathrm {C{\cdot }V} \\[0.7ex]\end{alignedat}}}

СимволЗначение
Дж.джоуль
кгкилограмм
мметр
свторой
Нньютон
Папаскаль
Втватт
Скулон
Ввольт

Один джоуль также эквивалентен любому из следующих значений: [6]

Джоуль назван в честь Джеймса Прескотта Джоуля . Как и каждая единица СИ , названная в честь человека, ее символ начинается с заглавной буквы (J), но при написании полностью он следует правилам написания заглавных букв нарицательных существительных ; то есть, джоуль пишется с заглавной буквы в начале предложения и в заголовках, но в остальном пишется строчными буквами. [7]

История

Система СГС была официально объявлена ​​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 года) впервые предложил джоуль в качестве единицы тепла , которая должна была быть получена из электромагнитных единиц ампера и ома , в единицах СГС, эквивалентных10 7  эрг . Название единицы в честь Джеймса Прескотта Джоуля (1818–1889), в то время находившегося на пенсии, но еще живого (в возрасте 63 лет), было дано по рекомендации Сименса:

«Такая единица измерения тепла, если ее сочтут приемлемой, могла бы, я думаю, с большим основанием называться джоулем, 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 года. На четвертом конгрессе (1893) были определены «международный ампер» и «международный ом» с небольшими изменениями в спецификациях для их измерения, при этом «международный джоуль» стал единицей, полученной из них. [10]

В 1935 году Международная электротехническая комиссия (как преемница Международного электрического конгресса) приняла « систему Джорджи », которая в силу принятия определенного значения для 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 как единица работы, выполняемой одной единицей силы (в то время еще не названной ньютоном ) на расстоянии 1 метра . Джоуль был явно предназначен как единица энергии, которая будет использоваться как в электромагнитном, так и в механическом контексте. [11] Ратификация определения на девятой Генеральной конференции по мерам и весам в 1948 году добавила спецификацию о том, что джоуль также должен быть предпочтительным в качестве единицы тепла в контексте калориметрии , тем самым официально запретив использование калории . [12] Это определение было провозглашено в современной Международной системе единиц в 1960 году. [13]

Определение джоуля как Дж = кг⋅м 2 ⋅с −2 оставалось неизменным с 1946 года, но джоуль как производная единица унаследовал изменения в определениях секунды ( в 1960 и 1967 годах), метра (в 1983 году) и килограмма ( в 2019 году ). [14]

Практические примеры

Один джоуль равен (приблизительно):

  • Типичная энергия, выделяемая в виде тепла человеком в состоянии покоя каждые 1/60 с (~16,6667  мс , основной обмен веществ ); около 5000  кДж (1200  ккал ) / день.
  • Количество электроэнергии, необходимое для работыУстройство мощностью 1  Вт для1  с .
  • Энергия, необходимая для ускорения1  кг массы в1  м/с 2 на расстоянии1  м .
  • Кинетическая энергия​ Масса 2  кг, движущаяся со скоростью1  м/с , илиМасса 1  кг, движущаяся со скоростью1,41  м/с .
  • Энергия, необходимая для подъема яблока на высоту 1 м, предполагая, что масса яблока составляет 101,97 г.
  • Тепло , необходимое для повышения температуры 0,239 г воды от 0 °C до 1 °C. [15]
  • Кинетическая энергия​Человек массой 50 кг движется очень медленно (0,2 м/с или 0,72 км/ч).
  • Кинетическая энергияТеннисный мяч массой 56 г, движущийся со скоростью 6 м/с (22 км/ч). [16]
  • Энергетическая ценность (ккал) пищи, содержащейся в чуть более чем половине кристалла сахара обычного размера (0,102  мг /кристалл).

