Joule

El joule (símbol J) és la unitat d'energia, quantitat de calor i treball en el Sistema Internacional d'Unitats. Va ser anomenada així en honor del físic anglès James Prescott Joule (1818 – 1889). Es tracta d'una unitat derivada que es defineix com el treball que fa una força d'un newton quan el punt on s'aplica es desplaça un metre en la direcció de la força. En termes d'unitats bàsiques del SI s'expressa en quilogram per metre quadrat dividit entre segon al quadrat:

${\displaystyle \,1\,\mathrm {J} =1\,\mathrm {kg} \cdot \mathrm {m} ^{2}\cdot \mathrm {s} ^{-2}}$

joule

Tipus	unitat derivada del SI, unitat d'energia i unitat derivada del SI amb nom especial
Sistema d'unitats	Unitat derivada del SI
Unitat de	Energia
Símbol	J
Epònim	James Prescott Joule
Conversions d'unitats
Unitats base del SI	1 kg⋅m²⋅s−2
Unitats CGS	1×107 erg
quilowatts hora	2,78×10−7 kW·h
quilocalories (termoquímiques)	2,390×10−4 kcalte
BTU	9,48×10−4 BTU
electró-volts	6,24×1018 eV
A unitats del SI	1 J

Fotografia de James Prescott Joule.

Seguint les normes del Sistema Internacional d'Unitats publicades per l'Oficina Internacional de Pesos i Mesures el nom de les unitats s'ha d'escriure en minúscula (joule) i el símbol amb la lletra majúscula J atès que deriva d'un nom propi.^[1][2]

Definició

Un joule es defineix com la quantitat de treball físic que faria una força d'un newton per a moure un objecte a una distància d'un metre en la direcció de la força aplicada. Però, atès que el concepte d'energia s'utilitza en diferents àmbits de la física, hi ha d'altres definicions pràctiques utilitzant altres unitats derivades, així un joule també és:

• El treball necessari per moure una càrrega elèctrica d'un coulomb al llarg d'una diferència de potencial d'un volt. Aquesta relació pot ser utilitzada per a definir el volt.

${\displaystyle {\rm {1\,J=1\,V\cdot C}}}$

• El treball fet per un circuit elèctric per fer circular un corrent elèctric d'un ampere a través d'una resistència elèctrica d'un ohm durant un segon.

${\displaystyle {\rm {1\,J=1\,\Omega \cdot A^{2}\cdot s}}}$

• El treball necessari per produir la potència d'un watt durant un segon. Aquesta relació pot ser utilitzada per a definir el watt.

${\displaystyle {\rm {1\,J=1\,W\cdot s}}}$

El quilowatt-hora és una altra unitat d'energia, basada en el watt i l'hora, que tot i no formar part del SI s'utilitza habitualment per a l'energia elèctrica, el seu preu s'acostuma a expressar en € per kWh. Un quilowatt-hora serien 3.600.000 joules o 3,6 megajoules.

Història

El 1889 la British Association for the Advancement of Science va suggerir el nom de joule per a la unitat d'energia, el nom va ser adoptat al segon Congrès international des électriciens celebrat a París el mateix any 1889 en el marc de l'Exposició Universal.^[3][4]

El 1948 a la 9a reunió de la CGPM que es va fer a París, es va consagrar el joule com a unitat d'energia, tanmateix la resolució era una mica ambigua i només deia El joule és la unitat de la quantitat de calor,^[5] sembla que la Conferència va trobar alguns problemes amb els defensors de la caloria.^[3] Una altra mostra d'ambigüitat és que a la mateixa 9a reunió de la CGPM es va adoptar una resolució^[6] referent a l'escriptura dels noms i símbols de les unitats on encara apareixia l'erg, no seria fins al 1960, a l'11a reunió de la CGPM, quan es va definir el Sistema Internacional d'Unitats, que el joule quedaria definit clarament com l'única unitat d'energia, treball i quantitat de calor.^[2]

En el camp de les radiacions ionitzants les unitats de mesura per a la dosi absorbida i la dosi equivalent de radiació són les mateixes, el joule per quilogram, però per evitar confusions s'utilitzen unitats amb un nom específic, el gray i el sievert respectivament.^[7][8][9]

