Джоуль
Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( январь 2024 г. ) |
Джоуль | |
---|---|
Общая информация | |
Система единиц | И |
Единица | энергия |
Символ | Дж |
Назван в честь | Джеймс Прескотт Джоуль |
Конверсии | |
1 Дж в ... | ... равно... |
Базовые единицы СИ | kg ⋅ m 2 ⋅ s −2 |
единицы СГС | 1 × 10 7 ужасно |
ватт-секунды | 1 W ⋅ s |
киловатт-часы | ≈ 2.78 × 10 −7 kW⋅h |
килокалории (термохимические) | 2.390 × 10 −4 ккал |
БТЕ | 9.48 × 10 −4 БТЕ |
электронвольты | ≈ 6.24 × 10 18 эВ |
Джоуль Международной (произносится / ˈ dʒ uː l / , JOOL или / ˈ dʒ aʊ l / JOWL ; символ: J ) — единица энергии в системе единиц (СИ) . [1] Он равен количеству работы, совершаемой, когда сила в один ньютон смещает массу на расстояние один метр в направлении 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
[ редактировать ]В базовых единицах СИ и в производных единицах СИ со специальными названиями джоуль определяется как [5]
|
Один джоуль также эквивалентен любому из следующих значений: [6]
- Работа, необходимая для перемещения электрического заряда в один кулон через разность электрических потенциалов в один вольт или один кулон-вольт (К⋅В). Это соотношение можно использовать для определения вольта.
- Работа, необходимая для производства одного ватта мощности за одну секунду, или одной ватт-секунды (Вт⋅с) (сравните киловатт-час , что составляет 3,6 мегаджоуля). Это соотношение можно использовать для определения ватта.
Джоуль назван в честь Джеймса Прескотта Джоуля . Как и в случае с любой единицей СИ , названной в честь человека, ее символ начинается с заглавной буквы (J), но при написании полностью он соответствует правилам написания заглавных букв для нарицательных существительных ; т. е. джоуль пишется с заглавной буквы в начале предложения и в заголовках, но в остальном пишется строчными буквами. [7]
История
[ редактировать ]Система CGS была официально объявлена в 1881 году на первом Международном электротехническом конгрессе .Эрг Британской был принят в качестве единицы энергии в 1882 году. Вильгельм Сименс в своей инаугурационной речи на посту председателя ассоциации содействия развитию науки (23 августа 1882 года) впервые предложил Джоуль в качестве единицы теплоты , полученной из электромагнитной энергии. единицы Ампер и Ом , в единицах СГС, эквивалентных 10 7 эрг .Название подразделения в честь Джеймса Прескотта Джоуля (1818–1889), находившегося на пенсии, но все еще живого (63 года), связано с Сименсом: [ нужна ссылка ]
- «Подобную тепловую единицу, если она будет сочтена приемлемой, я думаю, можно было бы с большим правом назвать Джоулем, в честь человека, который так много сделал для разработки динамической теории тепла». [8]
На втором Международном электротехническом 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 г.) были определены «международный ампер» и «международный ом» с небольшими изменениями в характеристиках их измерения, причем производной от них единицей стал «международный джоуль». [10]
В 1935 году Международная электротехническая комиссия (как организация-преемница Международного электрического конгресса) приняла « систему Джорджи », которая, предполагая определенное значение 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 определялся как единица работы, выполняемая одной единицей силы (в то время еще не называвшейся ньютоном ).на расстоянии 1 метра . Джоуль был явно задуман как единица энергии, которая будет использоваться как в электромагнитном, так и в механическом контексте. [11] Ратификация определения на девятой Генеральной конференции мер и весов в 1948 годудобавил уточнение, что джоуль также должен быть предпочтительным в качестве единицы тепла в контексте калориметрии , тем самым официально отвергнув использование калории . [12] Это определение было прямым предшественником джоуля, принятого в современной Международной системе единиц в 1960 году. [ нужна ссылка ]
Определение джоуля как J = кг⋅м 2 ⋅s −2 осталась неизменной 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 ). [13]
Практические примеры
[ редактировать ]Один джоуль представляет (приблизительно):
- Типичная энергия, выделяемая в виде тепла человеком в состоянии покоя каждые 1/60 с (~ 16,6667 мс , скорость основного обмена ); около 5000 кДж (1200 ккал )/день.