Множественные

Кратные джоули в системе СИ (Дж)
Дробные числаМножественные
Ценитьсимвол СИИмяЦенитьсимвол СИИмя
10 −1  Дждиджейдециджоуль10 1  ДждаДждекаджоуль
10 −2  ДжсДжейсантиджоуль10 2  ДжhJгектоджоуль
10−3  Дж​мДжмиллиджоуль10 3  ДжкДжкилоджоуль
10 −6  ДжмкДжмикроджоуль10 6  ДжМДжмегаджоуль
10 −9  ДжнДжнаноджоуль10 9  ДжГДжгигаджоуль
10 −12  ДжпДжпикоджоуль10 12  ДжТДжтераджоуль
10 −15  ДжфДжфемтоджоуль10 15  ДжПЖпетаджоуль
10 −18  ДжЭйДжейаттоджоуль10 18  ДжЭ.Дж.эксаджоуль
10 −21  ДжzJзептоджоуль10 21  ДжЗЖзеттаджоуль
10 −24  ДжyJйоктоджоуль10 24  ДжYJйоттаджоуль
10 −27  ДжрДжронтоджоуль10 27  ДжРЖроннаджоуль
10 −30  ДжqJквектоджоуль10 30  ДжQJкеттаджоуль
Общие кратные выделены жирным шрифтом.
Зептоджоуль
160 зептоджоулей составляют около 1 электронвольта .
Минимальная энергия, необходимая для изменения некоторого количества данных в вычислениях при температуре, близкой к комнатной, — приблизительно2,75 зДж – определяется пределом Ландауэра . [ требуется ссылка ]
Наноджоуль
160 наноджоулей — это примерно кинетическая энергия летящего комара. [17]
Микроджоуль
Большой адронный коллайдер (БАК) производит столкновения порядка микроджоулей (7 ТэВ) на частицу. [ необходима ссылка ]
Килоджоуль
В большинстве стран на этикетках пищевых продуктов указана энергетическая ценность в килоджоулях (кДж). [18]
На один квадратный метр Земли приходится около1,4 килоджоуля солнечного излучения каждую секунду при дневном свете. [19] Человек во время спринта имеет приблизительно 3 кДж кинетической энергии, [20] тогда как гепард во времяСпринт со скоростью 122  км/ч (76 миль/ч) потребляет приблизительно 20 кДж. [21] Один ватт-час электроэнергии или любой другой формы энергии составляет 3,6 кДж.
Мегаджоуль
Мегаджоуль приблизительно равен кинетической энергии транспортного средства массой один мегаграмм (тонна), движущегося со скоростью161  км/ч (100 миль/ч). [ необходима цитата ]
Энергия, необходимая для нагрева10 л жидкой воды при постоянном давлении от 0 °C (32 °F) до 100 °C (212 °F) составляют приблизительно4,2  МДж . [ необходима ссылка ]
Один киловатт-час электроэнергии или любой другой формы энергии составляет 3,6 МДж.
Гигаджоуль
6  гигаджоулей — это химическая энергия сгорания 1 барреля (159 л) нефти . [22] 2 ГДж — это единица энергии Планка . Один мегаватт-час электричества или любой другой формы энергии составляет 3,6 ГДж.
Тераджоуль
Тераджоуль равен примерно0,278  ГВтч (что часто используется в энергетических таблицах).63  ТДж энергии было выделено Малышом . [23] Международная космическая станция , массой приблизительно450  мегаграмм и орбитальная скорость7700  м/с , [24] имеет кинетическую энергию примерно13 ТДж . В 2017 году ураган Ирма , по оценкам, имел пиковую энергию ветра112 ТДж . [25] [26] Один гигаватт-час электроэнергии или любой другой формы энергии равен 3,6 ТДж.
Петаджоуль
210 петаджоулей — это примерно50  мегатонн тротила, что является количеством энергии, высвободившейся при взрыве « Царь-бомбы» , самого большого искусственного взрыва в истории. Один тераватт-час электричества или любой другой формы энергии равен 3,6 ПДж.
Эксаджоуль
Землетрясение и цунами в Тохоку в Японии в 2011 году1,41 ЭДж энергии в соответствии с его рейтингом 9,0 по шкале моментной величины . Годовое потребление энергии в США составляет примерно94 ЭДж , а мировое конечное потребление энергии составило439 ЭДж в 2021 году. [27] Один петаватт-час электроэнергии или любой другой формы энергии составляет 3,6 ЭДж.
Зеттаджоуль
Зеттаджоуль немного больше, чем количество энергии, необходимое для нагрева Балтийского моря на 1 °C, при условии, что свойства аналогичны свойствам чистой воды . [28] Ежегодное потребление энергии человечеством в мире составляет приблизительно0,5 ЗДж . Энергия, необходимая для повышения температуры атмосферы Земли на 1 °C, составляет примерно2.2 ZJ . [ требуется ссылка ]
Йоттаджоуль
Йоттаджоуль немного меньше количества энергии, необходимого для нагрева Индийского океана на 1 °C, при условии, что его свойства аналогичны свойствам чистой воды. [28] Тепловая мощность Солнца составляет приблизительно400 YJ в секунду. [ необходима цитата ]

Конверсии

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

  • 1,0 × 10 8  эрг (точно)
  • 6,24151 × 10 18  эВ
  • 9,47817 × 10−3  БТЕ​
  • 0,737562 ft⋅lb (фут-фунт)
  • 23.7304 ft⋅pdl (фут-фунт)

Единицы, имеющие точные эквиваленты в джоулях, включают:

  • 1 термохимическая калория = 4,184  Дж [29]
  • 1 Международная таблица калорий = 4,1868  Дж [30]
  • 1  Вт⋅ч = 3600 Дж; 3,6 кДж
  • 1  кВт⋅ч = 3,6 × 10 6  Дж; 3,6 МДж^
  • 1  Вт⋅с =1 Дж
  • 1 тонна ТНТ = 4,184 ГДж 
  • 1 враг = 10 44  Дж [31]

