Что такое Джоуль (J)?
Джоуль (обозначение: Дж, международное: J) — производная единица энергии, работы и теплоты в Международной системе единиц (СИ). Определяется как энергия, передаваемая при действии силы в один ньютон на расстоянии одного метра, или, эквивалентно, как работа, совершаемая электрическим током в один ампер через сопротивление в один ом за одну секунду. Один джоуль равен одному ватт-секунде (Вт·с), одному ньютон-метру (Н·м) или одному кг·м²/с².
Универсальная единица энергии
Джоуль измеряет все формы энергии: кинетическую, потенциальную, тепловую, электрическую, химическую, ядерную и лучистую. Эта универсальность делает его центральной единицей, связывающей различные отрасли физики и инженерии.
Практический масштаб
Один джоуль — скромное количество энергии, примерно равное энергии, необходимой для поднятия маленького яблока (100 граммов) на один метр против силы тяжести, или кинетической энергии теннисного мяча, движущегося со скоростью около 6 м/с. Для повседневного потребления энергии удобнее килоджоули (кДж = 1000 Дж) и мегаджоули (МДж = 1 000 000 Дж). Пищевая калория (килокалория) равна 4184 джоулям.
Этимология
Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889)
Джоуль назван в честь английского физика Джеймса Прескотта Джоуля, продемонстрировавшего механический эквивалент теплоты — доказавшего, что теплота и механическая работа являются различными формами одной и той же фундаментальной величины (энергии). Тщательные опыты Джоуля в 1840-х годах измерили количество механической работы, необходимое для нагрева воды.
Присвоение имени единице
Британская ассоциация содействия развитию науки приняла «джоуль» как название единицы энергии в 1882 году. Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) официально включила джоуль в систему СИ при её создании в 1960 году.
Произношение
На английском языке название произносится как «джуул» (rhyming with «pool»), следуя произношению фамилии Джоуля. В русском языке принято произношение «джо́уль».
Точное определение
Джоуль определяется в базовых единицах СИ как: 1 Дж = 1 кг·м²·с⁻². Эквивалентные определения: 1 Дж = 1 Н·м (один ньютон на один метр), 1 Дж = 1 Вт·с (один ватт за одну секунду), 1 Дж = 1 Кл·В (один кулон через один вольт), 1 Дж = 1 Па·м³ (один паскаль на один кубический метр).
Ключевые пересчёты
1 Дж = 0,239006 калории (термохимической), 1 Дж ≈ 0,000948 BTU, 1 Дж = 10⁷ эргов, 1 Дж ≈ 6,242 × 10¹⁸ электронвольт (эВ), 1 Дж ≈ 0,000278 ватт-часа. Обратно: 1 калория = 4,184 Дж, 1 BTU ≈ 1055,06 Дж, 1 кВт·ч = 3 600 000 Дж, 1 пищевая Калория (ккал) = 4184 Дж.
Кратные единицы СИ
Основные кратные: килоджоуль (кДж = 10³ Дж), мегаджоуль (МДж = 10⁶ Дж), гигаджоуль (ГДж = 10⁹ Дж), тераджоуль (ТДж = 10¹² Дж), петаджоуль (ПДж = 10¹⁵ Дж). Основные дольные: миллиджоуль (мДж = 10⁻³ Дж), микроджоуль (мкДж = 10⁻⁶ Дж), наноджоуль (нДж = 10⁻⁹ Дж).
История
Механический эквивалент теплоты Джоуля
Самый знаменитый опыт Джеймса Прескотта Джоуля (1843–1850) использовал падающий груз для привода лопастного колеса в изолированном сосуде с водой. Измеряя повышение температуры воды и расстояние падения груза, Джоуль установил, что приблизительно 772 фут-фунта работы повышают температуру одного фунта воды на один градус Фаренгейта. Это заложило основу первого начала термодинамики.
Революция термодинамики
Работы Джоуля, дополненные вкладом Сади Карно, Рудольфа Клаузиуса и Уильяма Томсона (лорда Кельвина), утвердили термодинамику как строгую науку в середине XIX века. Осознание того, что теплота, работа и энергия взаимопревращаемы — и количественно измеримы в джоулях — стало одним из важнейших открытий в истории физики.
Электрический контекст
Джоуль также стал центральной единицей в электротехнике. Соотношение P = I²R (первый закон Джоуля, 1841) показывает, что электрическая энергия, рассеиваемая как теплота в сопротивлении, измеряется в джоулях.
Принятие в СИ (1960)
При создании Международной системы единиц в 1960 году джоуль был назначен производной единицей СИ для энергии, работы и количества теплоты. Он заменил калорию как предпочтительную единицу энергии в физике и химии, хотя калория сохраняется в диетологии и некоторых других областях.
Современное применение
Физика и инженерия
Джоуль — стандартная единица энергии во всей физике и большинстве инженерных дисциплин по всему миру. Типичный автомобильный аккумулятор хранит около 2–3 МДж, молния несёт около 1–5 ГДж, а галлон бензина содержит около 132 МДж химической энергии.
Питание (в килоджоулях)
Многие страны используют килоджоули (кДж) для маркировки энергетической ценности продуктов — либо как основную единицу, либо наряду с калориями. Австралия, Новая Зеландия и большинство стран ЕС требуют кДж на этикетках. Одна пищевая Калория (килокалория) равна 4,184 кДж. Типичное суточное потребление взрослого — около 8400 кДж (2000 ккал).
