Το joule (J) είναι η μονάδα μέτρησης για την ενέργεια που χρησιμοποιείται στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (SI) και αυτή που είναι αποδεκτή στους επιστημονικούς κύκλους. Η μονάδα χρησιμοποιείται σε όλες τις εξισώσεις και τους υπολογισμούς που αφορούν ενέργεια. Σύμφωνα με τις συμβάσεις του SI, τα τζάουλ συντομεύονται με ένα κεφαλαίο J επειδή ο όρος προέρχεται από ένα σωστό όνομα, αν και αν είναι γραμμένο, δεν γράφεται με κεφαλαία. Ένα J ορίζεται ως η ποσότητα ενέργειας που δαπανάται από μια δύναμη 1 newton που κινεί ένα αντικείμενο 1 μέτρο στην ίδια κατεύθυνση με τη δύναμη. Ένα Newton είναι η δύναμη που απαιτείται για να επιταχυνθεί μια μάζα 1 κιλού (2.2 λίβρες) με ρυθμό 1 μέτρο (3.3 πόδια) ανά δευτερόλεπτο ανά δευτερόλεπτο. Επομένως, η επιτάχυνση είναι τέτοια που η ταχύτητα της μάζας αυξάνεται κατά 1 μέτρο ανά δευτερόλεπτο με κάθε δευτερόλεπτο που περνά.
Ορισμός
Ο παραπάνω ορισμός του joule μπορεί να φαίνεται περίπλοκος, αλλά το πλεονέκτημα των μονάδων SI είναι ότι επιτρέπουν την ποσοτικοποίηση όλων των πολλών πραγμάτων που οι επιστήμονες μπορεί να θέλουν να μετρήσουν σε όρους μικρού αριθμού μονάδων βάσης. Σημαίνει επίσης ότι, τηρώντας αυτές τις μονάδες, όλοι οι επιστήμονες μιλούν την ίδια γλώσσα. Το τζάουλ λέγεται ότι είναι μια παράγωγη μονάδα, δεδομένου ότι λαμβάνεται από τις βασικές μονάδες χιλιόγραμμα, μέτρα και δευτερόλεπτα.
Μπορεί να θεωρηθεί ως newton-meter — μια δύναμη 1 newton που ασκείται σε απόσταση 1 μέτρου (3.3 πόδια). Δεδομένου ότι το newton είναι από μόνο του μια παράγωγη μονάδα, ένα τζάουλ μπορεί να αναλυθεί περαιτέρω ως μέτρα τετραγωνικά επί χιλιόγραμμα επί μέτρα ανά δευτερόλεπτο:
J = m2kgs-2
Αν και ένα τζάουλ είναι 1 νεόνμετρο, η ενέργεια δεν αναφέρεται κανονικά με τη χρήση της τελευταίας μονάδας, για να αποφευχθεί η σύγχυση με τη μονάδα μέτρησης της ροπής ή τη στιγμή της δύναμης, που έχει να κάνει με την περιστροφική κίνηση.
Δύναμη, εργασία, ενέργεια και δύναμη
Συχνά υπάρχει κάποια σύγχυση μεταξύ αυτών των όρων και των μονάδων που χρησιμοποιούνται για τη μέτρησή τους. Μια δύναμη είναι μια επιρροή που προκαλεί μια αλλαγή στην κίνηση ενός αντικειμένου. με άλλα λόγια επιτάχυνση. Η εργασία είναι η άσκηση δύναμης για την παραγωγή κίνησης, ενώ η ενέργεια είναι η δυνατότητα για εργασία, και καταναλώνεται όταν γίνεται η εργασία. Για παράδειγμα, η ώθηση ενός αντικειμένου προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση περιλαμβάνει την εφαρμογή μιας δύναμης, η οποία λειτουργεί και η ενέργεια πρέπει να εξαντληθεί. Η εργασία και η ενέργεια μπορούν και οι δύο να μετρηθούν σε joules.
Η ισχύς είναι ο ρυθμός με τον οποίο η ενέργεια καταναλώνεται και μετριέται σε watt. Η χρήση 1 J ενέργειας για ένα δευτερόλεπτο καταναλώνει 1 watt ισχύος, επομένως 1 watt είναι 1 joule ανά δευτερόλεπτο. Ένας λαμπτήρας 100 watt χρησιμοποιεί 100 J ενέργειας ανά δευτερόλεπτο. Η οικιακή κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας μετριέται σε κιλοβατώρες: ένα κιλοβάτ είναι 1,000 Watt και 1 κιλοβατώρα είναι 3,600,000 J.
Παραδείγματα
Για να πάρετε μια ιδέα για το πόση ενέργεια είναι στην πραγματικότητα ένα τζάουλ, βοηθάει να δούμε μερικά καθημερινά παραδείγματα. Ένα τζάουλ είναι η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να αυξηθεί η θερμοκρασία 1 γραμμαρίου κρύου, ξηρού αέρα κατά 1.8°F (1.0°C). Ένας μέσος άνθρωπος που κάθεται ήσυχα παράγει 100 J θερμότητας κάθε δευτερόλεπτο. Η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να σηκώσει ένα μικρό μήλο 1 μέτρο (3.3 πόδια) ενάντια στη βαρύτητα της Γης είναι περίπου ισοδύναμη με 1 J.
Η Ιστορία Μας
Η μονάδα πήρε το όνομά της από τον Άγγλο φυσικό James Prescott Joule, το έργο του οποίου οδήγησε στη θεωρία της διατήρησης της ενέργειας και στον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής, τον 19ο αιώνα. Μέσω των πειραμάτων του, μπόρεσε να προσδιορίσει ότι η ενέργεια αλλάζει από τη μια μορφή στην άλλη όταν γίνεται η εργασία, αλλά δεν μπορεί να δημιουργηθεί από το τίποτα ή να καταστραφεί. Για παράδειγμα, όταν χρησιμοποιείται ηλεκτρική ενέργεια για την περιστροφή ενός κινητήρα, μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας μετατρέπεται σε κίνηση και το υπόλοιπο μετατρέπεται σε θερμότητα. Μπόρεσε να δείξει ότι η κίνηση συν τη θερμότητα ήταν ισοδύναμη με την αρχική ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας.