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El joule ( / l , l / papada, jool ; [1] [2] [3] símbolo: J ) es una unidad derivada de energía en el Sistema Internacional de Unidades . [4] Es igual a la energía transferida a (o el trabajo realizado sobre) un objeto cuando una fuerza de un newton actúa sobre ese objeto en la dirección del movimiento de la fuerza a través de una distancia de un metro (1 newton metro o N⋅m ). También es la energía disipada como calor cuando unla 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). [5] [6] [7]

Definición [ editar ]

Primero, en términos de unidades SI básicas y luego en términos de otras unidades SI, un joule se define a continuación (considere esta tabla para el significado de los símbolos):

Un julio también se puede definir como lo siguiente:

  • 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 requerido para producir un vatio de potencia durante un segundo, o un vatio-segundo (W⋅s) (compare kilovatio-hora  - 3.6 megajulios). Esta relación se puede utilizar para definir el vatio.

El joule lleva el nombre de James Prescott Joule . Al igual que con todos los SI unidad lleva el nombre de una persona, su símbolo comienza con una mayúscula letra (J), pero cuando se escribe en su totalidad sigue las reglas de capitalización de un nombre común ; es decir, " joule " se escribe con mayúscula al comienzo de una oración y en los títulos, pero de lo contrario, se escribe en minúsculas.

Historia [ editar ]

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 la energía electromagnética. unidades Amperios y Ohmios , en unidades cgs equivalentes a10 7  erg . El nombre de la unidad en honor a James Prescott Joule (1818-1889), en ese momento jubilado pero aún con vida (63 años), se debe a Siemens:

"Una unidad de calor así, si se considera aceptable, podría llamarse con gran propiedad, creo, el Joule, en honor al hombre que tanto ha hecho para desarrollar la teoría dinámica del calor". [8]

En el segundo Congreso Eléctrico Internacional, el 31 de agosto de 1889, el joule se adoptó oficialmente junto con el vatio y el cuadrante (más tarde rebautizado como Henry ). [9] Joule falleció 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 medida, con el "amperio internacional". Joule "es 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 Pesas y Medidas en 1946. El joule 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 joule se pensó explícitamente como la unidad de energía que se utilizaría tanto en contextos electromagnéticos como mecánicos. [10] La ratificación de la definición en la novena Conferencia General de Pesas y Medidas , en 1948, agregó la especificación de que el julio también se preferiría como unidad de calor en el contexto de la calorimetría , desaprobando oficialmente el uso de la caloría . [11] Esta definición fue el precursor directo del joule adoptado en el moderno Sistema Internacional de Unidades en 1960.

La definición del joule como J = kg⋅m 2 ⋅s −2 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 [ editar ]

Un julio representa (aproximadamente)

  • La energía cinética de una masa de 2 kg que viaja a 1 m / s
  • La energía necesaria para levantar un tomate de tamaño mediano hasta 1 metro (3 pies 3 pulgadas), suponga que el tomate tiene una masa de 101,97 gramos (3,597 oz).
  • La energía requerida para acelerar una masa de 1 kg a 1 m⋅s −2 a través de una distancia de 1 m.
  • El calor necesario para elevar la temperatura de 1 g de agua en 0,24 ° C. [12]
  • Energía típica liberada en forma de calor por una persona en reposo cada 1/60 s (aproximadamente 17 ms). [nota 1]
  • La energía cinética de un ser humano de 50 kg que se mueve muy lentamente (0,2 m / so 0,72 km / h).
  • La energía cinética de una pelota de tenis de 56 g que se mueve a 6 m / s (22 km / h). [13]
  • La cantidad de electricidad necesaria para encender un LED de 1 W durante 1 s.
  • La energía alimentaria (kcal) en algo más de la mitad de un cristal de azúcar (aproximadamente 0,102 mg / cristal).

Un kilovatio-hora equivale a 3,6 megajulios.

Múltiplos [ editar ]

Yoctojulio
El yoctojulio (yJ) es igual a (10 −24 ) de un julio.
Zeptojoule
El zeptojulio (zJ) es igual a una sextillionésima ( 10-21 ) de un julio. 160 zetojulios es aproximadamente un electronvoltio .
La energía mínima necesaria para cambiar un poco alrededor de la temperatura ambiente (aproximadamente 2,75 zJ) viene dada por el límite de Landauer .
Attojoule
El attojulio (aJ) es igual a (10 −18 ) de un julio.
Femtojulio
El femtojoule (FJ) es igual a (10 -15 ) de un joule.
Picojulio
El picojulio (pJ) es igual a una billonésima ( 10-12 ) de un julio.
Nanojulio
El nanojulio (nJ) es igual a una mil millonésima parte (10 −9 ) de un julio. 160 nanojulios se trata de la energía cinética de un mosquito volador. [14]
Microjulio
El microjulio (μJ) es igual a una millonésima (10 −6 ) de un julio. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) produce colisiones del orden de los microjulios (7 TeV) por partícula.
Millijoule
El milijulio (mJ) es igual a una milésima (10 −3 ) de julio.
Kilojulio
El kilojulio (kJ) es igual a mil (10 3 ) julios. Las etiquetas de los alimentos nutricionales en la mayoría de los países expresan la energía en kilojulios (kJ). [15]
Un metro cuadrado de la Tierra recibe alrededor de 1,4 kilojulios de radiación solar cada segundo a plena luz del día. [dieciséis]
Megajulio
El megajulio (MJ) es igual a un millón (10 6 ) julios, o aproximadamente la energía cinética de un vehículo de un megagramo (tonelada) que se mueve a 161 km / h (100 mph).
La energía necesaria para calentar 10 litros de agua líquida a presión constante de 0 ° C (32 ° F) a 100 ° C (212 ° F) es de aproximadamente 4,2 MJ.
Un kilovatio-hora de electricidad equivale a 3,6 megajulios.
Gigajulio
El gigajulio (GJ) es igual a mil millones (10 9 ) julios. 6 GJ se refiere a la energía química de la combustión de 1 barril (159 l) de petróleo . [17] 2 GJ se refiere a la unidad de energía de Planck .
Terajulio
El terajulio (TJ) es igual a un billón (10 12 ) julios; o alrededor de 0,278 GWh (que se utiliza a menudo en las tablas de energía). Little Boy liberó alrededor de 63 TJ de energía . [18] La Estación Espacial Internacional , con una masa de aproximadamente 450 megagramos y una velocidad orbital de 7.700 m / s, [19] tiene una energía cinética de aproximadamente 13 TJ. En 2017, se estimó que el huracán Irma tuvo una energía eólica máxima de 112 TJ. [20] [21] 90 TJ es aproximadamente la cantidad de energía equivalente a 1 gramo de masa .
Petajulio
El petajulio (PJ) es igual a un cuatrillón (10 15 ) julios. 210 PJ son aproximadamente 50 megatones de TNT, que es la cantidad de energía liberada por la Tsar Bomba , la explosión más grande jamás creada por el hombre.
Exajulio
El exajulio (EJ) es igual a un quintillón (10 18 ) julios. El terremoto y tsunami de Tōhoku de 2011 en Japón tuvo 1,41 EJ de energía de acuerdo con su calificación de 9,0 en la escala de magnitud de momento . El consumo anual de energía en Estados Unidos asciende a aproximadamente 94 EJ.
Zettajoule
El zettajulio (ZJ) es igual a un sextillón (10 21 ) julios. El consumo humano anual de energía en el mundo es de aproximadamente 0,5 ZJ. La energía para elevar la temperatura de la atmósfera terrestre 1 ° C es aproximadamente 2,2 ZJ.
Yottajoule
El yottajulio (YJ) es igual a un septillón (10 24 ) julios. Esta es aproximadamente la cantidad de energía necesaria para calentar 1 ° C toda el agua de la Tierra . La producción térmica del Sol es de aproximadamente 400 YJ por segundo.

Conversiones [ editar ]

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

  • 10 7  ergio (exactamente)
  • 6.241 509 74 × 10 18  eV
  • 0.2390  cal (gramos de calorías)
  • 2.390 × 10 −4  kcal (calorías de los alimentos)
  • 9,4782 × 10 −4  BTU
  • 0.7376  ft⋅lb (pie-libra)
  • 23,7  ft⋅pdl (pie-poundal)
  • 2,7778 × 10 −7  kW⋅h (kilovatio-hora)
  • 2,7778 × 10 −4  W⋅h (vatios-hora)
  • 9,8692 × 10 −3  latm (litro-atmósfera)
  • 11.1265 × 10 −15  g (a modo de equivalencia masa-energía )
  • 10 −44  enemigo (exactamente)

