Joule

El julio (pronunciado / ˈdʒuːl / , JOOL o / ˈdʒaʊl / JOWL ; símbolo : J ) es la unidad de energía en el Sistema Internacional de Unidades (SI ) .^[1] Es igual a la cantidad de trabajo realizado cuando una fuerza de un newton desplaza una masa a través de una distancia de un metro en la dirección de esa fuerza. 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). ^[2]^[3]^[4]

Definición

En términos de unidades básicas del SI y en términos de unidades derivadas del SI con nombres especiales , el julio se define como ^{[ cita requerida ]}

Un julio también se puede definir mediante cualquiera de los siguientes: ^{[ cita necesaria ]}

El trabajo necesario 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 energía durante un segundo, o un vatio-segundo (W⋅s) (compárese con kilovatio-hora , que es 3,6 megajulios). Esta relación se puede utilizar para definir los vatios.

El julio lleva el nombre de James Prescott Joule . Como ocurre con cada unidad SI que lleva el nombre de una persona, su símbolo comienza con una letra mayúscula (J), pero cuando se escribe completo, sigue las reglas de uso de mayúsculas de un sustantivo común ; es decir, joule se escribe con mayúscula al principio de una oración y en los títulos, pero por lo demás se escribe en minúsculas. ^{[ cita necesaria ]}

Historia

El sistema cgs había sido declarado oficial en 1881, en el primer Congreso Eléctrico Internacional . El ergio fue adoptado como unidad de energía en 1882. Wilhelm Siemens , en su discurso de toma de posesión como presidente de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia (23 de agosto de 1882) propuso por primera vez el julio como unidad de calor , que se derivaría de la energía electromagnética. unidades Amperios y Ohmios , en unidades cgs equivalentes a10 ⁷ ergio . 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: ^{[ cita necesaria ]}

"Creo que una unidad de calor de este tipo, si se considera aceptable, podría llamarse con gran propiedad Joule, en honor al hombre que ha hecho tanto para desarrollar la teoría dinámica del calor". ^[5]

En el segundo Congreso Eléctrico Internacional, el 31 de agosto de 1889, se adoptó oficialmente el julio junto con el vatio y el cuadrante (posteriormente rebautizado como henry ). ^[6] Joule murió 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 "amperio internacional" y el "ohmio internacional". siendo el julio" la unidad derivada de ellos. ^[7]

En 1935, la Comisión Electrotécnica Internacional (como organización sucesora del Congreso Eléctrico Internacional) adoptó el " sistema Giorgi ", que al suponer 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 julio ya no se definía en función de la unidad electromagnética, sino como la unidad de trabajo realizado por una unidad de fuerza (en ese momento aún no se llamaba newton ). en una distancia de 1 metro . El julio fue pensado explícitamente como la unidad de energía que se utilizaría tanto en contextos electromagnéticos como mecánicos. ^[8] La ratificación de la definición en la novena Conferencia General de Pesos y Medidas , en 1948, añadió la especificación de que el julio también debía preferirse como unidad de calor en el contexto de la calorimetría , desaprobando así oficialmente el uso del caloría . ^[9] Esta definición fue la precursora directa del julio adoptado en el moderno Sistema Internacional de Unidades en 1960. ^{[ cita necesaria ]}

La definición del julio como J = kg⋅m ² ⋅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 ). ^{[ cita necesaria ]}

Ejemplos prácticos

Un julio representa (aproximadamente):

La cantidad de electricidad necesaria para hacer funcionar unDispositivo de 1W para1s .
La energía necesaria para acelerar un1 kg de masa en1 m/s ² a través de una distancia de1m .
La energía cinética de un2 kg de masa viajando a1 m/s , o un1 kg de masa que viaja a1,41m /s . ^{[ cita necesaria ]}
La energía necesaria para levantar una manzana 1 m, suponiendo que la manzana tiene una masa de 101,97 g. ^{[ cita necesaria ]}
El calor necesario para elevar la temperatura de 0,239 g de agua de 0 °C a 1 °C. ^[10]
La energía típica liberada en forma de calor por una persona en reposo cada 1/60 s (17 ms ). ^{[nota 1]}^{[ cita necesaria ]}
La energía cinética de unHumano de 50 kg moviéndose muy lentamente (0,2 m/s o 0,72 km/h). ^{[ cita necesaria ]}
La energía cinética de unPelota de tenis de 56 g que se mueve a 6 m/s (22 km/h). ^[11]
La energía alimentaria (kcal) contenida en poco más de la mitad de un cristal de azúcar de tamaño normal (0,102 mg /cristal). ^{[ cita necesaria ]}

