Džul
Džul (engl. joule;[1][2][3] simbol: J; takođe njutn metar, vat sekund ili kulon volt) je SI jedinica za energiju i rad.[4] Nazvana je po fizičaru Džejmsu Preskotu Džulu (1818—1889).
| Džul | |
|---|---|
| Sistem | Izvedene jedinice SI sistema |
| Jedinica | Energija |
| Simbol | J |
| Imenovan po | Džejms Preskot Džul |
| Jedinična pretvaranja | |
| 1 J u ... | ... je jednak sa ... |
| Osnovne jedinice SI sistema | kg⋅m2⋅s−2 |
| CGS jedinice | 1×107 erg |
| Vat-sekunde | 1W⋅s |
| kilovat-sati | ≈2,78×10−7 kW⋅h |
| kilokalorije (termohemijske) | 2,390×10−4 kcalth |
| BTU | 9,48×10−4 BTU |
Džul je jednak energiji koja se prenosi na (ili rad) kada na objekat deluje sila od jednog njutna u pravcu kretanja sile na rastojanju od jednog metra (1 njutn-metar ili N⋅m). To je takođe energija koja se rasipa kao toplota kada električna struja od jednog ampera prođe kroz otpor od jednog oma za jednu sekundu. Ime je dobio po engleskom fizičaru Džejmsu Preskotu Džulu (1818–1889).[5][6][7]
Definicija
urediU smislu najpre osnovnih SI jedinica, a zatim u smislu drugih SI jedinica, džul se definiše kao
gde je
| Simbol | Značenje |
|---|---|
| J | joule |
| kg | kilogram |
| m | metar |
| s | sekunda |
| N | njutn |
| Pa | paskal |
| W | vat |
| C | kulon |
| V | volt |
| Ω | om |
| A | amper |
Istorija
urediCgs sistem je proglašen zvaničnim 1881. godine, na prvom Međunarodnom kongresu elektrotehnike. Erg je usvojen kao jedinica za energiju 1882. Vilhelm Simens je u svom inauguracionom govoru kao predsedavajući Britanske asocijacije za unapređenje nauke (23. avgusta 1882) prvi predložio džul kao jedinicu toplote, koja se izvodi iz elektromagnetnih jedinica amper i om, u cgs jedinicama ekvivalentnim sa 107 erg. Naziv jedinice dat u čast Džejmsa Preskota Džula (1818–1889), u to vreme penzionisanog, koji je tada imao 63 godine, po Simensovom predlogu:
- „Takva toplotna jedinica, ako se smatra prihvatljivom, mogla bi se sa velikom ispravnošću, po mom mišljenju, nazvati džul, po čoveku koji je toliko učinio da razvije dinamičku teoriju toplote.“[8]
Na drugom Međunarodnom kongresu elektrotehnike, 31. avgusta 1889, džul je zvanično usvojen uz vat i kvadrant (kasnije preimenovan u henri).[9] Džul je preminuo iste godine, 11. oktobra 1889. Na četvrtom kongresu (1893) definisani su „međunarodni amper“ i „međunarodni om“, uz neznatne promene u specifikacijama za njihovo merenje, pri čemu je „međunarodni džul“ jedinica izvedena iz njih.
Godine 1935. Međunarodna elektrotehnička komisija (kao organizacija naslednica Međunarodnog električnog kongresa) usvojila je „Džordžijev sistem“, koji je na osnovu pretpostavke definisane vrednosti za magnetnu konstantu podrazumevao i redefinisanje džula. Džordžijev sistem je odobrio Međunarodni komitet za tegove i mere 1946. Džul sada više nije bio definisan na osnovu elektromagnetne jedinice, već kao jedinica rada koju obavlja jedna jedinica sile (u to vreme još nije bila nazvana njutn) na udaljenosti od 1 metar. Džul je izričito zamišljen kao jedinica energije koja se koristi u elektromagnetnom i u mehaničkom kontekstu.[10] Ratifikacija definicije na devetoj Generalnoj konferenciji za tegove i mere, 1948. godine, dodala je specifikaciju da džul takođe treba da bude poželjan kao jedinica toplote u kontekstu kalorimetrije, čime se zvanično zastareva upotreba kalorija.[11] Ova definicija je bila direktna preteča džula koji je usvojen u modernom Međunarodnom sistemu jedinica 1960. godine.
Definicija džula kao J=kg⋅m²⋅s−2 ostala je nepromenjena od 1946. godine, ali je džul kao izvedena jedinica nasledio promene u definicijama sekunde (1960. i 1967), metra (1983) i kilograma (2019).