Las unidades definidas exactamente en términos de julio incluyen:

  • 1 caloría termoquímica = 4,184  J [22]
  • 1 caloría de mesa internacional = 4,1868  J [23]
  • 1  W⋅h = 3600  J (o 3,6  kJ)
  • 1  kW⋅h =3,6 × 10 6  J (o 3,6  MJ)
  • 1  W⋅s =1 J
  • 1 tonelada TNT = 4.184 GJ

Newton-metro y par [ editar ]

En mecánica , el concepto de fuerza (en alguna dirección) tiene un análogo cercano en el concepto de torque (alrededor de algún ángulo):

Un resultado de esta similitud es que la unidad SI para el torque es el newton-metro , que algebraicamente tiene las mismas dimensiones que el joule, pero no son intercambiables. La Conferencia General de Pesas 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 tanto, es simplemente el newton-metro (N⋅m), un nombre compuesto derivado de su constituyente. partes. [24] El uso de medidores de newton para el torque y julios para la energía es útil para evitar malentendidos y malas comunicaciones. [24]

La distinción puede verse también 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) par y θ es el ángulo barrido (en radianes ). Dado que los ángulos de los planos no tienen dimensiones, se deduce que el par y la energía tienen las mismas dimensiones.

Watt-segundo [ editar ]

Un watt-segundo (símbolo W s o W · s ) es una unidad derivada de energía equivalente a la joule. [25] 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 joule tanto en unidades como en significado, hay algunos contextos en los que se usa el término "vatio-segundo" en lugar de "joule". [ ¿por qué? ]

Fotografía [ editar ]

En fotografía, la unidad de los flashes es el vatio-segundo. Un flash se puede clasificar en vatios-segundos (por ejemplo, 300 W⋅s) o en julios (diferentes nombres para lo mismo), pero históricamente, el término "vatios-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 hay 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-segundos "verdaderos", y algunas especifican sus productos en vatios-segundos "nominales". [26]

Ver también [ editar ]

  • Fluencia
  • Julios recíprocos

Notas [ editar ]

  1. ^ Esto se llama tasa metabólica basal . Corresponde a unas 5.000 kJ (1.200 kcal) por día. La kilocaloría (símbolo kcal) también se conoce como la caloría dietética .

Referencias [ editar ]

  1. ^ "julio" . Un nuevo diccionario de inglés sobre principios históricos . La prensa de Clarendon. Enero de 1901. p. 606.CS1 maint: date and year (link)
  2. ^ Allen, HS (septiembre de 1943). "Nature 152, 354 (1943)" . Naturaleza . 152 (3856): 354. doi : 10.1038 / 152354a0 . S2CID 4182911 . 
  3. ^ Wells, John (2008). Diccionario de pronunciación Longman (3ª ed.). Pearson Longman. ISBN 978-1-4058-8118-0.
  4. ^ Oficina internacional de pesos y medidas (2006), El sistema internacional de unidades (SI) (PDF) (8ª ed.), P. 120, ISBN  92-822-2213-6, archivado (PDF) desde el original el 14 de agosto de 2017
  5. ^ Diccionario de herencia americana de la lengua inglesa , edición en línea (2009). Houghton Mifflin Co., alojado por Yahoo! Educación .
  6. ^ The American Heritage Dictionary , Second College Edition (1985). Boston: Houghton Mifflin Co., pág. 691.
  7. ^ Diccionario de física de McGraw-Hill , quinta edición (1997). McGraw-Hill, Inc., pág. 224.
  8. ^ "Hasta ahora, la unidad de calor se ha tomado de diversas formas como el calor necesario para elevar una libra de agua en el punto de congelación a 1 ° Fahrenheit o Centígrados, o, de nuevo, el calor necesario para elevar un kilogramo de agua a 1 ° Centígrado. El inconveniente de una unidad tan arbitraria es lo suficientemente evidente como para justificar la introducción de una basada en el sistema electromagnético, es decir, el calor generado en un segundo por la corriente de un Ampère que fluye a través de la resistencia de un Ohm. En medida absoluta su valor es 10 7Unidades CGS, y, asumiendo el equivalente de Joule como 42,000,000, es el calor necesario para elevar 0.238 gramos de agua 1 ° centígrado, o, aproximadamente, la quinta parte de la unidad arbitraria de una libra de agua levantada 1 ° Fahrenheit y la quinta parte de el kilogramo de agua subió 1 ° centígrado. Una unidad de calor así, si se considera aceptable, podría con gran propiedad, creo, llamarse Joule, en honor al hombre que tanto ha hecho para desarrollar la teoría dinámica del calor ". Carl Wilhelm Siemens, Informe de la quincuagésima segunda reunión de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia S. 6 f.
  9. ^ Pat Naughtin: una historia cronológica del sistema métrico moderno. , metricationmatters.com, 2009.
  10. ^ CIPM, 1946, Resolución 2, Definiciones de unidades eléctricas. bipm.org.
  11. ^ Novena CGPM, Resolución 3: Triple punto de agua; escala termodinámica con un solo punto fijo; unidad de cantidad de calor (julio). , bipm.org.
  12. ^ "Unidades de calor - BTU, calorías y julio" . Caja de herramientas de ingeniería . Consultado el 7 de junio de 2019 .
  13. ^ Ristinen, Robert A .; Kraushaar, Jack J. (2006). Energía y Medio Ambiente (2ª ed.). Hoboken, Nueva Jersey: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-73989-8.
  14. ^ "Física - CERN" . public.web.cern.ch . Archivado desde el original el 13 de diciembre de 2012.
  15. ^ "Dices calorías, nosotros decimos kilojulios: ¿quién tiene razón?" . Consultado el 2 de mayo de 2017 .
  16. ^ "Construcción de una serie de tiempo de irradiancia solar total compuesta (TSI) desde 1978 hasta el presente" . Archivado desde el original el 30 de agosto de 2011 . Consultado el 5 de octubre de 2005 .
  17. ^ "Unidades de energía - Energía explicada, su guía para comprender la energía - Administración de información energética" . www.eia.gov .
  18. ^ Malik, John (septiembre de 1985). "Informe LA-8819: Los rendimientos de las explosiones nucleares de Hiroshima y Nagasaki" (PDF) . Laboratorio Nacional de Los Alamos . Archivado desde el original (PDF) el 11 de octubre de 2009 . Consultado el 18 de marzo de 2015 .
  19. ^ "Configuración final de la estación espacial internacional" (PDF) . Agencia Espacial Europea . Archivado desde el original (PDF) el 21 de julio de 2011 . Consultado el 18 de marzo de 2015 .
  20. ^ Bonnie Berkowitz; Laris Karklis; Reuben Fischer-Baum; Chiqui Esteban (11 de septiembre de 2017). "Análisis - ¿Qué tan grande es el huracán Irma?" . Washington Post . Consultado el 2 de noviembre de 2017 .
  21. ^ " Irma desata su furia en el sur de Florida ", Financial Times , consultado el 10 de septiembre de 2017 (se requiere suscripción)
  22. ^ La adopción de julios como unidades de energía , Comité ad hoc de expertos en energía y proteínas de la FAO / OMS, 1971. Un informe sobre el cambio de calorías a julios en la nutrición.
  23. ^ Feynman, Richard (1963). "Unidades físicas" . Conferencias de Feynman sobre física . Consultado el 7 de marzo de 2014 .
  24. ^ a b "Unidades con nombres y símbolos especiales; unidades que incorporan nombres y símbolos especiales" . Oficina Internacional de Pesas y Medidas . Archivado desde el original el 28 de junio de 2009 . Consultado el 18 de marzo de 2015 .Una unidad derivada a menudo se puede expresar de diferentes formas combinando unidades base con unidades derivadas que tienen nombres especiales. Joule, por ejemplo, puede escribirse formalmente newton metro, o kilogramo metro cuadrado por segundo cuadrado. Esto, sin embargo, es una libertad algebraica que debe regirse por consideraciones físicas de sentido común; en una situación dada, algunos formularios pueden ser más útiles que otros. En la práctica, con ciertas cantidades, se da preferencia al uso de ciertos nombres de unidades especiales, o combinaciones de nombres de unidades, para facilitar la distinción entre diferentes cantidades que tienen la misma dimensión.
  25. ^ Oficina internacional de pesos y medidas (2006), El sistema internacional de unidades (SI) (PDF) (8ª ed.), Págs. 39-40, 53, ISBN  92-822-2213-6, archivado (PDF) desde el original el 14 de agosto de 2017
  26. ^ "¿Qué es un segundo de vatio?" .

Enlaces externos [ editar ]

  • La definición del diccionario de julio en Wikcionario