Ньютон-метр и крутящий момент

В механике понятие силы (в некотором направлении) имеет близкий аналог в понятии крутящего момента (вокруг некоторого угла): [ необходима цитата ]

ЛинейныйУгловой
СилаКрутящий момент
МассаМомент инерции
СмещениеУгол

Результатом этого сходства является то, что единицей СИ для крутящего момента является ньютон-метр , который алгебраически имеет те же размеры , что и джоуль, но они не взаимозаменяемы. Генеральная конференция по мерам и весам дала единице энергии название джоуль , но не дала единице крутящего момента никакого специального названия, поэтому это просто ньютон-метр (Н⋅м) — составное название, полученное из его составных частей. [32] Использование ньютон-метров для крутящего момента, а джоулей для энергии полезно для избежания недоразумений и недопонимания. [32]

Различие можно увидеть также в том факте, что энергия является скалярной величиной – скалярным произведением вектора силы и вектора смещения. Напротив, крутящий момент является вектором – перекрестным произведением вектора силы и вектора расстояния. Крутящий момент и энергия связаны друг с другом уравнением [ необходима цитата ] Э = τ θ , {\displaystyle E=\тау \тета \,,}

где E — энергия, τ — ( векторная величина ) крутящего момента, а θ — угол, охватываемый (в радианах ). Поскольку плоские углы безразмерны, отсюда следует, что крутящий момент и энергия имеют одинаковые размерности. [ необходима цитата ]

Ватт-секунда

Ватт -секунда (символ Вт с или Вт⋅с ) — производная единица энергии , эквивалентная джоулю. [33] Ватт-секунда — это энергия , эквивалентная мощности одного ватта, поддерживаемой в течение одной секунды . Хотя ватт-секунда эквивалентна джоулю как в единицах, так и по значению, существуют некоторые контексты, в которых термин «ватт-секунда» используется вместо «джоуля», например, при оценке фотографических электронных вспышек . [34]