El 1971 la Unió Europea va publicar la directiva 71/354/EEC^[10] instant els estats membres a utilitzar les unitats del Sistema Internacional, amb joule com la unitat d'energia tot i que permetia la utilització de la caloria fins al 1977 i de l'erg fins al 1979. La directiva 80/181/EEC^[11] del 1979 va confirmar la utilització del SI i el joule però va permetre la utilització d'algunes altres unitats, com la caloria, sempre que el seu ús fos suplementari a la unitat corresponent del SI i temporalment fins a finals del 1989. Successives directives van anar endarrerint la data fins al 1999 (89/617/EEC^[12] del 27 de novembre del 1989), i el 2009 (1999/103/EC^[13] del 24 de gener del 2000), finalment la directiva 2009/3/EC^[14] de l'11 de març del 2009 permet la utilització indefinida d'indicacions suplementàries d'algunes unitats.

Múltiples del joule

Múltiples del joule (J)

Submúltiples				Múltiples
Valor	Símbol	Nom		Valor	Símbol	Nom
10–1 J	dJ	decijoule		10¹ J	daJ	decajoule
10–2 J	cJ	centijoule		10² J	hJ	hectojoule
10–3 J	mJ	mil·lijoule		103 J	kJ	kilojoule
10–6 J	µJ	microjoule		10⁶ J	MJ	megajoule
10–9 J	nJ	nanojoule		10⁹ J	GJ	gigajoule
10–12 J	pJ	picojoule		1012 J	TJ	terajoule
10–15 J	fJ	femtojoule		1015 J	PJ	petajoule
10–18 J	aJ	attojoule		1018 J	EJ	exajoule
10–21 J	zJ	zeptojoule		1021 J	ZJ	zettajoule
10–24 J	yJ	yoctojoule		1024 J	YJ	yottajoule
En negreta els múltiples més utilitzats

Ordre de magnitud

El joule és una unitat d'energia molt petita per la vida corrent. Aproximadament, un joule és la quantitat d'energia necessària per aixecar un quilogram a una alçada de deu centímetres a la superfície terrestre. Una puntada de peu d'un esportista pot tenir una energia d'uns 200 J; una bombeta de baix consum de 20 watts durant vuit hores gasta uns 500.000 J; i el consum elèctric d'una família mitjana durant un mes pot ser d'uns 1.000.000.000 (uns 278 kWh). Per aquest motiu, és més habitual utilitzar la unitat kWh (quilowatt hora) en lloc del MJ (megajoule) o el GJ (gigajoule), com caldria fer-ho.

Exemples pràctics

A la vida diària podem trobar aquests exemples quantificats en joules:

• 1 joule :
  • energia necessària per aixecar un metre un petit objecte de 100 grams a la superfície de la Terra.
  • energia necessària per elevar la temperatura d'un gram d'aire sec (un litre) un grau Celsius.

• 1000 joules
  • quantitat de calor dissipada en 10 segons per una persona en repòs.
  • energia que necessita un nen (30 kg) per pujar un pis (poc més de tres metres).

• 1 megajoule (un milió de joules)
  • calor necessària per portar a ebullició 3 litres d'aigua.
  • un quart d'hora d'escalfament produït per un radiador de 1000 W.

Com es pot observar, el joule és una unitat massa petita per a ser utilitzada habitualment.

Conversions

1 joule és igual a:

• 1 N·m (newton metre)
• 1 W·s (watt segon)
• 2,7778 ×10⁻⁴ watt hora
• 0,000 000 278 quilowatt-hora
• 6,24150974 × 10¹⁸ eV (electró volts)
• 0,239 calories
• 1 pascal-metre cúbic.

Unitats definides en termes del joule:

• 1 watt hora = 3600 J
• 1 kilowatt hora = 3,6 x 10⁶ J (o 3,6 MJ)
• 1 tona TNT = 4,184 GJ

Newton-metre i parell

En mecànica, el concepte de força (en alguna direcció) té un anàleg proper en el concepte de parell (aproximadament un angle):

Lineal	Angular
Força	Parell
Massa	Moment d'inèrcia
Desplaçament	Angle

El resultat d'aquesta similitud és que la unitat del SI per al parell és el newton-metre, que funciona de manera àlgebraica per tenir les mateixes dimensions que el joule, però no són intercanviables. La Conferència General de Peses i Mesures ha donat a la unitat d'energia el nom de joule, però no li ha donat cap nom especial a la unitat de parell, per tant és simplement el newton-metre (N⋅m) – un nom compost derivat de les seves parts constituents.^[15] L'ús de newton-metres per al parell i els joules per a l'energia és útil per evitar malentesos i comunicacions incorrectes.^[15]