- Количество электроэнергии, необходимое для работы устройства мощностью 1 Вт в течение 1 с .
- Энергия, необходимая для ускорения тела массой 1 кг со скоростью 1 м/с. 2 на расстоянии 1 м .
- Кинетическая энергия массы 2 кг, движущейся со скоростью 1 м/с , или массы 1 кг, движущейся со скоростью 1,41 м/с .
- Энергия, необходимая для поднятия яблока на высоту 1 м при массе яблока 101,97 г.
- Тепло , необходимое для повышения температуры 0,239 г воды с 0 °С до 1 °С. [14]
- Кинетическая энергия человека массой 50 кг, движущегося очень медленно (0,2 м/с или 0,72 км/ч).
- Кинетическая энергия теннисного мяча массой 56 г , движущегося со скоростью 6 м/с (22 км/ч). [15]
- Пищевая энергия (ккал) содержится чуть более чем в половине кристалла сахара обычного размера ( 0,102 мг /кристалл).
Множители
[ редактировать ]Дробные | Множители | ||||
---|---|---|---|---|---|
Ценить | символ СИ | Имя | Ценить | символ СИ | Имя |
10 −1 Дж | диджей | дециджоуль | 10 1 Дж | ага | декаджоуль |
10 −2 Дж | СиДжей | сантиджоуль | 10 2 Дж | хджей | гектоджоуль |
10 −3 Дж | мДж | миллиджоуль | 10 3 Дж | кДж | килоджоули |
10 −6 Дж | мкДж | микроджоуль | 10 6 Дж | МД | мегаджоуль |
10 −9 Дж | Нью-Джерси | наноджоули | 10 9 Дж | ГДж | гигаджоули |
10 −12 Дж | пиДжей | пикоджоуль | 10 12 Дж | Ти Джей | тераджоуль |
10 −15 Дж | фДж | фемтоджоуль | 10 15 Дж | Пи Джей | петаджоуль |
10 −18 Дж | ЭйДжей | Атто Джоуль | 10 18 Дж | EJ | эксаджоуль |
10 −21 Дж | зДж | зептоджоуль | 10 21 Дж | ЗДжей | зеттаджоуль |
10 −24 Дж | yJ | йоктоджоуль | 10 24 Дж | Ю-Джей | йоттаджоуль |
10 −27 Дж | РДж | ронто джоуль | 10 27 Дж | Р.Дж. | Роннаджуль |
10 −30 Дж | qJ | кектоджоуль | 10 30 Дж | QJ | кветтаджоуль |
Общие кратные выделены жирным шрифтом |
- зептоджоуль
- 160 зептоджоулей – это примерно один электронвольт . [ нужна ссылка ] Минимальная энергия, необходимая для изменения небольшого количества данных при вычислениях при температуре около комнатной – примерно 2,75 зДж – определяется пределом Ландауэра . [ нужна ссылка ]
- наноджоуль
- 160 наноджоулей — это кинетическая энергия летающего комара. [16]
- микроджоуль
- Большой адронный коллайдер (БАК) производит столкновения порядка микроджоуля (7 ТэВ) на частицу. [ нужна ссылка ]
- килоджоули
- На этикетках пищевых продуктов в большинстве стран указана энергия в килоджоулях (кДж). [17] Один квадратный метр Земли получает около 1,4 килоджоуля солнечной радиации каждую секунду при полном дневном свете. [18] Кинетическая энергия человека при спринте составляет около 3 кДж. [19] в то время как у гепарда, разгоняющегося со скоростью 122 км/ч (76 миль в час), энергия составляет примерно 20 кДж. [20] Один ватт-час электроэнергии равен 3,6 килоджоуля . [ нужна ссылка ]
- Мегаджоуль
- Мегаджоуль примерно равен кинетической энергии транспортного средства в один мегаграмм (тонну), движущегося со скоростью 161 км/ч (100 миль в час). [ нужна ссылка ] Энергия, необходимая для нагрева 10 л жидкой воды при постоянном давлении от 0 °C (32 °F) до 100 °C (212 °F), составляет примерно 4,2 МДж . [ нужна ссылка ] Один киловатт-час электроэнергии равен 3,6 мегаджоуля . [ нужна ссылка ]
- Гигаджоули
