Джоуль - Joule

Эта статья про единицу энергии. Для использования в других целях см. Джоуль (значения).

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⋅s^−2
Единицы CGS	1×10^7 эрг
киловатт-часы	2.78×10^−7 кВт⋅ч
килокалории (термохимический )	2.390×10^−4 ккалth
БТЕ	9.48×10^−4 БТЕ
электронвольт	6.24×10^18 эВ

В джоуль (/dʒаʊл,dʒuл/ челюсть, джул;^[1][2][3] символ: J) это производная единица из энергия в Международная система единиц.^[4] Он равен энергии, переданной (или работай сделано на) объект, когда сила одного ньютон действует на этот объект в направлении движения силы на расстояние в один метр (1 ньютон-метр или Н · м). Это также энергия, рассеиваемая в виде тепла, когда электрическая Текущий одного ампер проходит через сопротивление одного ом на одну секунду. Назван в честь английского физика. Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889).^[5][6][7]

Определение

С точки зрения в первую очередь базы Единицы СИ а затем в терминах других единиц системы СИ ниже определяется джоуль (пожалуйста, обратите внимание на значения символов в этой таблице):

Символ	Смысл
J	джоуль
кг	килограмм
м	метр
s	второй
N	ньютон
Па	паскаль
W	ватт
C	кулон
V	вольт
Ω	ом
А	ампер

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

Один джоуль можно также определить следующим образом:

• Работа, необходимая для перемещения электрический заряд одного кулон через разность электрических потенциалов одного вольта или одного кулон-вольт (C⋅V). Это соотношение можно использовать для определения напряжения.
• Работа, необходимая для производства одного ватта мощность на одну секунду или один ватт-секунда (W⋅s) (сравнить киловатт-час - 3,6 мегаджоулей). Это соотношение можно использовать для определения ватт.

Джоуль назван в честь Джеймс Прескотт Джоуль. Как и с каждым SI единица названа в честь человека, ее символ начинается с верхний регистр буква (J), но когда написана полностью, она следует правилам использования заглавных букв имя нарицательное; т.е. "джоуль"становится заглавным в начале предложения и в заголовках, но в остальном - в нижнем регистре.

История

В система cgs был объявлен официальным в 1881 г. Международный электротехнический конгресс. эрг была принята в качестве единицы энергии в 1882 году. Вильгельм Сименс, в своей инаугурационной речи в качестве председателя Британская ассоциация развития науки (23 августа 1882 г.) впервые предложил Джоуль как единица высокая температура, которые будут производными от электромагнитных единиц Ампер и Ом, в единицах cgs, эквивалентных 10⁷ эрг.Название агрегата в честь Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889), в то время на пенсии, но все еще жив (63 года), принадлежит Сименсу:

«Такую тепловую единицу, если она будет сочтена 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 ватт и квадрант (позже переименован 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, при этом «международный джоуль» стал единица, производная от них.

В 1935 г. Международная электротехническая комиссия (как организация-преемница Международного электротехнического конгресса) приняла "Георгий система ", которая в силу принятия определенного значения для магнитная постоянная также подразумевает новое определение Джоуля. Система Георгия была одобрена Международный комитет мер и весов в 1946 году. Джоуль больше не определялся на основе электромагнитной единицы, а вместо этого определялся как единица измерения работай выполняется одной единицей войск (на тот момент еще не названной ньютон ) на расстоянии 1 метр. Джоуль был явно задуман как единица энергии, которая будет использоваться как в электромагнитном, так и в механическом контексте.^[10] Утверждение определения на девятом Генеральная конференция по мерам и весам в 1948 г. добавили указание, что джоуль также должен быть предпочтительной единицей измерения высокая температура в контексте калориметрия, тем самым официально отказываясь от использования калорийность.^[11] Это определение было прямым предшественником джоуля, принятого в современном мире. Международная система единиц в 1960 г.

Определение джоуля как J = kg⋅m²⋅s⁻² остается неизменным с 1946 года, но джоуль как производная единица унаследовал изменения в определениях второй (в 1960 и 1967 гг.) метр (в 1983 г.) и килограмм (в 2019 году ).