La distinció es pot veure també en el fet que l'energia és una quantitat escalar: el producte puntual d'un vector de força i un vector de desplaçament. Per contra, el parell és un vector: el producte creuat d'un vector força i un vector distància. El parell i l'energia estan relacionats entre si per l'equació $${\displaystyle E=\tau \theta \,,}$$

on E és energia, τ és (la magnitud vectorial de) parell, i θ és l'angle escombrat (en radians). Com que els angles plans són adimensionals, es dedueix que el parell i l'energia tenen les mateixes dimensions.

Watt-segon

Un watt-segon (símbol W s o W⋅s) és una unitat derivada d'energia equivalent al joule.^[16] El watt-segon és l'energia equivalent a la potència d'un watt sostingut durant un segon. Tot i que el watt-segon és equivalent al joule tant en unitats com en significat, hi ha alguns contextos en què s'utilitza el terme "watt-segon" en comptes de "joule", com ara en la qualificació de unitats de flaix electrònic.^[17]

Referències

1. (anglès) El Sistema Internacional d'Unitats PDF. Publicació de l'Oficina Internacional de Pesos i Mesures. Pàgina 131, apartat 5.2 Unit names
2. «Resolució número 12 de la 11^a reunió de la CGPM» (en anglès). «La Conferència General de Pesos i Mesures celebrada a París el 1960 va definir el Sistema Internacional d'Unitats i va consagrar el joule com la unitat d'energia, treball i quantitat de calor.»
3. Naughtin, Pat «Inquiry into Australia's future oil supply and alternative transport fuels» (pdf) (en anglès). Chronology of the joule, 2006, pàg. 3.^{[Enllaç no actiu]}
4. (anglès) Definició del joule a lloc web Sizes The joule was adopted in 1889 by the International Electrical Congress. When the CGPM first defined SI, in 1960, it included the joule as one of the derived units.
5. (francès) El joule com a unitat de la quantitat de calor Resolució 3 de la de la 9^a reunió de la CGPM del 1948.
6. (francès) [http://www.bipm.org/fr/CGPM/db/9/7/ Resolució 7a de la 9a reunió de la CGPM del 1948.
7. BIPM. Unitats amb un nom especial Vegeu el darrer paràgraf.
8. Resolució número 5 de la 16a reunió de la CGPM, 1979, adoptant el sievert
9. Resolució número 9 de la 15a reunió de la CGPM, 1975, adoptant el gray.
10. «Directiva del 18 d'octubre del 1971 sobre les lleis dels estats membres relatives a les unitats de mesura, (71/354/EEC)». [Consulta: 2 agost 2009].
11. «Directiva 80/181/EEC del 20 de desembre del 1979». [Consulta: 2 agost 2009].
12. «Directiva 89/617/EEC del 27 de novembre del 1989». [Consulta: 2 agost 2009].
13. «Directiva 1999/103/EC del Parlament Europeu i el Consell del 24 de gener del 2000.». [Consulta: 2 agost 2009].
14. «Directiva 2009/3/EC del Parlament Europeu i el Consell de l'11 de març del 2009». [Consulta: 2 agost 2009].
15. «Units with special names and symbols; units that incorporate special names and symbols». International Bureau of Weights and Measures. Arxivat de l'original el 28 juny 2009. [Consulta: 18 març 2015]. «A derived unit can often be expressed in different ways by combining base units with derived units having special names. Joule, for example, may formally be written newton metre, or kilogram metre squared per second squared. This, however, is an algebraic freedom to be governed by common sense physical considerations; in a given situation some forms may be more helpful than others. In practice, with certain quantities, preference is given to the use of certain special unit names, or combinations of unit names, to facilitate the distinction between different quantities having the same dimension.»
16. Oficina Internacional de Pesos i Mesures. The International System of Units (SI) (en anglès). 8a ed., 2006. ISBN 92-822-2213-6.
17. «What Is A Watt Second?». Arxivat de l'original el 2017-06-02. [Consulta: 8 maig 2023].

Enllaços externs

• Conversió d'unitats a partir del joule Arxivat 2020-12-19 a Wayback Machine. (anglès)
• Convertidor de joules en línia (anglès)
• El joule en E=mc² (anglès)