- 6 гигаджоулей — это химическая энергия сгорания 1 барреля (159 л) нефти . [21] 2 ГДж — это планковская единица энергии . Один мегаватт-час электроэнергии равен 3,6 гигаджоуля . [ нужна ссылка ]
- Тераджоуль
- Тераджоуль составляет около 0,278 ГВтч (который часто используется в таблицах энергопотребления). Около 63 ТДж энергии было выпущено Little Boy . [22] Международная космическая станция массой около 450 мегаграммов и орбитальной скоростью 7700 м/с . [23] имеет кинетическую энергию примерно 13 ТДж . По оценкам , в 2017 году пиковая энергия ветра урагана Ирма составила 112 ТДж . [24] [25] Один гигаватт-час электроэнергии равен 3,6 тераджоуля . [ нужна ссылка ]
- петаджоуль
- 210 петаджоулей — это около 50 мегатонн в тротиловом эквиваленте, именно такое количество энергии высвободилось в результате « Царь-бомбы» , крупнейшего искусственного взрыва за всю историю. Один тераватт-час электроэнергии равен 3,6 петаджоуля . [ нужна ссылка ]
- Эксаджоуль
- Землетрясение и цунами Тохоку 2011 года в Японии имели энергию 1,41 ЭДж согласно рейтингу 9,0 по моментной шкале магнитуд . Ежегодное потребление энергии в США составляет примерно 94 ЭДж , а мировое конечное потребление энергии в 2021 году составило 439 ЭДж . [26] Один петаватт-час электроэнергии равен 3,6 эксаджоуля . [ нужна ссылка ]
- Зеттаджоуль
- Зеттаджоуль несколько больше, чем количество энергии, необходимое для нагрева Балтийского моря на 1 °C, принимая во внимание свойства, аналогичные свойствам чистой воды . [27] человеком Годовое потребление энергии в мире составляет примерно 0,5 ЗДж . Энергия, необходимая для повышения температуры атмосферы Земли на 1 °C, равна примерно 2,2 ЗДж . [ нужна ссылка ]
- Йотаджоуль
- Йотаджоуль немного меньше количества энергии, необходимой для нагрева Индийского океана на 1 °C, принимая во внимание свойства, аналогичные свойствам чистой воды. [27] Тепловая мощность Солнца составляет примерно 400 ЯДж в секунду. [ нужна ссылка ]
Конверсии
[ редактировать ]1 джоуль равен (приблизительно, если не указано иное): [ нужна ссылка ]
- 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 фут-фунт (фут-фунт)
- 23,7 фут-пдл (фут-паундаль)
- 2.7778 × 10 −7 кВт⋅ч (киловатт-час)
- 2.7778 × 10 −4 Вт⋅ч (ватт-час)
- 9.8692 × 10 −3 латм (литр атмосферы)
- 11.1265 × 10 −15 g⋅ c 2 (посредством эквивалентности массы и энергии )
Единицы, определенные точно в джоулях, включают: [ нужна ссылка ]
- 1 термохимическая калория = 4,184 Дж [28]
- 1 Международная таблица калорий = 4,1868 Дж [29]
- 1 Вт⋅ч = 3600 Дж (или 3,6 кДж)
- 1 kW⋅h = 3.6 × 10 6 Дж (или 3,6 МДж)
- 1 Вт⋅с = 1 Дж
- 1 тонна тротила = 4,184 ГДж
- 1 враг = 10 44 Дж
Ньютон-метр и крутящий момент
[ редактировать ]В механике понятие силы (в каком-то направлении) имеет близкий аналог понятию крутящего момента (около некоторого угла): [ нужна ссылка ]
Линейный | Угловой |
---|---|
Сила | Крутящий момент |
Масса | Момент инерции |
Смещение | Угол |
Результатом этого сходства является то, что единицей крутящего момента в системе СИ является ньютон-метр , который алгебраически имеет те же размеры, что и джоуль, но они не являются взаимозаменяемыми. Генеральная конференция по мерам и весам дала единице энергии название джоуль , но не дала единице крутящего момента какого-либо специального названия, поэтому это просто ньютон-метр (Нм) – составное название, полученное от его составной части. части. [30] Использование ньютон-метров для крутящего момента и джоулей для энергии помогает избежать недопонимания и недопонимания. [30]
