Joule (unitatea)

Fisikan, joule izenekoa nazioarteko SI sistemako unitate eratorri bat da, energia, lana eta beroa neurtzeko erabiltzen dena. Pertsona baten ohorez izendatutako SI sistemako beste unitateak bezala, joulearen sinboloa letra larriz idazte da (${\text{J}}$), baina izen modura osorik idaztean, izen arrunta , letra xehez idazten da ―joule―, esaldiaren hasieran izan ezik, orduan letra larriz idazten baita..

Joule (unitatea)
Neurtzen du	energia, lana eta beroa
SI sistemarako konbertsioa	1 J
Honen izena darama	James Prescott Joule
Ikurra	J, Дж, Ҷ eta J

James Prescott Joule (1818-1888)

Izen hori James Prescott Joule (1818-1888) fisikari ingelesaren ohorez jarri zitzaion, bera izan baitzen erresistentzia elektriko bat zeharkatzen duen korronte elektrikoaren eta bitartean bertan sortzen den beroaren arteko erlazioa lortu zuena, gaur egun Jouleren legea edo Joule efektua deritzona.

Praktikan, joule bat energia-kantitate oso txikia denez eremu batzuetan erabiltzen diren kantitateekin alderatuta, kilojoule (${\text{kJ}}$) multiploa erabiltzen da askotan; halaber, kaloria (${\text{cal}}$) eta kilokaloria (${\text{kcal}}$) unitateak erabiltzen dira elikaduran eta nutrizio-balioa duten tauletan, eta kilowatt-ordua energia elektrikoa edo termikoa neurtzeko.

Joule unitatearen historia

Hemeretzigarren mendearen azken partean, 1881ean, cgs unitate-sistema ofizialtzat jo zen, Nazioarteko lehenengo Biltzar Elektrikoan. Handik urtebetera, 1882n, sistema horren energia-unitate gisa erg izenekoa onartu zen. Bestalde, Wilhelm Siemens-ek, Zientziaren Aurrerapenerako Britainia Handiko Elkartearen inaugurazio-hitzaldian, ―1882ko abuztuaren 23an―  beste unitate bat proposatu zuen lehen aldiz bero-unitate gisa, ampere eta ohm unitate elektromagnetikoetatik eratorritakoa, $10^{7}$ erg-en baliokidea zena. James Prescott Jouleren omenez izendatu zuten unitatea, erretiroa hartu zuenean baina oraindik bizi zenean (63 urte). Siemens-i zor zaio izen hori:

«Bero-unitate horri, egokitzat hartzen bada, uste dut oso egokia izan daitekeela Joule-ren izenaz deitzea, beroaren teoria dinamikoa garatzeko hainbeste egin duen gizakia baita.»

Nazioarteko Bigarren Biltzar Elektrikoan, 1889ko abuztuaren 31n, joulea ofizialki hartu zuten watt unitatearekin batera. Joule urte berean hil zen, 1889ko urriaren 11n. Laugarren Biltzarrean (1893), "nazioarteko amperea" eta "ohm internazionala" definitu ziren, eta horiek neurtzeko zehaztapenetan aldaketa txiki batzuk egin ziren. Eta "nazioarteko joulea" izan zen haietatik eratorritako unitatea.

Hogeigarren mendean 1935ean, Nazioarteko Batzorde Elektroteknikoak ―Nazioarteko Biltzar Elektrikoaren ondorengo erakundea― Giorgi sistema onartu zuen. Sistema horrek, konstante magnetikorako balio jakin bat bereganatuz, joule unitatea birdefinitu zuen. Giorgi sistema Pisu eta Neurrien Nazioarteko Batzordeak onartu zuen 1946an. Baina ordurako, joulea ez zegoen zehaztuta unitate elektromagnetikoaren arabera, baizik eta 1 metroko distantzian zehar indar-unitate batek (une horretan newton izendatu gabe zegoen) egindako lan-unitate gisa.

Joulearen definizioa ―${\text{1 J = 1 kg m}}^{2}{\text{s}}^{-2}$―aldatu gabe egon da 1946az geroztik. Baina , unitate eratorria izanik, jouleak zenbait aldaketa jaso ditu segundoaren definizioan (1960an eta 1967an), metroarenean (1983an) eta kilogramoarenean (2019an).

Zergatik aukeratu zen Joule-ren izena energia-unitatea izendatzeko?

Arrazoi nagusia izan zen berak aurkitu eta formulatu zuela energia mekanikoaren eta beroaren arteko baliokidetza. Hasteko, Joulek honako hau idatzi zuen 1943ko artikulu batean:

«Makina elektromagnetiko bat birarazteko erabiltzen den potentzia mekanikoa bero bihurtzen da, indukzio-korronteak bobinetan zehar pasatzean sortzen dena; eta, bestalde, motorraren indar eragilea bateriaren erreakzio kimikoaren beroaren kontura lortzen da, hari esker funtzionatzen baitu. »

Joule-k 1845ean erabilitako muntaia esperimentalaren eskema.

Geroago,1845ean, Joulek On the mechanical equivalent of heat artikulua irakurri zuen British Association-ek Cambridge-n egindako bilera batean. Artikulu hartan, bere lan esperimental ezagunena azaldu zuen, soka batetik zintzilikatutako masa baten energia potentziala erabiltzean urez betetako zilindro batean murgilduta zegoen paletadun gurpil bat birarazteko, eta prozesu horretan zilindro horren tenperatura-igoera neurtuz. Horrela, beroaren baliokidea 819 oin-libra/BTU da (alegia, gaur egungo unitatetan emanez, 4,41 J/cal).

