Joule

El julio ( / dʒ uː l / JOOL , o / dʒ aʊ l / JOWL ; símbolo: J ) es la unidad de energía del 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. Recibe su nombre en honor al 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 ^[5]

Un julio también es equivalente a cualquiera de los siguientes: ^[6]

Trabajo necesario para mover una carga eléctrica de un coulomb a través de una diferencia de potencial eléctrico de un voltio, o un coulomb-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) (compárese con el kilovatio-hora , que equivale a 3,6 megajulios). Esta relación se puede utilizar para definir el vatio.

El julio recibe su nombre de James Prescott Joule . Como ocurre con todas las unidades del SI que llevan el nombre de una persona, su símbolo comienza con una letra mayúscula (J), pero cuando se escribe con todas sus letras, sigue las reglas de uso de mayúsculas de un sustantivo común ; es decir, el julio se escribe con mayúscula al principio de una oración y en los títulos, pero en el resto de los casos se escribe con minúsculas. ^[7]

Historia

El sistema cgs se había declarado oficial en 1881, en el primer Congreso Eléctrico Internacional . El erg fue adoptado como su unidad de energía en 1882. Wilhelm Siemens , en su discurso inaugural 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 las unidades electromagnéticas amperio y ohmio , en unidades cgs equivalentes a10 ⁷ erg . La denominación de la unidad en honor a James Prescott Joule (1818–1889), en ese momento jubilado pero aún vivo (de 63 años), siguió la recomendación de Siemens:

"Si se considerase aceptable esta unidad de calor, creo que podría llamarse con gran propiedad Joule, en honor al hombre que tanto ha hecho por desarrollar la teoría dinámica del calor". ^[8]

En el segundo Congreso Eléctrico Internacional, el 31 de agosto de 1889, el julio fue adoptado oficialmente junto con el vatio y el cuadrante (posteriormente rebautizado como henry ). ^[9] El julio murió ese 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. ^[10]

En 1935, la Comisión Electrotécnica Internacional (como organización sucesora del Congreso Eléctrico Internacional) adoptó el " sistema Giorgi ", que en virtud de asumir un valor definido para la constante magnética también implicó una redefinición del julio. El sistema Giorgi fue aprobado por el Comité Internacional de Pesos y Medidas en 1946. El julio ya no se definía en base a la unidad electromagnética, sino como la unidad de trabajo realizado por una unidad de fuerza (en ese momento todavía no llamada newton ) sobre la distancia de 1 metro . El julio fue concebido explícitamente como la unidad de energía para ser utilizada tanto en contextos electromagnéticos como mecánicos. ^[11] La ratificación de la definición en la novena Conferencia General de Pesos y Medidas , en 1948, agregó la especificación de que el julio también debía preferirse como unidad de calor en el contexto de la calorimetría , desaprobando oficialmente el uso de la caloría . ^[12] Esta es la definición declarada en el moderno Sistema Internacional de Unidades en 1960. ^[13]

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 ). ^[14]

Ejemplos prácticos

Un julio representa (aproximadamente):

La energía típica liberada en forma de calor por una persona en reposo cada 1/60 s (~16,6667 ms , tasa metabólica basal ); aproximadamente 5.000 kJ (1.200 kcal ) / día.
La cantidad de electricidad necesaria para hacer funcionar unDispositivo de 1 W para1 segundo .
La energía necesaria para acelerar un1 kg de masa a1 m/s ² a través de una distancia de1 metro .
La energía cinética de una2 kg de masa viajando a1 m/s , o una1 kg de masa viajando a1,41 m/s .
La energía necesaria para levantar una manzana 1 m, suponiendo que la manzana tiene una masa de 101,97 g.
El calor necesario para elevar la temperatura de 0,239 g de agua de 0 °C a 1 °C. ^[15]
La energía cinética de unaUn humano de 50 kg se mueve muy lentamente (0,2 m/s o 0,72 km/h).
La energía cinética de unaPelota de tenis de 56 g que se mueve a 6 m/s (22 km/h). ^[16]
La energía alimentaria (kcal) en un poco más de la mitad de un cristal de azúcar de tamaño normal (0,102 mg /cristal).