Ссылки

  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 2021-06-04 , извлечено 2021-12-16
  2. ^ Американский словарь наследия английского языка, онлайн-издание (2009). Houghton Mifflin Co., размещено на Yahoo! Education.
  3. ↑ The American Heritage Dictionary , Второе издание колледжа (1985). Бостон: Houghton Mifflin Co., стр. 691.
  4. ^ Словарь физики McGraw-Hill , пятое издание (1997). McGraw-Hill, Inc., стр. 224.
  5. ^ "Руководство NIST по системе СИ, Глава 4: Два класса единиц СИ и префиксы СИ". NIST . 2016-01-28.
  6. ^ Холлидей, Дэвид ; Резник, Роберт (1974), Основы физики (пересмотренное издание), Нью-Йорк: Wiley, стр. 516–517, ISBN 0471344311
  7. ^ "Что такое джоуль? - Определение из химии". ThoughtCo . Получено 2024-04-07 .
  8. ^ Siemens, Cal Wilhelm (август 1882 г.). Отчет о пятьдесят втором заседании Британской ассоциации содействия развитию науки. Саутгемптон. стр. 1–33. стр. 6–7: До сих пор единица измерения тепла принималась по-разному: как тепло, необходимое для нагрева фунта воды в точке замерзания на 1° по Фаренгейту или по Цельсию, или, опять же, как тепло, необходимое для нагрева килограмма воды на 1° по Цельсию. Неудобство столь произвольной единицы достаточно очевидно, чтобы оправдать введение единицы, основанной на электромагнитной системе, а именно: тепло, вырабатываемое за одну секунду током в Ампер, протекающим через сопротивление Ом. В абсолютной мере ее значение составляет 10 7 единиц СГС, и, предполагая эквивалент Джоуля как 42 000 000, это тепло, необходимое для нагрева 0,238 грамма воды на 1° по Цельсию, или, приблизительно, 1 / 1000 -я часть условной единицы фунта воды, поднятой на 1° по Фаренгейту, и 1 / 4000 -я часть килограмма воды, поднятой на 1° по Цельсию. Такая единица тепла, если будет найдена приемлемой, могла бы с большим основанием, я думаю, быть названа Джоулем, в честь человека, который так много сделал для разработки динамической теории тепла.
  9. ^ Пэт Нотин: Хронологическая история современной метрической системы, metricationmatters.com, 2009.
  10. ↑ Труды Международного электрического конгресса. Нью-Йорк: Американский институт инженеров-электриков. 1894.
  11. ^ МКМВ, 1946, Резолюция 2, Определения электрических единиц. bipm.org .
  12. ^ 9-я ГКМВ, Резолюция 3: Тройная точка воды; термодинамическая шкала с одной фиксированной точкой; единица количества теплоты (джоуль)., bipm.org.
  13. ^ Международная система единиц (PDF) (9-е изд.), Международное бюро мер и весов, декабрь 2022 г., ISBN 978-92-822-2272-0
  14. ^ «Переопределение SI». НИСТ . 11 мая 2018 г.
  15. ^ "Единицы измерения тепла – БТЕ, калория и джоуль". Engineering Toolbox . Получено 2021-06-14 .
  16. ^ 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.
  17. ^ "Физика – ЦЕРН". public.web.cern.ch . Архивировано из оригинала 2012-12-13.
  18. ^ «Вы говорите «калория», мы говорим «килоджоуль»: кто прав?». Архивировано из оригинала 2023-05-15 . Получено 2 мая 2017 .
  19. ^ "Построение временного ряда составного полного солнечного излучения (TSI) с 1978 года по настоящее время". Архивировано из оригинала 2011-08-30 . Получено 2005-10-05 .
  20. ^ 1 2 ⋅ 70   кг ⋅ ( 10   РС ) 2 = 3500   Дж. {\displaystyle {\tfrac {1}{2}}\cdot 70~{\text{кг}}\cdot \left(10~{\text{м/с}}\right)^{2}=3500~{\text{Дж}}}
  21. ^ 1 2 ⋅ 35   кг ⋅ ( 35   РС ) 2 = 21 , 400   Дж. {\displaystyle {\tfrac {1}{2}}\cdot 35~{\text{кг}}\cdot \left(35~{\text{м/с}}\right)^{2}=21,400~{\text{Дж}}}
  22. ^ «Единицы измерения энергии – Объяснение энергии, Ваше руководство по пониманию энергии – Управление энергетической информации». www.eia.gov .
  23. ^ 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.
  24. ^ "Международная космическая станция Окончательная конфигурация" (PDF) . Европейское космическое агентство . Архивировано из оригинала (PDF) 21 июля 2011 года . Получено 18 марта 2015 года .
  25. ^ Бонни Берковиц; Ларис Карклис; Рубен Фишер-Баум; Чики Эстебан (11 сентября 2017 г.). «Анализ – насколько велик ураган Ирма?». Washington Post . Получено 2 ноября 2017 г.
  26. ^ Рэтбоун, Джон-Пол; Фонтанелла-Хан, Джеймс; Ровник, Наоми (11 сентября 2017 г.). «Ослабленная Ирма наносит еще больший ущерб побережью Флориды». Financial Times . Нью-Йорк (Рэтбоун), Майами (Фонтанелла-Хан), Лондон (Ровник). ISSN  0307-1766. Архивировано из оригинала 4 августа 2024 г. . Получено 11 сентября 2017 г.
  27. ^ World Energy Outlook 2022 (Отчет). Международное энергетическое агентство. 2022. стр. 239. Получено 7 сентября 2023 г.
  28. ^ ab "Объемы Мирового океана из ETOPO1". noaa.gov . Национальное управление океанических и атмосферных исследований. 19 августа 2020 г. Получено 8 марта 2022 г.
  29. ^ 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.
  30. ^ Фейнман, Ричард (1963). "Физические единицы". Лекции Фейнмана по физике . Получено 07.03.2014 .
  31. ^ Марк Херант; Стирлинг А. Колгейт; Вилли Бенц; Крис Фрайер (25 октября 1997 г.). "Нейтрино и сверхновые" (PDF) . Los Alamos Sciences . Los Alamos National Laboratory . Архивировано из оригинала (PDF) 2009-01-14 . Получено 2008-04-23 .
  32. ^ ab "Единицы со специальными названиями и символами; единицы, включающие специальные названия и символы". Международное бюро мер и весов . Архивировано из оригинала 28 июня 2009 г. Получено 18 марта 2015 г. Производная единица часто может быть выражена разными способами путем объединения базовых единиц с производными единицами, имеющими специальные названия. Джоуль, например, формально может быть записан как ньютон-метр или килограмм-метр-квадрат на секунду-квадрат. Однако это алгебраическая свобода, которая должна регулироваться здравым смыслом физических соображений; в данной ситуации некоторые формы могут быть более полезными, чем другие. На практике с определенными величинами предпочтение отдается использованию определенных специальных названий единиц или комбинаций названий единиц, чтобы облегчить различие между различными величинами, имеющими одинаковую размерность.
  33. ^ 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 2021-06-04 , извлечено 2021-12-16
  34. ^ «Что такое ватт-секунда?».
  • Словарное определение джоуля в Викисловаре
Послушайте эту статью ( 13 минут )
Разговорный значок Википедии
Этот аудиофайл был создан на основе редакции этой статьи от 6 марта 2024 года и не отражает последующие правки. ( 2024-03-06 )
( Аудиопомощь  · Больше устных статей )
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Joule&oldid=1248491906"