Различие можно увидеть также в том, что энергия является скалярной величиной – скалярным произведением силы вектора 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 [ нужна ссылка ]
где E - энергия, τ - крутящий момент ( векторная величина ), а θ - угол стреловидности (в радианах ). Поскольку плоские углы безразмерны, отсюда следует, что крутящий момент и энергия имеют одинаковые размеры. [ нужна ссылка ]
Ватт-секунда
[ редактировать ]Ватт -секунда (обозначение W⋅s или W⋅s ) — это производная единица энергии, эквивалентная джоулю. [31] Ватт-секунда — это энергия, эквивалентная мощности одного ватта, поддерживаемой в течение одной секунды . Хотя ватт-секунда эквивалентна джоулю как по единицам измерения, так и по значению, в некоторых контекстах вместо «джоуля» используется термин «ватт-секунда», например, в рейтинге фотоэлектронных вспышек . [32]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 04 июня 2021 г. , получено 16 декабря 2021 г.
- ^ Словарь английского языка американского наследия , онлайн-издание (2009). Houghton Mifflin Co., организованная Yahoo! Образование .
- ^ Словарь американского наследия , второе издание для колледжей (1985). Бостон: Houghton Mifflin Co., стр. 691.
- ^ Физический словарь МакГроу-Хилла , пятое издание (1997). McGraw-Hill, Inc., с. 224.
- ^ «Руководство NIST по системе СИ, глава 4: Два класса единиц СИ и префиксы СИ» . НИСТ . 28 января 2016 г.
- ^ Холлидей, Дэвид ; Резник, Роберт (1974), «Основы физики» (пересмотренная редакция), Нью-Йорк: Wiley, стр. 516–517, ISBN. 0471344311
- ^ «Что такое джоуль? - Химическое определение» . МысльКо . Проверено 7 апреля 2024 г.
- ^ Сименс, Кэл Вильгельм (август 1882 г.). Отчет пятьдесят второго собрания Британской ассоциации содействия развитию науки . Саутгемптон. стр. 1–33. стр. 6–7:
До сих пор за единицу теплоты принимали по-разному: тепло, необходимое для поднятия фунта воды при температуре замерзания на 1 градус по Фаренгейту или Цельсия, или, опять же, тепло, необходимое для поднятия килограмма воды. 1 градус Цельсия. Неудобство столь совершенно произвольной единицы достаточно очевидно, чтобы оправдать введение единицы, основанной на электромагнитной системе, а именно. тепло, выделяемое за одну секунду током в Ампер, протекающим через сопротивление Ома. В абсолютном измерении его значение равно 10. 7 единиц СГС, и, если принять эквивалент Джоуля равным 42 000 000, это количество тепла, необходимое для поднятия 0,238 грамма воды на 1 градус Цельсия, или, приблизительно, на 1 ⁄ 1000 -й части условной единицы фунта воды подняли на 1 градус Фаренгейта и 1 ⁄ 4000 килограмма воды поднялось на 1 градус Цельсия. Я думаю, что такую тепловую единицу, если она окажется приемлемой, можно было бы с большим правом назвать Джоулем, в честь человека, который так много сделал для разработки динамической теории тепла.
- ^ Пэт Нотин: Хронологическая история современной метрической системы , metricationmatters.com, 2009.
