Joule (J) är måttenheten för energi som används i International System of Units (SI), och den som accepteras i vetenskapliga kretsar. Enheten används i alla ekvationer och beräkningar som involverar energi. Enligt SI-konventioner förkortas joule med ett stort J eftersom termen härrör från ett egennamn, men om det stavas ut är det inte versaler. Ett J definieras som mängden energi som förbrukas av en kraft på 1 newton som flyttar ett föremål 1 meter i samma riktning som kraften. En newton är kraften som krävs för att accelerera en massa på 1 kilogram (2.2 pund) med en hastighet av 1 meter (3.3 fot) per sekund per sekund; därför är accelerationen sådan att massans hastighet ökar med 1 meter per sekund för varje sekund som går.
Definition
Ovanstående definition av en joule kan verka komplicerad, men fördelen med SI-enheter är att de gör det möjligt att kvantifiera alla de många saker som forskare kanske vill mäta i termer av ett litet antal basenheter. Det betyder också att, genom att hålla fast vid dessa enheter, talar alla forskare samma språk. Joulen sägs vara en härledd enhet, eftersom den erhålls från basenheterna kilogram, meter och sekunder.
Det kan betraktas som en newtonmeter – en kraft på 1 newton som utövas över ett avstånd av 1 meter (3.3 fot). Eftersom newton i sig är en härledd enhet, kan en joule delas upp ytterligare som meter i kvadrat gånger kilogram gånger meter per sekund per sekund:
J = m2kgs-2
Även om en joule är 1 newtonmeter, hänvisas normalt inte till energi med den senare enheten, för att undvika förväxling med måttenheten för vridmoment, eller kraftmoment, som har att göra med rotationsrörelse.
Kraft, arbete, energi och kraft
Det finns ofta en viss förvirring mellan dessa termer och de enheter som används för att mäta dem. En kraft är en påverkan som orsakar en förändring i ett föremåls rörelse; med andra ord acceleration. Arbete är utövandet av kraft för att producera rörelse, medan energi är potentialen för att utföra arbete, och förbrukas när arbetet utförs. Att till exempel trycka ett föremål i en viss riktning innebär att man applicerar en kraft, som fungerar, och energin måste förbrukas. Arbete och energi kan båda mätas i joule.
Effekt är den hastighet med vilken energi förbrukas och mäts i watt. Att använda upp 1 J energi i en sekund använder 1 watt effekt, så 1 watt är 1 joule per sekund. En 100-watts glödlampa använder 100 J energi per sekund. Hushållens elförbrukning mäts i kilowattimmar: en kilowatt är 1,000 1 watt och 3,600,000 kilowattimme är XNUMX XNUMX XNUMX J.
Exempel
För att få en uppfattning om hur mycket energi en joule faktiskt är, hjälper det att titta på några vardagliga exempel. En joule är mängden energi som behövs för att höja temperaturen på 1 gram sval, torr luft med 1.8°C (1.0°F). En genomsnittlig person som sitter tyst producerar 100 J värme varje sekund. Mängden energi som krävs för att lyfta ett litet äpple 1 meter (3.3 fot) mot jordens gravitation motsvarar ungefär 1 J.
historik
Enheten är uppkallad efter den engelske fysikern James Prescott Joule, vars arbete ledde till teorin om bevarande av energi och termodynamikens första lag på 19-talet. Genom sina experiment kunde han fastställa att energi förändras från en form till en annan när arbetet utförs, men att energi inte kan skapas från ingenting eller förstöras. Till exempel, när elektricitet används för att vrida en motor, omvandlas en del av den elektriska energin till rörelse, och resten omvandlas till värme. Han kunde visa att rörelsen plus värmen motsvarade den ursprungliga mängden elektrisk energi.