Электрическая энергия
Хотя киловатт-час (кВт·ч = 3,6 МДж) — коммерческая единица для электроэнергии, джоуль лежит в основе всех расчётов электрической энергии.
Промышленная энергия
Промышленное потребление энергии, энергосодержание топлива и энергетические потребности процессов измеряются в мегаджоулях (МДж) или гигаджоулях (ГДж). Природный газ продаётся по энергосодержанию на многих рынках — обычно в ГДж.
Применение в быту
Большинство людей встречают джоули через этикетки продуктов питания (в килоджоулях) и энергетические рейтинги, хотя калория и киловатт-час более знакомы в повседневной жизни.
Энергия продуктов
В странах с маркировкой в кДж банан содержит около 370 кДж (88 ккал), кусок хлеба — около 290 кДж (70 ккал), а Биг Мак — около 2250 кДж (540 ккал). Рекомендуемое суточное потребление — около 8400 кДж для женщин и 10 500 кДж для мужчин.
Бытовая энергия
Лампочка мощностью 100 ватт потребляет 100 джоулей в секунду. За один час — 360 000 Дж = 360 кДж = 0,1 кВт·ч. Микроволновая печь мощностью 1000 ватт потребляет 1000 Дж/с. Кипячение чайника требует около 400–500 кДж.
Физическая активность
Ходьба в течение одного часа сжигает около 800–1200 кДж в зависимости от темпа и массы тела. Бег за час — 2500–4000 кДж. Одно отжимание расходует около 1–2 кДж энергии.
В науке и промышленности
Термодинамика
В термодинамике энергия, работа и теплота измеряются в джоулях. Первое начало термодинамики (закон сохранения энергии) приравнивает изменение внутренней энергии (Дж) к подведённой теплоте (Дж) минус совершённая работа (Дж). Энтальпия, свободная энергия Гиббса и Гельмгольца выражаются в джоулях на моль (Дж/моль).
Квантовая физика
В квантовой механике энергия фотона E = hf, где h — постоянная Планка (6,626 × 10⁻³⁴ Дж·с) и f — частота. Фотоны видимого света несут энергию около 2,5–5 × 10⁻¹⁹ Дж.
Ядерная физика
Энергии ядерных связей измеряются в джоулях (или МэВ для практических целей). Деление одного атома урана-235 высвобождает около 3,2 × 10⁻¹¹ Дж (200 МэВ). Один килограмм урана-235 при полном делении высвобождает около 82 ТДж.
Химия
Энтальпии реакций, энергии связей и энергии активации выражаются в Дж/моль или кДж/моль. Сгорание одного моля метана выделяет 890 кДж. Образование одного моля воды из водорода и кислорода — 286 кДж.
Интересные факты
Джеймс Прескотт Джоуль был сыном пивовара и проводил многие опыты по изучению теплоты с помощью пивоваренных термометров, которые были точнее стандартных научных приборов того времени.
Один джоуль — кинетическая энергия двухкилограммового объекта, движущегося со скоростью 1 м/с, или энергия, высвобождаемая при падении килограммового предмета примерно на 10 сантиметров.
Человеческое тело в покое выделяет около 80–100 джоулей теплоты в секунду (80–100 ватт) — примерно столько же, сколько яркая лампа накаливания.
Молния доставляет около 1 миллиарда джоулей (1 ГДж) энергии за долю секунды, но электрическая энергия составляет лишь около 250 кВт·ч — примерно на $25 по типичным тарифам.
Солнце производит 3,846 × 10²⁶ джоулей в секунду. За одну секунду Солнце излучает больше энергии, чем человечество потребило за всю историю.
Одна пищевая Калория (килокалория) равна 4184 джоулям — достаточно, чтобы нагреть 1 кг воды на 1 градус Цельсия или питать 60-ваттную лампочку около 70 секунд.
Энергия, высвобожденная атомной бомбой в Хиросиме, составила примерно 63 тераджоуля (63 × 10¹² Дж), что эквивалентно примерно 15 килотоннам тротила.
Аккумулятор смартфона (около 10–15 Вт·ч) хранит примерно 36 000–54 000 джоулей — приблизительно кинетическую энергию автомобиля, движущегося со скоростью 8 км/ч.
Региональные особенности
Универсальный стандарт СИ
Джоуль — стандартная единица энергии по всему миру в науке, инженерии и всё более — в повседневной жизни. Все страны признают его единицей энергии СИ.
Калории и килоджоули в диетологии
США, Канада и большая часть Латинской Америки используют Калории (ккал) для обозначения энергии продуктов. Австралия, Новая Зеландия и ЕС используют килоджоули (кДж) как основную или со-основную единицу. Это наиболее заметное региональное различие в использовании единиц энергии.
BTU в США
США широко используют Британскую тепловую единицу (BTU) в индустрии HVAC, энергетике и газовой промышленности. 1 BTU ≈ 1055 Дж.
Киловатт-час
Электроэнергия тарифицируется в киловатт-часах (кВт·ч = 3,6 МДж) по всему миру. Эта коммерческая условность универсальна.
Таблица конвертаций
| Единица | Значение | |
|---|---|---|
| Калория (cal) | 0,239006 | Конвертировать → |
| Килокалория (kcal) | 0,000239 | Конвертировать → |
| Ватт-час (Wh) | 0,000278 | Конвертировать → |
| Килоджоуль (kJ) | 0,001 | Конвертировать → |