Джоуль

Джоуль (русское обозначение: Дж; международное: J) — единица измерения работы, энергии и количества теплоты в Международной системе единиц (СИ). Названа в честь английского физика Джеймса Прескотта Джоуля. Является производной единицей СИ, определяемой через основные единицы как кг·м²·с⁻². Один джоуль равен работе, совершаемой при перемещении точки приложения силы, равной одному ньютону, на расстояние одного метра в направлении действия силы.

Определение и связь с другими единицами

Джоуль входит в число семи основных производных единиц СИ, имеющих специальные названия. Согласно официальному определению, 1 Дж = 1 Н·м = 1 кг·м²·с⁻². В электрических единицах джоуль выражается как произведение вольта на кулон (1 Дж = 1 В·Кл) или как ватт-секунда (1 Дж = 1 Вт·с). На практике часто используются кратные и дольные единицы: килоджоуль (кДж, 10³ Дж), мегаджоуль (МДж, 10⁶ Дж), гигаджоуль (ГДж, 10⁹ Дж), а также миллиджоуль (мДж, 10⁻³ Дж) и микроджоуль (мкДж, 10⁻⁶ Дж).

В системе СГС (сантиметр-грамм-секунда) аналогом джоуля является эрг: 1 Дж = 10⁷ эрг. В технической системе единиц МКГСС (метр-килограмм-сила-секунда) за единицу работы принимался килограмм-сила-метр (кгс·м): 1 кгс·м ≈ 9,80665 Дж. Внесистемная единица — калория (кал), используемая для измерения теплоты: 1 кал = 4,1868 Дж (так называемая термохимическая калория).

История

До середины XIX века не существовало единой единицы для измерения энергии, работы и теплоты. Механическую работу измеряли в фунто-футах или килограмм-сила-метрах, теплоту — в калориях, электрическую энергию — в ватт-секундах. Эксперименты Джеймса Прескотта Джоуля (1818–1889) в 1840-х годах установили механический эквивалент теплоты — количественную связь между механической работой и выделяющейся теплотой. В 1843 году Джоуль продемонстрировал, что при опускании груза, вращающего мешалку в калориметре с водой, выделяется количество теплоты, пропорциональное совершённой работе. Это опровергло теорию теплорода и заложило основы первого закона термодинамики.

В 1882 году на Втором международном конгрессе электриков в Париже было предложено назвать единицу работы и энергии в честь Джоуля. Окончательно единица «джоуль» была принята на Международной электротехнической комиссии в 1889 году, а в 1948 году включена в Международную систему единиц (СИ) на IX Генеральной конференции по мерам и весам. В СССР джоуль был введён в 1960 году с принятием ГОСТ 9867-61 «Международная система единиц».

Физический смысл и примеры

Джоуль — универсальная единица, применимая к любым формам энергии и работы. Физический смысл одного джоуля можно проиллюстрировать следующими примерами:

• Механическая работа: подъём тела массой 102 г на высоту 1 м (при g ≈ 9,8 м/с²) требует работы примерно 1 Дж.
• Тепловая энергия: для нагрева 1 грамма воды на 0,24 °C необходимо около 1 Дж.
• Электрическая энергия: лампа накаливания мощностью 100 Вт за 0,01 секунды потребляет 1 Дж.
• Кинетическая энергия: пуля массой 10 г, летящая со скоростью 14,1 м/с, обладает кинетической энергией около 1 Дж.

Для сравнения: энергия, выделяемая при взрыве 1 тонны тротила, составляет примерно 4,184·10⁹ Дж (4,184 ГДж). Суточное потребление энергии человеком составляет около 8–10 МДж (примерно 2000 ккал).

Применение в различных областях

Физика и техника

В механике джоуль используется для расчёта работы сил, потенциальной и кинетической энергии. В термодинамике — для измерения внутренней энергии, энтальпии и теплоты фазовых переходов. В электротехнике — для определения энергии электрического поля, работы тока и тепловыделения в проводниках (закон Джоуля — Ленца: Q = I²·R·t, где Q — количество теплоты в джоулях).

Энергетика

В энергетике для учёта больших объёмов энергии применяют внесистемные единицы, кратные джоулю: киловатт-час (кВт·ч) = 3,6·10⁶ Дж; гигакалория (Гкал) = 4,1868·10⁹ Дж. В России тарифы на электроэнергию устанавливаются в рублях за кВт·ч, а на тепловую энергию — в рублях за Гкал. При этом в научных и технических расчётах (например, КПД электростанций) все величины принято переводить в джоули.

Химия

В химии джоуль используется для выражения энергий химических связей (измеряются в кДж/моль), тепловых эффектов реакций (энтальпия), энергии активации. Стандартная энтальпия образования воды, например, составляет −285,8 кДж/моль.

Биология и медицина

В биологии энергетический обмен организмов измеряется в джоулях (или калориях). Энергетическая ценность пищи указывается как в килокалориях (ккал), так и в килоджоулях (кДж). Например, 100 г шоколада содержат около 2200 кДж.

Интересные факты

• В честь Джеймса Джоуля названа также единица удельной теплоёмкости — джоуль на килограмм-кельвин (Дж/(кг·К)).
• Джоуль является единицей измерения не только работы и энергии, но и момента силы? Нет, момент силы измеряется в ньютон-метрах (Н·м), которые формально совпадают с джоулем по размерности, но имеют иной физический смысл (векторная величина, не являющаяся энергией). Чтобы избежать путаницы, для момента силы используют отдельное обозначение — Н·м, а не Дж.
• В квантовой механике энергии элементарных частиц часто выражаются в электронвольтах (эВ): 1 эВ = 1,602·10⁻¹⁹ Дж.
• В астрофизике для описания энергии взрывов сверхновых используют фое (1 фое = 10⁵¹ эрг = 10⁴⁴ Дж).

Источники

1. ГОСТ 8.417-2002. Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин.
2. Международная система единиц (СИ) / под ред. Честера Х. Пейджа и Поля Вигу. — 9-е изд. — Севр: Международное бюро мер и весов, 2019.
3. Джоуль Дж. П. О механическом эквиваленте теплоты // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. — 1850. — Vol. 140. — P. 61–82.
4. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Термодинамика и молекулярная физика. — М.: Физматлит, 2005.
5. Савельев И. В. Основы теоретической физики. — М.: Наука, 1991.