Múltiplos

zeptojulio: 160 zeptojulio equivalen aproximadamente a un electronvoltio . ^{[ cita necesaria ]}
La energía mínima necesaria para cambiar un bit de datos en el cálculo aproximadamente a temperatura ambiente: aproximadamente2,75 zJ – viene dado por el límite de Landauer . ^{[ cita necesaria ]}
Nanojulio: 160 nanojulios equivalen aproximadamente a la energía cinética de un mosquito volador. ^[12]
microjulio: El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) produce colisiones del orden de microjulios (7 TeV) por partícula. ^{[ cita necesaria ]}
kilojulio: Las etiquetas nutricionales de los alimentos en la mayoría de los países expresan la energía en kilojulios (kJ). ^[13]
Un metro cuadrado de la Tierra recibe aproximadamente1,4 kilojulios de radiación solar cada segundo en plena luz del día. ^[14] Un humano en una carrera de velocidad tiene aproximadamente 3 kJ de energía cinética, ^[15] mientras que un guepardo en unaUn sprint de 122 km/h (76 mph) tiene aproximadamente 20 kJ. ^[16] Un vatio-hora de electricidad es3,6 kilojulios . ^{[ cita necesaria ]}
megajulio: El megajulio es aproximadamente la energía cinética de un vehículo de un megagramo (tonelada) que se mueve a161 kilómetros por hora (100 mph). ^{[ cita necesaria ]}
La energía necesaria para calentar10 litros de agua líquida a presión constante de 0 °C (32 °F) a 100 °C (212 °F) son aproximadamente4,2MJ .^{[ cita necesaria ]}
Un kilovatio-hora de electricidad es3,6 megajulios . ^{[ cita necesaria ]}
gigajulio: 6 gigajulios equivalen aproximadamente a la energía química de quemar 1 barril (159 L) de petróleo . ^[17] 2 GJ es aproximadamente la unidad de energía de Planck . Un megavatio-hora de electricidad es3,6 gigajulios . ^{[ cita necesaria ]}
Terajulio: El terajulio es aproximadamente0,278 GWh (que se suele utilizar en las tablas de energía). Acerca deLittle Boy liberó 63 TJ de energía . ^[18] La Estación Espacial Internacional , con una masa de aproximadamente450 megagramos y velocidad orbital de7700 m/s , ^[19] tiene una energía cinética de aproximadamente13 TJ . En 2017, se estimó que el huracán Irma tuvo una energía eólica máxima de112 TJ . ^[20]^[21] Un gigavatio-hora de electricidad es3,6 terajulios . ^{[ cita necesaria ]}
Petajulio: 210 petajulios son aproximadamente50 megatones de TNT, que es la cantidad de energía liberada por la Tsar Bomba , la mayor explosión jamás provocada por el hombre. Un teravatio-hora de electricidad es3,6 petajulios . ^{[ cita necesaria ]}
exajulio: El terremoto y tsunami de Tōhoku de 2011 en Japón tuvieron1,41 EJ de energía según su calificación de 9,0 en la escala de magnitud de momento . El consumo anual de energía en Estados Unidos asciende a aproximadamente94 EJ , y el consumo final mundial de energía fue439 EJ en 2021. ^[22] Un petavatio-hora de electricidad es3,6 exajulios . ^{[ cita necesaria ]}
Zettajulio: El zettajulio 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 . ^[23]El consumo mundial anual de energía humana es de aproximadamente0,5 ZJ . La energía necesaria para elevar la temperatura de la atmósfera terrestre 1 °C es aproximadamente2.2 ZJ . ^{[ cita necesaria ]}
Yottajulio: El yottajulio 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. ^[23] La producción térmica del Sol es aproximadamente400 YJ por segundo. ^{[ cita necesaria ]}

