Joule

El julio (JOOL, JOWL; símbolo: J) es la unidad de energía en el Sistema Internacional de Unidades (SI). Es igual a la cantidad de trabajo realizado cuando una fuerza de 1 newton desplaza una masa a lo largo de una distancia de 1 metro en la dirección de la fuerza aplicada. También es la energía disipada en forma de calor cuando una corriente eléctrica de un amperio pasa a través de una resistencia de un ohmio durante un segundo. Lleva el nombre del físico inglés James Prescott Joule (1818–1889).

Definición

En términos de unidades base del SI y en términos de unidades derivadas del SI con nombres especiales, el julio se define como

J=kg⋅ ⋅ m2⋅ ⋅ s− − 2=N⋅ ⋅ m=Pa⋅ ⋅ m3=W⋅ ⋅ s=C⋅ ⋅ V{displaystyle {begin{alignedat}{3}mathrm {J}cdot }m^{2}{cdot }s^{-2} \[0.7ex]

Signatura Significado J joule kg kilogramo m metre s segundo N newton Pa pascal W # C coulom b V volt

Un julio también se puede definir mediante cualquiera de los siguientes:

• El trabajo requerido para mover una carga eléctrica de un coulomb a través de una diferencia potencial eléctrica de una voltio, o una coulomb-volt (C⋅V). Esta relación se puede utilizar para definir el voltio.
• El trabajo requerido para producir una vatio de poder por un segundo, o una vatio-segundo (W⋅s) (compare kilowatt-hour, que es 3.6 megajoules). Esta relación se puede utilizar para definir el watt.

El julio lleva el nombre de James Prescott Joule. Al igual que con todas las unidades SI nombradas para una persona, su símbolo comienza con una letra mayúscula (J), pero cuando se escribe en su totalidad sigue las reglas de mayúsculas de un sustantivo común; es decir, "julio" se convierte en mayúscula al comienzo de una oración y en los títulos, pero de lo contrario está en minúsculas.

Historia

El sistema cgs había sido declarado oficial en 1881, en el primer Congreso Eléctrico Internacional. El ergio fue adoptado como su unidad de energía en 1882. Wilhelm Siemens, en su discurso de inauguración como presidente de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia (23 de agosto de 1882) propuso por primera vez el Joule como unidad de calor., derivado de las unidades electromagnéticas Ampere y Ohm, en unidades cgs equivalentes a 10⁷ erg. El nombre de la unidad en honor a James Prescott Joule (1818-1889), en ese momento jubilado pero aún vivo (63 años), se debe a Siemens:

"Tal unidad de calor, si se encuentra aceptable, podría con gran propriedad, creo, ser llamado el Joule, después del hombre que ha hecho tanto para desarrollar la teoría dinámica del calor."

En el segundo Congreso Eléctrico Internacional, el 31 de agosto de 1889, se adoptó oficialmente el joule junto con el vatio y el cuadrante (luego renombrado como henry). Joule murió en el mismo año, el 11 de octubre de 1889. En el cuarto congreso (1893), el "amperio internacional" y "ohm internacional" se definieron, con ligeros cambios en las especificaciones para su medición, con el "julio internacional" siendo la unidad derivada de ellos.

En 1935, la Comisión Electrotécnica Internacional (como organización sucesora del Congreso Eléctrico Internacional) adoptó el "sistema Giorgi", que al asumir un valor definido para la constante magnética también implicaba una redefinición de el julio. El sistema Giorgi fue aprobado por el Comité Internacional de Pesos y Medidas en 1946. El julio ya no se definió en función de la unidad electromagnética, sino como la unidad de trabajo realizada por una unidad de fuerza (en ese momento aún no se llamaba newton) sobre la distancia de 1 metro. El julio se pensó explícitamente como la unidad de energía para ser utilizada tanto en contextos electromagnéticos como mecánicos. La ratificación de la definición en la novena Conferencia General de Pesos y Medidas, en 1948, agregó la especificación de que el joule también debía preferirse como unidad de calor en el contexto de la calorimetría, desaprobando así oficialmente el uso de la caloría. Esta definición fue la precursora directa del joule tal como se adoptó en el moderno Sistema Internacional de Unidades en 1960.

