Julio (unidad)

El julio o joule (símbolo: J) es una unidad derivada de energía en el Sistema Internacional de Unidades. 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

Primero en términos de unidades SI básicas y luego en términos de otras unidades SI, un julio se define como

donde

Un julio también se puede definir de la siguiente manera:

• El trabajo requerido para mover una carga eléctrica de un culombio a través de una diferencia de potencial eléctrico de un voltio, o un culombio-voltio (C⋅V). Esta relación se puede utilizar para definir el voltio.
• El trabajo necesario para producir un vatio de potencia durante un segundo, o un vatio-segundo (W⋅s) (comparar kilovatio-hora – 3,6 megajulios). Esta relación se puede utilizar para definir el vatio.

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, " joule " se convierte en mayúscula al comienzo de una oración y en los títulos, pero por lo demás 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, derivada del electromagnético. unidades Ampere y Ohm, en cgs unidades equivalentes a10 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 propiedad, creo, llamarse Joule, en honor al hombre que ha hecho tanto para desarrollar la teoría dinámica del calor".

En el segundo Congreso Eléctrico Internacional, el 31 de agosto de 1889, el julio se adoptó oficialmente junto con el vatio y el cuadrante (más tarde rebautizado como henrio). Joule murió en el mismo año, el 11 de octubre de 1889. En el cuarto congreso (1893), se definieron el "amperio internacional" y el "ohmio internacional", con ligeros cambios en las especificaciones para su medición, siendo el "julio internacional". 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 del Joule. El sistema Giorgi fue aprobado por el Comité Internacional de Pesos y Medidas en 1946. El julio ya no se definía 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 sobre 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 joule como J=kg⋅m ⋅s no ha cambiado desde 1946, pero el joule 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 hacer funcionar unDispositivo de 1 W para1 s
• La energía necesaria para acelerar un1 kg de masa en1 m/s a través de una distancia de1 metro
• La energía cinética de unMasa de 2 kg viajando a1 m/s, o unMasa de 1 kg viajando a1,41 m/seg.
• La energía requerida para levantar un tomate de tamaño mediano 1 metro (3 pies 3 pulgadas), suponiendo que el tomate tenga una masa de 101,97 gramos (3,597 oz).
• El calor necesario 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 en forma de calor por una persona en reposo cada 1/60 s (17ms).
• La energía cinética de un50 kg humano moviéndose muy lentamente (0,2 m/s o 0,72 km/h).
• La energía cinética de unPelota de tenis de 56 g que se mueve a 6 m/s (22 km/h).
• La energía alimentaria (kcal) en algo más de la mitad de un cristal de azúcar (0,102 mg /cristal).