Практические примеры

Один джоуль представляет (приблизительно):

• В кинетическая энергия из 2 кг масса Путешествие в 1 РС
• 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 через расстояние 1 м.
• В высокая температура требуется 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]}
• В кинетическая энергия человека весом 50 кг, 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 освещения 1 Вт ВЕЛ на 1 с.

Киловатт-час составляет 3,6 мегаджоулей.

Кратные

Дополнительные примеры см. По порядку величины (энергия).

СИ, кратные джоулям (Дж) Подмножественные Кратные Ценить Символ SI Имя Ценить Символ SI Имя 10^−1 J диджей дециджоуль 10^1 J daJ декаджоуль 10^−2 J cJ сантиджоуль 10^2 J hJ гектоджоуль 10^−3 J мДж миллиджоуль 10^3 J кДж килоджоуль 10^−6 J мкДж микроджоуль 10^6 J MJ мегаджоуль 10^−9 J нДж наноджоуль 10^9 J ГДж гигаджоуль 10^−12 J пДж пикоджоуль 10^12 J TJ тераджоуль 10^−15 J fJ фемтоджоуль 10^15 J PJ петаджоуль 10^−18 J aJ аттоджоуль 10^18 J EJ экзаджоуль 10^−21 J zJ зептоджоуль 10^21 J ZJ зеттаджоуль 10^−24 J yJ йоктоджоуль 10^24 J YJ йоттаджоуль Общие кратные жирным шрифтом

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 величиной Предел Ландауэра.

Аттоджоуль

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

Фемтоджоуль

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

Пикоджоуль

Пикоджоуль (пДж) равен одной триллионной (10⁻¹²) одного джоуля.

Наноджоуль

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

Микроджоуль

Микроджоуль (мкДж) равен одной миллионной (10⁻⁶) одного джоуля. В Большой адронный коллайдер (LHC) производит столкновения порядка микроджоулей (7 ТэВ) на частицу.

Милджоуль

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

Килоджоулей

Килоджоуль (кДж) равен одной тысяче (10³) джоулей. На этикетках пищевых продуктов в большинстве стран указана энергия в килоджоулей (кДж).^[15]

Один квадратный метр земной шар получает около 1,4 килоджоулей солнечная радиация каждую секунду при дневном свете.^[16]

Мегаджоуль

Мегаджоуль (МДж) равен одному миллиону (10⁶) джоулей, или приблизительно кинетическая энергия транспортного средства в 1 мегаграмм (тонна), движущегося со скоростью 161 км / ч.

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 составляет 3,6 мегаджоулей.

Гигаджоуль

Гигаджоуль (ГДж) равен одному миллиарду (10⁹) джоулей. 6 ГДж - это примерно химическая энергия горения 1 бочка (159 л) нефть.^[17] 2 ГДж - это примерно Планковская энергия единица.

Тераджоуль

Тераджоуль (ТДж) равен одному триллиону (10¹²) джоули; или около 0,278 ГВтч (что часто используется в энергетических таблицах). Около 63 ТДж энергии было выделено Маленький мальчик.^[18] В Международная космическая станция, массой около 450 мегаграммы и орбитальная скорость 7700 м / с,^[19] имеет кинетическая энергия примерно 13 ТДж. В 2017 г. Ураган Ирма пиковая энергия ветра оценивается в 112 ТДж.^[20][21] 90 ТДж - это примерно количество энергии, эквивалентное 1 грамму массы.

Петаджоуль

Петаджоуль (ПДж) равен одному квадриллиону (10¹⁵) джоулей. 210 ПДж - это около 50 мегатонн в тротиловом эквиваленте, что является количеством энергии, выделяемой Царь Бомба, крупнейший техногенный взрыв в истории.

Экзаджоуль

Экзаджоуль (ЭДж) равен одному квинтиллиону (10¹⁸) джоулей. В Землетрясение и цунами в Тохоку 2011 г. в Японии было 1,41 ЭДж энергии в соответствии с его рейтингом 9,0 на шкала моментной магнитуды. Ежегодно Потребление энергии в США составляет примерно 94 EJ.

Зеттаджоуль

Зеттаджоуль (ZJ) равен одному секстиллиону (10²¹) джоулей. Человеческий ежегодник мировое потребление энергии составляет примерно 0,5 ЗДж.