- ^ Материалы Международного электротехнического конгресса . Нью-Йорк: Американский институт инженеров-электриков. 1894.
- ^ CIPM, 1946, Резолюция 2, Определения электрических единиц . bipm.org .
- ^ 9-я ГКМВ, Резолюция 3: Тройная точка воды; термодинамическая шкала с одной фиксированной точкой; единица количества тепла (джоуль). , bipm.org.
- ^ «Переопределение СИ» . НИСТ . 11 мая 2018 г.
- ^ «Единицы теплоты – БТЕ, калории и джоули» . Инженерный набор инструментов . Проверено 14 июня 2021 г.
- ^ 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 .
- ^ «Физика – ЦЕРН» . public.web.cern.ch . Архивировано из оригинала 13 декабря 2012 г.
- ^ «Вы говорите калория, мы говорим килоджоуль: кто прав?» . Архивировано из оригинала 15 мая 2023 г. Проверено 2 мая 2017 г.
- ^ «Построение составного временного ряда общего солнечного излучения (TSI) с 1978 года по настоящее время» . Архивировано из оригинала 30 августа 2011 г. Проверено 5 октября 2005 г.
- ^
- ^
- ^ «Энергетические единицы – объяснение энергии, ваше руководство к пониманию энергетики – управление энергетической информацией» . www.eia.gov .
- ^ 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.
- ^ «Окончательная конфигурация Международной космической станции» (PDF) . Европейское космическое агентство . Архивировано из оригинала (PDF) 21 июля 2011 года . Проверено 18 марта 2015 г.
- ^ Бонни Берковиц; Ларис Карклис; Рубен Фишер-Баум; Чики Эстебан (11 сентября 2017 г.). «Анализ: насколько велик ураган Ирма?» . Вашингтон Пост . Проверено 2 ноября 2017 г.
- ^ Рэтбоун, Джон-Пол; Фонтанелла-Хан, Джеймс; Ровник, Наоми (11 сентября 2017 г.). «Ослабленная Ирма наносит еще больший ущерб побережью Флориды» . Файнэншл Таймс . Нью-Йорк (Рэтбоун), Майами (Фонтанелла-Хан), Лондон (Ровник). ISSN 0307-1766 . Архивировано из оригинала 4 августа 2024 года . Проверено 11 сентября 2017 г.
- ^ Мировой энергетический прогноз 2022 (Отчет). Международное энергетическое агентство. 2022. с. 239 . Проверено 7 сентября 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Объемы Мирового океана по данным ETOPO1» . noaa.gov . Национальное управление океанических и атмосферных исследований. 19 августа 2020 г. Проверено 8 марта 2022 г.
- ^ Принятие джоулей в качестве единиц энергии , Специальный комитет экспертов ФАО/ВОЗ по энергетике и белкам, 1971. Отчет о переходе от калорий к джоулям в питании.
- ^ Фейнман, Ричард (1963). «Физические единицы» . Лекции Фейнмана по физике . Проверено 7 марта 2014 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Единицы со специальными названиями и символами; подразделения, имеющие специальные названия и символы» . Международное бюро мер и весов . Архивировано из оригинала 28 июня 2009 года . Проверено 18 марта 2015 г.
Производную единицу часто можно выразить по-разному, комбинируя базовые единицы с производными единицами, имеющими специальные названия. Джоуль, например, формально может быть записан как ньютон-метр или килограмм-метр в квадрате на секунду в квадрате. Однако это алгебраическая свобода, которая руководствуется физическими соображениями здравого смысла; в конкретной ситуации некоторые формы могут оказаться более полезными, чем другие. На практике применительно к определенным величинам предпочтение отдается использованию определенных специальных названий единиц или комбинаций названий единиц, чтобы облегчить различие между различными величинами, имеющими одинаковую размерность.
- ^ 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 04 июня 2021 г. , получено 16 декабря 2021 г.
- ^ «Что такое ватт-секунда?» .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Словарное определение джоуля в Викисловаре