La definición del julio como J = kg⋅m²⋅s⁻² no ha cambiado desde 1946, pero el julio como unidad derivada ha heredado cambios en las definiciones del segundo (en 1960 y 1967), el metro (en 1983) y el kilogramo (en 2019).

Ejemplos prácticos

Un julio representa (aproximadamente):

• La cantidad de electricidad necesaria para ejecutar un 1 W dispositivo para 1 s.
• La energía necesaria para acelerar un 1 kg masa 1 m/s2 a través de una distancia 1 m.
• La energía cinética de un 2 kg masa viajando 1 m/s, o un 1 kg masa viajando 1.41 m/s.
• La energía necesaria para levantar un tomate de tamaño mediano hasta 1 metro (3 ft 3), asumiendo que el tomate tiene una masa de 101,97 gramos (3,597 oz).
• El calor requerido para elevar la temperatura de 0.239 g de agua de 0 °C a 1 °C, o de 32 °F a 33.8 °F.
• La energía típica liberada como calor por una persona en reposo cada 1/60 s (17 ms).
• La energía cinética de un 50 kg movimiento humano muy lentamente (0,2 m/s o 0,72 km/h).
• La energía cinética de un 56 g bola de tenis que se mueve a 6 m/s (22 km/h).
• La energía alimentaria (kcal) en un poco más de la mitad de un cristal de azúcar (0,102 mg/cristal).

Múltiplos

Zeptojoule

160 zeptojoule es sobre un electronvolt.

La energía mínima necesaria para cambiar un poco a temperatura ambiente – aproximadamente 2.75 zJ – es dada por el límite de Landauer.

Nanojoule

160 nanojoule es sobre la energía cinética de un mosquito volador.

Microjoule

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) produce colisiones del orden de microjoule (7 TeV) por partícula.

Kilojoule

Las etiquetas alimentarias nutricionales en la mayoría de los países expresan energía en kilojoules (kJ).

Un metro cuadrado de la Tierra recibe alrededor 1.4 kilojoules de radiación solar cada segundo a plena luz del día. Un humano en una huella tiene aproximadamente 3 kJ de energía cinética, mientras que un guepardo en un 122 km/h (76 mph) sprint tiene aproximadamente 20 kJ. Una hora de electricidad es 3,6 kilojoules.

Megajoule

El megajoule es aproximadamente la energía cinética de un vehículo de un megagrama (tono) que se mueve en 161 km/h (100 mph).

La energía necesaria para calentar 10 L de agua líquida a presión constante de 0 °C (32 °F) a 100 °C (212 °F) es aproximadamente 4.2 MJ.

Un kilovatio-hora de electricidad es 3.6 megajoules.

Gigajoule

6 gigajoule se trata de la energía química de combustión 1 barril (159 L) de petróleo. 2 GJ es sobre la unidad de energía Planck. Una megavatio-hora de electricidad es 3.6 gigajoules.

Terajoule

El terajoule es sobre 0,278 GWh (que a menudo se utiliza en tablas de energía). Acerca de 63 TJ de energía fue liberado por Little Boy. La Estación Espacial Internacional, con una masa de aproximadamente 450 megagramas y velocidad orbital 7700 m/s, tiene una energía cinética de aproximadamente 13 TJ. En 2017, se estimó que el huracán Irma tenía una energía eólica máxima 112 TJ. Una gigavat-hora de electricidad es 3.6 terajoules.

Petajoule

210 petajoule Es sobre 50 megatones de TNT, que es la cantidad de energía liberada por el Tsar Bomba, la mayor explosión hecha por el hombre jamás. Una hora de electricidad es terrible 3.6 petajoules.

