Джоуль - Википедия - Joule

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):

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

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

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

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

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

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

${ Displaystyle Е = тау тета ,}$

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

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.

${ displaystyle { text {Энергия вспышки в джоулях или ватт-секундах}} = { dfrac {1} {2}} cdot { text {емкость накопительного конденсатора в фарадах}} cdot { text {рабочее напряжение}} ^ {2}}$

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

Рекомендации

внешняя ссылка

• Словарное определение джоуль в Викисловарь