Múltiplos

Zeptojulio: 160 zeptojulios equivalen aproximadamente a 1 electronvoltio .
La energía mínima necesaria para cambiar un bit de datos en un cálculo a temperatura ambiente, aproximadamente2,75 zJ – viene dado por el límite de Landauer . ^{[ cita requerida ]}
Nanojulio: 160 nanojulios es aproximadamente la energía cinética de un mosquito volador. ^[17]
Microjulio: El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) produce colisiones del orden de microjulios (7 TeV) por partícula. ^{[ cita requerida ]}
Kilojulio: En la mayoría de los países, las etiquetas de los alimentos con información nutricional expresan la energía en kilojulios (kJ). ^[18]
Un metro cuadrado de la Tierra recibe aproximadamente1,4 kilojulios de radiación solar cada segundo a plena luz del día. ^[19] Un humano en un sprint tiene aproximadamente 3 kJ de energía cinética, ^[20] mientras que un guepardo en unUn sprint de 122 km/h (76 mph) tiene aproximadamente 20 kJ. ^[21] Un vatio-hora de electricidad o cualquier otra forma de energía equivale a 3,6 kJ.
Megajulio: El megajulio es aproximadamente la energía cinética de un vehículo de un megagramo (tonelada) que se mueve a161 km/h (100 mph). ^{[ cita requerida ]}
La energía necesaria para calentar10 L de agua líquida a presión constante de 0 °C (32 °F) a 100 °C (212 °F) son aproximadamente4.2 MJ . ^{[ cita requerida ]}
Un kilovatio-hora , de electricidad o cualquier otra forma de energía, equivale a 3,6 MJ.
Gigajulio: 6 gigajulios es aproximadamente la energía química necesaria para quemar un barril (159 L) de petróleo . ^[22] 2 GJ es aproximadamente la unidad de energía de Planck . Un megavatio-hora , de electricidad o cualquier otra forma de energía, es de 3,6 GJ.
Terajulio: El terajulio es aproximadamente0,278 GWh (que se utiliza a menudo en las tablas de energía).Little Boy liberó 63 TJ de energía . ^[23] La Estación Espacial Internacional , con una masa de aproximadamente450 megagramos y velocidad orbital de7700 m/s , ^[24] tiene una energía cinética de aproximadamente13 TJ . En 2017, se estimó que el huracán Irma tuvo una energía eólica máxima de112 TJ . ^[25]^[26] Un gigavatio-hora , de electricidad o cualquier otra forma de energía, equivale a 3,6 TJ.
Petajulio: 210 petajulios son aproximadamente50 megatones de TNT, que es la cantidad de energía liberada por la Bomba del Zar , la mayor explosión provocada por el hombre jamás ocurrida. Un teravatio-hora , de electricidad o cualquier otra forma de energía, equivale a 3,6 PJ.
Exajulio: El terremoto y tsunami de Tōhoku de 2011 en Japón tuvo1,41 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 aproximadamente a94 EJ , y el consumo final mundial de energía fue439 EJ en 2021. ^[27] Un petavatio-hora de electricidad, o cualquier otra forma de energía, equivale a 3,6 EJ.
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 . ^[28]El consumo energético mundial anual humano es de aproximadamente0,5 ZJ . La energía necesaria para elevar la temperatura de la atmósfera terrestre en 1 °C es aproximadamente2.2 ZJ . ^{[ cita requerida ]}
Yottajulio: El yottajoule 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. ^[28] La emisión térmica del Sol es aproximadamente400 YJ por segundo. ^{[ cita requerida ]}

Conversiones

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

1,0 × 10 ⁸ erg (exactamente)
6,24151 × 10 ¹⁸ eV
9,47817 × 10 ⁻³ BTU
0,737562 ft⋅lb (pie-libra)
23,7304 ft⋅pdl (pie-poundal)

Las unidades con equivalentes exactos en julios incluyen:

1 caloría termoquímica = 4,184 J ^[29]
1 caloría de la Tabla Internacional = 4,1868 J ^[30]
1 W⋅h = 3600 J; 3,6 kJ
1 kWh = 3,6 × 10⁶ J; 3,6 MJ^
1 W⋅s =1 J
1 tonelada de TNT = 4,184 GJ
1 enemigo = 10 ⁴⁴ J ^[31]

Newton-metro y torque

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

Un resultado de esta similitud es que la unidad del 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 ha dado a la unidad de par ningún nombre especial, por lo tanto es simplemente el newton-metro (N⋅m), un nombre compuesto derivado de sus partes constituyentes. ^[32] El uso de newton-metros para el par pero julios para la energía es útil para evitar malentendidos y falta de comunicación. ^[32]

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 vectorial de un vector de fuerza y un vector de distancia. El par y la energía están relacionados entre sí por la ecuación ^{[ cita requerida ]} $E=\tau\theta\,,$

donde E es la energía, τ es (la magnitud vectorial de) el par y θ es el ángulo recorrido (en radianes ). Como los ángulos planos son adimensionales, se deduce que el par y la energía tienen las mismas dimensiones. ^{[ cita requerida ]}

Vatio-segundo

Un vatio-segundo (símbolo W s o W⋅s ) es una unidad derivada de energía equivalente al julio. ^[33] El vatio-segundo es la energía equivalente a la potencia de un vatio sostenida 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 . ^[34]

Referencias

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^ 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. 6-7: La unidad de calor se ha utilizado hasta ahora de diversas formas: como el calor necesario para elevar una libra de agua hasta el punto de congelación en 1° Fahrenheit o centígrado, o, de nuevo, como el calor necesario para elevar un kilogramo de agua en 1° centígrado. La inconveniencia de una unidad tan completamente arbitraria es suficientemente evidente 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 de 10 ⁷ unidades CGS y, suponiendo que el equivalente de Joule es 42.000.000, es el calor necesario para elevar 0,238 gramos de agua en 1° centígrado, o, aproximadamente, la 1 ⁄ 1000 parte de la unidad arbitraria de una libra de agua elevada en 1° Fahrenheit y la 1 ⁄ 4000 parte del kilogramo de agua elevado en 1° centígrado. Si se considerase aceptable, creo que podría llamarse Joule con gran propiedad, en honor al hombre que tanto ha hecho por desarrollar la teoría dinámica del calor.
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^ "¿Qué es un vatio segundo?".

Enlaces externos

La definición del diccionario de julio en Wikcionario

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