Йоттаджоуль

Йоттаджоуль (YJ) равен одному септиллиону (10²⁴) джоулей. Это примерно количество энергии, необходимое для нагрева вся вода на Земле на 1 ° C. Тепловая мощность солнце составляет примерно 400 ЙДж в секунду.

Конверсии

Основная статья: Преобразование единиц энергии

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

• 1×10⁷ эрг (точно)
• 6.24150974×10¹⁸ 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-фунтальный)
• 2.7778×10⁻⁷ кВт⋅ч (киловатт-час)
• 2.7778×10⁻⁴ W⋅h (ватт-час)
• 9.8692×10⁻³ l⋅atm (литр-атмосфера)
• 11.1265×10⁻¹⁵ грамм (посредством масса-энергия эквивалентность)
• 1×10⁻⁴⁴ враг (точно)

Единицы, точно определенные в джоулях, включают:

• 1 термохимический калорийность = 4.184 J^[22]
• 1 международная таблица калорий = 4,1868 J^[23]
• 1 W⋅h = 3600 J (или 3,6 кДж)
• 1 кВт⋅ч = 3.6×10⁶ J (или 3,6 MJ)
• 1 W⋅s = 1 Дж
• 1 тонна тротила = 4,184 ГДж

Ньютон-метр и крутящий момент

Основная статья: Ньютон-метр

В механика, Концепция чего-либо сила (в каком-то направлении) имеет близкий аналог в концепции крутящий момент (под каким-то углом):

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 работает алгебраически иметь то же самое размеры как джоуль, но не взаимозаменяемы. В Генеральная конференция по мерам и весам дал единицу энергия название джоуль, но не дал единице крутящего момента никакого специального названия, следовательно, это просто ньютон-метр (Н · м) - составное название, образованное от составных частей.^[24] Использование ньютон-метров для крутящего момента и джоулей для энергии помогает избежать недопонимания и недопонимания.^[24]

Различие можно увидеть также в том, что энергия - это скаляр количество - скалярное произведение силы вектор и вектор смещения. Напротив, крутящий момент - это вектор - перекрестное произведение вектора силы и вектора расстояния. Крутящий момент и энергия связаны друг с другом уравнением

${\displaystyle E=\tau \theta \ ,}$

куда E это энергия, τ это величина вектора из) крутящий момент, и θ угол стреловидности (в радианы ). Поскольку плоские углы безразмерны, отсюда следует, что крутящий момент и энергия имеют одинаковые размеры.

Ватт-секунда

А ватт-секунда (символ W s или же Вт · с) это производная единица из энергия эквивалент джоуля.^[25] Ватт-секунда - это энергия, эквивалентная мощности одного ватт выдержанный для одного второй. 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

Смотрите также: Ведущее число

В фотографии блок для мигает это 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. Встроенная вспышка с использованием 1000 микрофарад конденсатор на 300 вольт, будет 45 ватт-секунд. Студийные вспышки, использующие конденсаторы большей емкости и более высокое напряжение, находятся в диапазоне 200–2000 ватт-секунд.

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

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 рефлекторов 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

Примечания

1. Это называется базальная скорость метаболизма. Это соответствует примерно 5000 кДж (1200 ккал) в день. Килокалория (символ ккал) также известна как диетическая калорийность.