Praktični primeri
urediJedan džul predstavlja (približno):
- Količina električne energije potrebna za 1 W uređaj tokom 1 s.
- Energija potrebna za ubrzanje mase od 1 kg pri 1 m/s2 na rastojanju od 1 m.
- Kinetička energija mase od 2 kg koja putuje brzinom od 1 m/s.
- Energija potrebna da se paradajz srednje veličine podigne na 1 m (3 ft 3 in), pod pretpostavkom da paradajz ima masu od 101,97 g (3,597 oz).
- Toplota potrebna za podizanje temperature 0,239 g vode sa 0 °C na 1 °C, ili sa 32 °F na 33,8 °F.[12]
- Tipična energija koju osoba u mirovanju oslobađa u obliku toplote svakih 1/60 s (17 ms).[note 1]
- Kinetička energija čoveka od 50 kg koji se kreće veoma sporo (0,2 m/s (0,72 km/h)).
- Kinetička energija teniske loptice mase 56 g koja se kreće brzinom od 6 m/s (22 km/h).[13]
- Energija hrane (kcal) u nešto više od polovine kristala šećera (0,102 mg/kristal).
Umnošci
urediJedan džul je rad koji izvrši sila od jednog njutna na putu od jednog metra; tako se sreću i izrazi njutn metar ili njutn-metar, simboli N·m ili N m. Međutim, da bi se izbegla zabuna, njutn metar se najčešće koristi kao mera momenta sile, a ne energije.
Na drugi način predstavljen, jedan džul je rad potreban da se na površini Zemlje podigne masa od oko 102 g (npr. mala jabuka) za jedan metar.
Takođe, jedan džul je rad potreban da se prenese naelektrisanje od jednog kulona kroz električnu potencijalnu razliku od jednog volta.
Jedan džul predstavlja i rad koji izvrši u jednoj sekundi mašina snage jednog vata.
1 džul je:
- ≈ 2,78 × 10−7 kW·h (kilovat čas)
- ≈ 0,239 cal (kalorija)
- ≈ 0,000 948 BTU (Britanska toplotna jedinica)
- ≈ 0,738 ft·lbf (stopa funtna sila)
- = 1 W·s (vat sekund)
- = 1 N·m (njutn metar)
- ≈ 23,7 ft·pdl (stopa funtal)
- = 10.000.000 erg (erg)
Kilodžul
urediKilodžul (skraćeno: kJ) je jedinica za energiju jednaka 1000 džula.
- Jedan kJ je rad koji mašina snage jednog kilovata izvrši za jednu sekundu.
- Jedan kJ je potrebno da se istopi 3 grama leda na 0 °C
- Otprilike jedan kJ rada se izvrši kada se 100 kilograma podigne za jedan metar na Zemljinoj površini (ili ako se jedan kilogram podigne 100 metara).
- Jedan kJ je jednak 5/18 (otprilike 0,2778) vat časova
Megadžul
urediMegadžul (skraćeno: MJ) je jedinica za energiju jednaka 1.000.000 tj. 106 džula.
Konverzije
uredi1 džul je jednak (približno osim ako nije drugačije navedeno):
- 107 erg (tačno)
- 6,24150974×1018 eV
- 0,2390 cal (gram kalorija)
- 2,390×10−4 kcal (dijetarnih kalorija)
- 9,4782×10−4 BTU
- 0,7376 ft⋅lb (stopa-funta)
- 23,7 ft⋅pdl (stopa-funtal)
- 2,7778×10−7 kW⋅h (kilovat-sat)
- 2,7778×10−4 W⋅h (vat-sat)
- 9,8692×10−3 l⋅atm (litra-atmosfera)
- 11,1265×10−15 g (putem ekvivalencije mase i energije)
- 10−44 foe (tačno)
Jedinice definisane tačno u smislu džula uključuju:
Njutn-metar i obrtni momenat
urediU mehanici, koncept sile (u nekom pravcu) ima bliski analog u konceptu obrtnog momenta (oko nekog ugla):
| Linearno | Ugaono |
|---|---|
| Sila | Obrtni momenat |
| Masa | Moment inercije |
| Pomeranje | Ugao |
Rezultat ove sličnosti je da je SI jedinica za obrtni moment njutn-metar, koji algebarski funkcioniše tako da ima iste dimenzije kao džul, ali nisu zamenljive. Generalna konferencija za tegove i mere dala je jedinici energije naziv džul, ali jedinici obrtnog momenta nije dala nikakvo posebno ime, te je to jednostavno njutn-metar (N⋅m) – složeni naziv koji potiče od njenih sastavnih delova.[16] Korišćenje njutn-metara za obrtni moment i džula za energiju pomaže da se izbegnu nesporazumi i pogrešne komunikacije.[16]
Razlika se može videti i u činjenici da je energija skalarna veličina – skalarni proizvod vektora sile i vektora pomeranja. Nasuprot tome, obrtni moment je vektor – vektorski proizvod vektora sile i vektora udaljenosti. Obrtni moment i energija su međusobno povezani jednačinom
gde je E energija, τ je (vektorska veličina) obrtnog momenta, a θ je zahvaćeni ugao (u radijanima). Pošto su ravni uglovi bezdimenzionalni, sledi da obrtni moment i energija imaju iste dimenzije.