Conversiones

1 julio es igual a (aproximadamente a menos que se indique lo contrario): ^{[ cita necesaria ]}

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 pies⋅lb (pie-libra)
23,7 pies⋅pdl (pie-poundal)
2,7778 × 10 ⁻⁷ kW⋅h (kilovatios-hora)
2,7778 × 10 ⁻⁴ W⋅h (vatios-hora)
9,8692 × 10 ⁻³ latm (atmósfera de litro)
11,1265 × 10 ⁻¹⁵ g⋅ c ² (a modo de equivalencia masa-energía )

Las unidades definidas exactamente en términos de julios incluyen: ^{[ cita necesaria ]}

1 caloría termoquímica = 4,184 J ^[24]
1 caloría de la tabla internacional = 4,1868 J ^[25]
1 W⋅h = 3600 J (o 3,6 kJ)
1 kW⋅h =3,6 × 10 ⁶ J (o 3,6 MJ)
1 W⋅s =1J
1 tonelada de TNT = 4.184 GJ
1 enemigo = 10 ^44J

Newton-metro y par

En mecánica , el concepto de fuerza (en alguna dirección) tiene un análogo cercano en el concepto de torque (aproximadamente algún ángulo): ^{[ cita necesaria ]}

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 julio, pero no son intercambiables. La Conferencia General de Pesos y Medidas ha dado a la unidad de energía el nombre de julio , pero no le ha dado ningún nombre especial a la unidad de par, por lo que es simplemente newton-metro (N⋅m), un nombre compuesto derivado de su constituyente. partes. ^[26] El uso de newton-metro para el par y julios para la energía es útil para evitar malentendidos y faltas de comunicación. ^[26]

La distinción también puede verse 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 mediante la ecuación ^{[ cita necesaria ]}

E=\tau \theta \,,

donde E es energía, τ es (la magnitud vectorial de) torque y θ es el ángulo barrido (en radianes ). Como los ángulos planos no tienen dimensiones, se deduce que el par y la energía tienen las mismas dimensiones. ^{[ cita necesaria ]}

Watt-segundo

Un vatio-segundo (símbolo Ws o W⋅s ) es una unidad derivada de energía equivalente al julio. ^[27] 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 utiliza el término "vatio-segundo" en lugar de "julio", como en la clasificación de unidades de flash electrónico fotográfico . ^[28]