Múltiplos

yoctojulioEl yoctojulio (yJ) es igual a10 julios.ZeptojulioEl zeptojulio (zJ) es igual a una sextillonésima (10) de un julio.160 zJ es aproximadamente un electronvoltio.La energía mínima necesaria para cambiar un poco a temperatura ambiente, aproximadamente2,75 zJ: viene dado por el límite de Landauer.AttojulioEl attojulio (aJ) es igual a10 julios.FemtojulioEl femtojulio (fJ) es igual a10 julios.picojulioEl picojulio (pJ) es igual a una billonésima (10) de un julio.nanojulioEl nanojulio (nJ) es igual a una milmillonésima (10) de un julio.160 nanojulios es aproximadamente la energía cinética de un mosquito volador.microjulioEl microjulio (μJ) es igual a una millonésima (10) de un julio. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) produce colisiones del orden de microjulios (7 TeV) por partícula.milijulioEl milijulio (mJ) es igual a una milésima (10) de un julio.kilojulioEl kilojulio (kJ) es igual a mil (10) julios. Las etiquetas nutricionales de los alimentos en la mayoría de los países expresan la energía en kilojulios (kJ).Un metro cuadrado de la Tierra recibe alrededor1,4 kilojulios de radiación solar cada segundo a plena luz del día. Un ser humano en una carrera de velocidad tiene aproximadamente 3 kJ de energía cinética, mientras que un guepardo en una carrera de 70 mph tiene aproximadamente 20 kJ.megajulioEl megajulio (MJ) es igual a un millón (10) julios, o aproximadamente la energía cinética de un vehículo de un megagramo (tonelada) que se mueve a161 km/h (100 mph).La energía necesaria para calentar10 L de agua líquida a presión constante de 0 °C (32 °F) a 100 °C (212 °F) es aproximadamente4,2 megajulios.Un kilovatio-hora de electricidad es3,6 megajulios.gigajulioEl gigajulio (GJ) es igual a mil millones (10) julios.6 GJ es aproximadamente la energía química de quemar 1 barril (159 l) de petróleo. 2 GJ se trata de la unidad de energía de Planck.TerajulioEl terajulio (TJ) es igual a un billón (10) julios; o sobre0,278 GWh (que se suele utilizar en las tablas de energía). Acerca deLittle Boy liberó 63 TJ de energía. La Estación Espacial Internacional, con una masa de aproximadamente450 megagramos y velocidad orbital de7700 m/s, tiene una energía cinética de aproximadamente13 TJ. En 2017, se estimó que el huracán Irma tuvo una energía eólica máxima de112 TJ.petajulioEl petajulio (PJ) es igual a un cuatrillón (10) julios.210 PJ se trata de50 megatones de TNT, que es la cantidad de energía liberada por Tsar Bomba, la explosión más grande jamás hecha por el hombre.exajulioEl exajulio (EJ) es igual a un quintillón (10) julios. El terremoto y tsunami de Tōhoku en Japón en 2011 tuvo1,41 EJ de energía según su calificación de 9,0 en la escala de magnitud de momento. El consumo anual de energía en EE. UU. asciende a aproximadamente94 ej.ZettajulioEl zettajulio (ZJ) es igual a un sextillón (10) julios. Es algo más que la cantidad de energía necesaria para calentar el mar Báltico en 1 °C, suponiendo propiedades similares a las del agua pura. El consumo humano mundial de energía anual es de aproximadamente0,5 ZJ. La energía para elevar la temperatura de la atmósfera terrestre 1 °C es aproximadamente2.2 ZJ.yottajulioEl yottajoule (YJ) es igual a un septillón (10) julios. Es un poco menos que la cantidad de energía necesaria para calentar el Océano Índico en 1 °C, suponiendo propiedades similares a las del agua pura. La salida térmica del Sol es aproximadamente400 YJ por segundo.

Conversiones

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

• 10 erg (exactamente)
• 6.241 509 74 × 10 eV
• 0.2390 cal (calorías gramo)
• 2.390 × 10 kcal (calorías de los alimentos)
• 9,4782 × 10 BTU
• 0.7376 ft⋅lb (pie-libra)
• 23,7 ft⋅pdl (pie-poundal)
• 2,7778 × 10 kW⋅h (kilovatio-hora)
• 2,7778 × 10 W⋅h (vatio-hora)
• 9,8692 × 10 latm (litro-atmósfera)
• 11,1265 × 10 g (a modo de equivalencia masa-energía)
• 10 enemigos (exactamente)

Las unidades definidas exactamente en términos de joule incluyen:

• 1 caloría termoquímica = 4,184 J
• 1 caloría de mesa internacional = 4.1868 J
• 1 W⋅h = 3600 J (o 3,6 kJ)
• 1 kW⋅h =3,6 × 10 J (o 3,6 MJ)
• 1 W⋅s =1J
• 1 tonelada TNT =4.184 GJ

Newton-metro y torque

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 le ha dado a la unidad de energía el nombre de joule, pero no le ha dado a la unidad de torque ningún nombre especial, por lo que es simplemente newton-metro (N⋅m), un nombre compuesto derivado de su componente partes. 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

donde E es energía, τ es (la magnitud vectorial de) el par y θ es el ángulo de 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 se usa el término "vatio-segundo" en lugar de "julio".

Fotografía

En fotografía, la unidad de los flashes es el vatio-segundo. Un flash puede clasificarse en vatios-segundo (p. ej., 300 W⋅s) o en julios (diferentes nombres para lo mismo), pero históricamente, el término "vatio-segundo" se ha utilizado y se sigue utilizando.

La calificación energética que se le da a un flash no es un punto de referencia confiable para su salida de luz porque existen numerosos factores que afectan la eficiencia de conversión de energía. Por ejemplo, la construcción del tubo afectará la eficiencia y el uso de reflectores y filtros cambiará la salida de luz utilizable hacia el sujeto. Algunas empresas especifican sus productos en vatios-segundo "verdaderos" y otras especifican sus productos en vatios-segundo "nominales".