Vidi još
urediNapomene
uredi- ^ Ovo se zove bazalni metabolizam. To odgovara oko 5.000 kJ (1.200 kcal) dnevno. Kilokalorija (simbol kcal) je takođe poznata kao dijetarna kalorija.
Reference
uredi- ^ „joule”. A new English dictionary on historical principles. The Clarendon press. januar 1901. str. 606.
- ^ Allen, H. S. (septembar 1943). „Nature 152, 354 (1943)”. Nature. 152 (3856): 354. S2CID 4182911. doi:10.1038/152354a0
.
- ^ Wells, John (2008). Longman Pronunciation Dictionary (3rd izd.). Pearson Longman. ISBN 978-1-4058-8118-0.
- ^ International Bureau of Weights and Measures (2006), The International System of Units (SI) (PDF) (8th izd.), str. 120, ISBN 92-822-2213-6
- ^ American Heritage Dictionary of the English Language, Online Edition (2009). Houghton Mifflin Co., hosted by Yahoo! Education.
- ^ The American Heritage Dictionary, Second College Edition (1985). Boston: Houghton Mifflin Co., p. 691.
- ^ McGraw-Hill Dictionary of Physics, Fifth Edition (1997). McGraw-Hill, Inc., p. 224.
- ^ "The unit of heat has hitherto been taken variously as the heat required to raise a pound of water at the freezing-point through 1° Fahrenheit or Centigrade, or, again, the heat necessary to raise a kilogramme of water 1° Centigrade. The inconvenience of a unit so entirely arbitrary is sufficiently apparent to justify the introduction of one based on the electro-magnetic system, viz. the heat generated in one second by the current of an Ampère flowing through the resistance of an Ohm. In absolute measure its value is 107 C.G.S. units, and, assuming Joule's equivalent as 42,000,000, it is the heat necessary to raise 0.238 grammes of water 1° Centigrade, or, approximately, the 1⁄1000th part of the arbitrary unit of a pound of water raised 1° Fahrenheit and the 1⁄4000th of the kilogramme of water raised 1° Centigrade. Such a heat unit, if found acceptable, might with great propriety, I think, be called the Joule, after the man who has done so much to develop the dynamical theory of heat."Carl Wilhelm Siemens, Report of the Fifty-Second Meeting of the British Association for the Advancement of Science. S. 6 f.
- ^ Pat Naughtin: A chronological history of the modern metric system. Arhivirano na sajtu Wayback Machine (18. februar 2011), metricationmatters.com, 2009.
- ^ CIPM, 1946, Resolution 2, Definitions of electric units. bipm.org.
- ^ 9th CGPM, Resolution 3: Triple point of water; thermodynamic scale with a single fixed point; unit of quantity of heat (joule)., bipm.org.
- ^ „Units of Heat – BTU, Calorie and Joule”. Engineering Toolbox. Pristupljeno 2021-06-14.
- ^ Ristinen, Robert A.; Kraushaar, Jack J. (2006). Energy and the Environment
(2nd izd.). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-73989-8.
- ^ The adoption of joules as units of energy, FAO/WHO Ad Hoc Committee of Experts on Energy and Protein, 1971. A report on the changeover from calories to joules in nutrition.
- ^ Feynman, Richard (1963). „Physical Units”. Feynman's Lectures on Physics. Pristupljeno 2014-03-07.
- ^ a b „Units with special names and symbols; units that incorporate special names and symbols”. International Bureau of Weights and Measures. Arhivirano iz originala 28. 6. 2009. g. Pristupljeno 18. 3. 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.”
Literatura
uredi- E Richard Cohen; Tom Cvitas; Jeremy G Frey; Bertil Holstrom; John W Jost, ur. (2007). Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry (PDF). International Union of Pure and Applied Chemistry (3. izd.). Royal Society of Chemistry; 3rd edition. ISBN 0854044337.
- International Union of Pure and Applied Chemistry (1993). Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry, 2nd edition, Oxford: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8. Electronic version.