Рекомендации

1. "джоуль". Новый английский словарь по историческим принципам. Пресса Кларендона. Январь 1901 г. с. 606.
2. Аллен, Х.С. (сентябрь 1943 г.). «Природа 152, 354 (1943)». Природа. 152 (3856): 354. Дои:10.1038 / 152354a0.
3. Уэллс, Джон (2008). Словарь произношения Longman (3-е изд.). Пирсон Лонгман. ISBN  978-1-4058-8118-0.
4. Международное бюро мер и весов (2006), Международная система единиц (СИ) (PDF) (8-е изд.), С. 120, ISBN  92-822-2213-6, в архиве (PDF) из оригинала на 2017-08-14
5. Словарь английского языка American Heritage, Интернет-издание (2009 г.). Houghton Mifflin Co., организованная Yahoo! Образование.
6. Словарь американского наследия, Второе издание колледжа (1985). Бостон: Houghton Mifflin Co., стр. 691.
7. Словарь физики Макгроу-Хилла, Пятое издание (1997). McGraw-Hill, Inc., стр. 224.
8. "Единица тепла до сих пор принималась по-разному как тепло, необходимое для поднятия фунта воды до точки замерзания на 1 ° по Фаренгейту или Цельсию, или, опять же, как тепло, необходимое для поднятия килограмма воды на 1 ° по Цельсию. неудобство устройства, столь произвольного, 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 это значение 10⁷ C.G.S. единиц, и, если принять эквивалент Джоуля равным 42000000, это тепло, необходимое для повышения 0,238 грамма воды на 1 ° по Цельсию, или, приблизительно, части условной единицы фунта воды, нагретой на 1 ° по Фаренгейту и 1/4 килограмм воды поднялся на 1 ° по Цельсию. Такую тепловую единицу, если она будет сочтена приемлемой, я думаю, с большим правомерностью можно было бы назвать джоуля, в честь человека, который так много сделал для развития динамической теории тепла ». Отчет о пятьдесят втором заседании Британской ассоциации содействия развитию науки. С. 6 ф.
9. Пэт Нотин: Хронологическая история современной метрической системы., metricationmatters.com, 2009 г.
10. CIPM, 1946, Резолюция 2, Определения электрических единиц. bipm.org.
11. 9-я ГКБМ, Резолюция 3: Тройная точка воды; термодинамическая шкала с одной фиксированной точкой; единица количества тепла (джоуль)., bipm.org.
12. «Единицы тепла - БТЕ, калория и джоуль». Набор инструментов для проектирования. Получено 2019-06-07.
13. 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.
14. «Физика - ЦЕРН». public.web.cern.ch. Архивировано из оригинал на 2012-12-13.
15. «Вы говорите калории, мы говорим килоджоулей: кто прав?». Получено 2 мая 2017.
16. «Построение составного временного ряда полной солнечной радиации (TSI) с 1978 года по настоящее время». Архивировано из оригинал на 2011-08-30. Получено 2005-10-05.
17. «Энергетические единицы - объяснение энергии, ваше руководство по пониманию энергетики - Управление энергетической информации». www.eia.gov.
18. Малик, Джон (сентябрь 1985). "Отчет LA-8819: Мощность ядерных взрывов в Хиросиме и Нагасаки" (PDF). Лос-Аламосская национальная лаборатория. Архивировано из оригинал (PDF) 11 октября 2009 г.. Получено 18 марта 2015.
19. "Окончательная конфигурация Международной космической станции" (PDF). Европейское космическое агентство. Архивировано из оригинал (PDF) 21 июля 2011 г.. Получено 18 марта 2015.
20. Бонни Берковиц; Ларис Карклис; Рубен Фишер-Баум; Чики Эстебан (11 сентября 2017 г.). «Анализ - Насколько велик ураган Ирма?». Вашингтон Пост. Получено 2 ноября 2017.
21. "Ирма обрушивается на юг Флориды ", Financial Times, доступ 10 сентября 2017 г. (требуется подписка)
22. Принятие джоулей как единиц энергии, Специальный комитет экспертов ФАО / ВОЗ по энергии и белку, 1971. Отчет о переходе с калорий на джоули в питании.
23. Фейнман, Ричард (1963). «Физические единицы». Лекции Фейнмана по физике. Получено 2014-03-07.
24. «Единицы со специальными названиями и символами; единицы со специальными названиями и символами». Международное бюро мер и весов. Архивировано из оригинал 28 июня 2009 г.. Получено 18 марта 2015. Производная единица часто может быть выражена по-разному, комбинируя базовые единицы с производными единицами, имеющими специальные имена. Джоуль, например, формально может быть записан 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 различными величинами, имеющими одинаковую размерность.
25. Международное бюро мер и весов (2006), Международная система единиц (СИ) (PDF) (8-е изд.), Стр. 39–40, 53, ISBN  92-822-2213-6, в архиве (PDF) из оригинала на 2017-08-14
26. "Что такое ватт-секунда?".

внешняя ссылка

• Словарное определение джоуль в Викисловарь