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Joule

El julio ( / l / JOOL , o / 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]

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 (más tarde 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):

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 información nutricional de los alimentos 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
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 EE. UU. 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):

Las unidades con equivalentes exactos en julios incluyen:

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 ]

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

  1. ^ Oficina Internacional de Pesas y Medidas (2006), El Sistema Internacional de Unidades (SI) (PDF) (8.ª ed.), pág. 120, ISBN 92-822-2213-6, archivado (PDF) del original el 4 de junio de 2021 , consultado el 16 de diciembre de 2021
  2. ^ American Heritage Dictionary of the English Language, edición en línea (2009). Houghton Mifflin Co., alojado por Yahoo! Education.
  3. ^ The American Heritage Dictionary , segunda edición universitaria (1985). Boston: Houghton Mifflin Co., pág. 691.
  4. ^ McGraw-Hill Dictionary of Physics , quinta edición (1997). McGraw-Hill, Inc., pág. 224.
  5. ^ "Guía del NIST para el SI, Capítulo 4: Las dos clases de unidades del SI y los prefijos del SI". NIST . 28 de enero de 2016.
  6. ^ Halliday, David ; Resnick, Robert (1974), Fundamentos de física (edición revisada), Nueva York: Wiley, págs. 516–517, ISBN 0471344311
  7. ^ "¿Qué es un julio? - Definición de química". ThoughtCo . Consultado el 7 de abril de 2024 .
  8. ^ 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 11000 parte de la unidad arbitraria de una libra de agua elevada en 1° Fahrenheit y la 14000 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.
  9. ^ Pat Naughtin: Una historia cronológica del sistema métrico moderno, metricationmatters.com, 2009.
  10. ^ Actas del Congreso Eléctrico Internacional. Nueva York: Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos. 1894.
  11. ^ CIPM, 1946, Resolución 2, Definiciones de unidades eléctricas. bipm.org .
  12. ^ 9ª CGPM, Resolución 3: Punto triple del agua; escala termodinámica con un único punto fijo; unidad de cantidad de calor (joule)., bipm.org.
  13. ^ El Sistema Internacional de Unidades (PDF) (9.ª ed.), Oficina Internacional de Pesas y Medidas, diciembre de 2022, ISBN 978-92-822-2272-0
  14. ^ "Redefinición del SI". NIST . 2018-05-11.
  15. ^ "Unidades de calor: BTU, calorías y julios". Caja de herramientas de ingeniería . Consultado el 14 de junio de 2021 .
  16. ^ Ristinen, Robert A.; Kraushaar, Jack J. (2006). Energía y medio ambiente (2.ª ed.). Hoboken, Nueva Jersey: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-73989-8.
  17. ^ "Física – CERN". public.web.cern.ch . Archivado desde el original el 13 de diciembre de 2012.
  18. ^ "Ustedes dicen calorías, nosotros decimos kilojulios: ¿quién tiene razón?". Archivado desde el original el 15 de mayo de 2023. Consultado el 2 de mayo de 2017 .
  19. ^ "Construcción de una serie temporal compuesta de irradiancia solar total (TSI) desde 1978 hasta la actualidad". Archivado desde el original el 2011-08-30 . Consultado el 2005-10-05 .
  20. ^
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  22. ^ "Unidades de energía: explicación de la energía: su guía para comprender la energía: Administración de información energética" www.eia.gov .
  23. ^ 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 .
  24. ^ "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 .
  25. ^ 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 .
  26. ^ Rathbone, John-Paul; Fontanella-Khan, James; Rovnick, Naomi (11 de septiembre de 2017). «Un Irma debilitado provoca más daños en la costa de Florida». Financial Times . Nueva York (Rathbone), Miami (Fontanella-Khan), Londres (Rovnick). ISSN  0307-1766. Archivado desde el original el 4 de agosto de 2024 . Consultado el 11 de septiembre de 2017 .
  27. ^ Perspectivas energéticas mundiales 2022 (informe). Agencia Internacional de la Energía. 2022. pág. 239. Consultado el 7 de septiembre de 2023 .
  28. ^ ab "Volúmenes de los océanos del mundo según ETOPO1". noaa.gov . Administración Nacional Oceánica y Atmosférica. 19 de agosto de 2020 . Consultado el 8 de marzo de 2022 .
  29. ^ La adopción de julios como unidades de energía, Comité Especial de Expertos FAO/OMS en Energía y Proteínas, 1971. Un informe sobre el cambio de calorías a julios en nutrición.
  30. ^ Feynman, Richard (1963). "Physical Units". Feynman's Lectures on Physics . Consultado el 7 de marzo de 2014 .
  31. ^ Marc Herant; Stirling A. Colgate; Willy Benz; Chris Fryer (25 de octubre de 1997). «Neutrinos y supernovas» (PDF) . Los Alamos Sciences . Los Alamos National Laboratory . Archivado desde el original (PDF) el 2009-01-14 . Consultado el 2008-04-23 .
  32. ^ 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. El julio, por ejemplo , puede escribirse formalmente newton metro o kilogramo metro cuadrado por segundo cuadrado. Sin embargo, esto es una libertad algebraica que debe regirse por consideraciones físicas de sentido común; en una situación dada, algunas formas pueden ser más útiles que otras. 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.
  33. ^ Oficina Internacional de Pesas y Medidas (2006), El sistema internacional de unidades (SI) (PDF) (8.ª ed.), págs. 39-40, 53, ISBN 92-822-2213-6, archivado (PDF) del original el 4 de junio de 2021 , consultado el 16 de diciembre de 2021
  34. ^ "¿Qué es un vatio segundo?".

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