Exajoule

El terremoto de Tōhoku 2011 y el tsunami en Japón 1.41 EJ de energía según su calificación de 9.0 en la escala de magnitud del momento. El consumo energético anual de EE.UU. equivale a aproximadamente 94 EJ. Una pequeña hora de electricidad es 3.6 exajoules.

Zettajoule

El zettajoule es algo más que la cantidad de energía necesaria para calentar el mar Báltico por 1 °C, asumiendo propiedades similares a las del agua pura. El consumo de energía mundial anual humano es aproximadamente 0.5 ZJ. La energía para elevar la temperatura de la atmósfera terrestre 1 °C es aproximadamente 2.2 ZJ.

Yottajoule

El yottajoule es un poco menos que la cantidad de energía necesaria para calentar el Océano Índico por 1 °C, asumiendo propiedades similares a las del agua pura. La salida térmica del Sol es aproximadamente 400 YJ por segundo.

Conversiones

1 julio es igual a (aproximadamente a menos que se indique lo contrario):

• 10⁷erg (exactamente)
• 6.24150974×10¹⁸eV
• 0.2390 cal (gramos calorías)
• 2.390×10⁻⁴kcal (calorías alimentarias)
• 9.4782×10⁻⁴BTU
• 0,7376 ft⋅lb (pie-pound)
• 23.7 ft⋅pdl (pie-poundal)
• 2.7778×10⁻⁷kW⋅h (kilowatt-hour)
• 2.7778×10⁻⁴W⋅h (hora de mierda)
• 9.8692×10⁻³latm (litre-atmósfera)
• 11.1265×10⁻¹⁵g (por medio de la equivalencia entre masa y energía)
• 10⁻⁴⁴Foe (exactamente)

Las unidades definidas exactamente en términos de joule incluyen:

• 1 calorías termoquímicas = 4.184J
• 1 calorías de la tabla internacional = 4.1868J
• 1W⋅h = 3600J (o 3.6kJ)
• 1k W⋅h = 3.6×10⁶J (o 3.6)MJ)
• 1W⋅s = 1 J
• 1ton TNT = 4.184 GJ

Newton-metro y par

En mecánica, el concepto de fuerza (en alguna dirección) tiene una estrecha analogía con el concepto de par (sobre algún ángulo):

Un resultado de esta similitud es que la unidad SI para el par es el newton-metro, que algebraicamente tiene las mismas dimensiones que el joule, pero no son intercambiables. La Conferencia General de Pesos y Medidas ha dado a la unidad de energía el nombre joule, pero no le ha dado a la unidad de torque ningún nombre especial, por lo que es simplemente el newton-metro (N⋅m) – un nombre compuesto derivado de sus partes constituyentes. El uso de newton-metros para torque y joules para energía es útil para evitar malentendidos y problemas de comunicación.

La distinción también se puede ver en el hecho de que la energía es una cantidad escalar: el producto escalar de un vector de fuerza y un vector de desplazamiento. Por el contrario, el par es un vector: el producto cruzado de un vector de fuerza y un vector de distancia. El par y la energía están relacionados entre sí por la ecuación

E=τ τ Silencio Silencio ,{displaystyle E=tau theta ,}

donde E es energía, τ es (la magnitud vectorial de) el par y θ es el ángulo barrido (en radianes). Dado que los ángulos planos son adimensionales, se deduce que el momento de torsión y la energía tienen las mismas dimensiones.

Vatio-segundo

Un vatio-segundo (símbolo W s o W⋅s) es una unidad derivada de energía equivalente al julio. El vatio-segundo es la energía equivalente a la potencia de un vatio sostenido durante un segundo. Si bien el vatio-segundo es equivalente al julio tanto en unidades como en significado, hay algunos contextos en los que el término "vatio-segundo" se utiliza en lugar de "joule", como en la clasificación de unidades de flash electrónico fotográficas.