Notas

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

Referencias

^ Oficina Internacional de Pesas 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 4 de junio de 2021 , consultado el 16 de diciembre de 2021
^ Diccionario de la herencia americana del idioma inglés, edición en línea (2009). Houghton Mifflin Co., alojado por Yahoo! Educación.
^ Diccionario de la herencia americana , segunda edición universitaria (1985). Boston: Houghton Mifflin Co., pág. 691.
^ Diccionario de Física McGraw-Hill , quinta edición (1997). McGraw-Hill, Inc., pág. 224.
^ Siemens, Cal Wilhelm (agosto de 1882). Informe de la quincuagésima segunda reunión de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia. Southampton. págs. 1–33. Págs. 6 y 7: 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 hasta 1° Fahrenheit o Centígrado o, nuevamente, el calor necesario para elevar un kilogramo de agua. 1° Centígrado. El inconveniente de una unidad tan enteramente arbitraria es suficientemente evidente como para justificar la introducción de una basada en el sistema electromagnético, a saber. el calor generado en un segundo por la corriente de un amperio que fluye a través de la resistencia de un ohmio. En medida absoluta su valor es 10 ^{7 unidades CGS y, suponiendo que}el equivalente de Joule sea 42.000.000 , es el calor necesario para elevar 0,238 gramos de agua 1° centígrado, o, aproximadamente, la 1/1000 parte de la unidad arbitraria de un libra de agua elevó 1° Fahrenheit y 1 ⁄ 4000 del kilogramo de agua elevó 1° centígrado. Creo que una unidad de calor así, si se considera aceptable, podría llamarse con gran propiedad Joule, en honor al hombre que ha hecho tanto para desarrollar la teoría dinámica del calor.
^ Pat Naughtin: una historia cronológica del sistema métrico moderno, metricationmatters.com, 2009.
^ Actas del Congreso Eléctrico Internacional. Nueva York: Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos. 1894.
^ CIPM, 1946, Resolución 2, Definiciones de unidades eléctricas. bipm.org .
^ 9ª CGPM, Resolución 3: Punto triple del agua; escala termodinámica con un único punto fijo; unidad de cantidad de calor (julio)., bipm.org.
^ "Unidades de calor: BTU, calorías y julios". Caja de herramientas de ingeniería . Consultado el 14 de junio de 2021 .
^ Ristinen, Robert A.; Kraushaar, Jack J. (2006). Energía y Medio Ambiente (2ª ed.). Hoboken, Nueva Jersey: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-73989-8.
^ "Física - CERN". public.web.cern.ch . Archivado desde el original el 13 de diciembre de 2012.
^ "Tú dices calorías, nosotros decimos kilojulios: ¿quién tiene razón?". Archivado desde el original el 15 de mayo de 2023 . Consultado el 2 de mayo de 2017 .
^ "Construcción de una serie temporal compuesta de irradiancia solar total (TSI) desde 1978 hasta la actualidad". Archivado desde el original el 30 de agosto de 2011 . Consultado el 5 de octubre de 2005 .
^ ${\tfrac {1}{2}}\cdot 70~{\text{kg}}\cdot \left(10~{\text{m/s}}\right)^{2}=3500~{\text{J}}$
^ ${\tfrac {1}{2}}\cdot 35~{\text{kg}}\cdot \left(35~{\text{m/s}}\right)^{2}=21,400~{\text{J}}$
^ "Unidades de energía: explicación de la energía, su guía para comprender la energía: administración de la información energética". www.eia.gov .
^ Malik, John (septiembre de 1985). «Informe LA-8819: Los rendimientos de las explosiones nucleares de Hiroshima y Nagasaki» (PDF) . Laboratorio Nacional de Los Álamos . Archivado desde el original (PDF) el 11 de octubre de 2009 . Consultado el 18 de marzo de 2015 .
^ "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 .
^ Bonnie Berkowitz; Laris Karklis; Rubén Fischer-Baum; Chiqui Esteban (11 de septiembre de 2017). "Análisis: ¿Qué tamaño tiene el huracán Irma?". El Correo de Washington . Consultado el 2 de noviembre de 2017 .
^ "Irma desata su furia en el sur de Florida", Financial Times , consultado el 10 de septiembre de 2017 (se requiere suscripción)
^ Perspectivas energéticas mundiales 2022 (Informe). Agencia Internacional de Energía. 2022. pág. 239 . Consultado el 7 de septiembre de 2023 .
^ ab "Volúmenes de los océanos del mundo de ETOPO1". noaa.gov . Administración Nacional Oceánica y Atmosférica. 19 de agosto de 2020 . Consultado el 8 de marzo de 2022 .
^ La adopción de julios como unidades de energía, Comité Ad Hoc de Expertos en Energía y Proteínas de la FAO/OMS, 1971. Informe sobre el cambio de calorías a julios en nutrición.
^ Feynman, Richard (1963). "Unidades Físicas". Conferencias de física de Feynman . Consultado el 7 de marzo de 2014 .
^ ab "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 maneras 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. Ésta, sin embargo, es una libertad algebraica que debe regirse por consideraciones físicas de sentido común; En una situación determinada, algunos formularios pueden ser más útiles que otros. En la práctica, con determinadas 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.
^ Oficina Internacional de Pesas 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 4 de junio de 2021 , consultado el 16 de diciembre de 2021
^ "¿Qué es un vatio segundo?".

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