Geroago,1850ean, 772,692 oin-libra/BTUko (4,159 J/cal) neurri finagoa argitaratu zuen, gaur egungo baliotik hurbilago. Gaurko ikuspegitik, lasai esan dezakegu Joulek ondo merezia izan zuela unitatearen izendapenaren ohorea.

Definizioa

Honelaxe definitzen da joule bat zer den: «newton bateko indarrak bere norabidean objektu bat metro batez higiaraztean egiten duen lana». Definizioaren arabera, honako hau da unitate eratorri honek SI sistemako bestelako unitateen funtzioan duen konposizioa:

$${\text{1 J}}={\text{1 N m}}={\text{1 kg m}}^{2}{\text{s}}^{-2}.$$

Beraz, honelaxe adierazten da nazioarteko SI sistemako oinarrizko unitateetan: kilogramo bider metro karratua bider segundo ber minus bi. Zer esanik ez, emaitza berbera lortzen da energia zinetikoaren formulatik, $E_{\text{k}}={\frac {1}{2}}mv^{2}$ formula formula horretan $E_{\text{k}}$ energia jouletan, $m$ masa kilogramotan (${\text{kg}}$) eta $v$ abiadura metro segundoko unitatetan (${\text{m/s}}$) adieraziz:

$$[E_{\text{k}}]=\left[{\frac {1}{2}}mv^{2}\right]\longrightarrow {\text{1 J}}={\text{1 kg m}}^{2}{\text{s}}^{-2}.$$

Hala ere, bitxitasun modura esan dezakegu «newton metro» denominazioa ez dela jouleren kasuan erabiltzen, baizik eta indar-momentua deritzon magnitudea adierazteko gordetzen dela, izenen arteko nahastea saihesteko. Izan ere, indar momentuaren azterketa dimentsionala egitean,

$$[{\boldsymbol {M}}]=[{\boldsymbol {r}}\times {\boldsymbol {F}}]\longrightarrow {\text{1 m N}}={\text{1 N m}}=({\text{1 m }})({\text{1 kg m s}}^{-2})={\text{1 kg m}}^{2}{\text{s}}^{-2},$$

ikus daitekeenez, magnitude eratorri honek oinarrizko osagai berberak ditu, nahiz esanahi erabat desberdina izan.

Joule unitatea SI sistemako beste unitatetan adierazirik

Joulea unitate eratorria denez, SI sistemako beste unitate batzuen bidez ere defini daiteke. Ondoko taulan, SI sistemako beste unitate batzuen sinboloa eta izena ageri dira, ondoren joulea horiez bidez adierateko. Unitate horietako lehenengo laurak sistemako oinarrizko unitateak dira; gainerakoak eratorriak

Joulea definitzeko baliagarriak diren SI sistemako unitateak

Sinboloa	${\text{J}}$	${\text{kg}}$	${\text{m}}$	${\text{s}}$	${\text{N}}$	${\text{Pa}}$	${\text{W}}$	${\text{C}}$	${\text{V}}$	$\Omega$	${\text{A}}$
Izena	joule	kilogramo	metro	segundo	newton	pascal	watt	coulomb	volt	ohm	ampere

Horien bitartez, honelaxe defini daiteke joulea:

$${\text{J}}={\frac {{\text{kg}}{\cdot }{\text{m}}^{2}}{{\text{s}}^{2}}}={\text{N}}{\cdot }{\text{m}}={\text{Pa}}{\cdot }{\text{m}}^{3}={\text{W}}{\cdot }{\text{s}}={\text{C}}{\cdot }{\text{V}}={\text{Ω}}{\cdot }{\text{A}}^{2}{\cdot }{\text{s}}$$

Ohiko beste definizio batzuk

Energia kontzeptua arlo zientifiko askotan erabiltzen denez, joule unitatearen beste definizio praktiko batzuk ere ematen dira.

• Esate baterako, joule bat da zirkuitu elektriko batetik ampere bateko korronte elektrikoa ohm bateko balioko erresistentziatik zirkulatzeko gastatu beharreko energia; bestela esanda, Joule efektuaren kausa erresistentzian sorturiko beroa:

$$\left[Q=RI^{2}t\right]\longrightarrow {\text{1 J}}={\text{1 }}\Omega {\text{ A}}^{2}{\text{s}}={\text{1 kg m}}^{2}{\text{s}}^{-2}.$$

• Halaber, potentzia mekanikoa denbora-unitateko lana dela kontuan izanik, honelaxe ere defini daiteke joule bat zer den: segundo batez watt bateko potentzia ekoizteko behar den lana.

$$P={\frac {W}{t}}\longrightarrow \left[W=Pt\right]\longrightarrow {\text{1 J}}=({\text{1 W)·(1 s)}}={\text{1 kg m}}^{2}{\text{s}}^{-2}.$$

Bestelako energia-unitateen balioak jouletan emanak

:Praktikan erabiltzen diren bestelako energia-, lan- eta bero unitateak balio hauek dituzte jouletan adieraziak izatean:

• kaloria (sinboloa, ${\text{cal}}$): ${\text{1 cal = 4,1855 J}}.$
• kilowatt-ordu (sinboloa, ${\text{kWh}}$) : kilowatt-ordu bat da kilowatt bateko potentziaz ordu batean hornitzen den energia elektrikoa; beraz, ${\text{1 kWh = 3 600 000 J}}.$
• watt segundo (sinboloa, ${\text{Ws}}$): 1 Ws = 1 joule${\text{1 Ws = 1 J}}$.
• therm (sinboloa, ${\text{th}}$): ${\text{1 th}}={\text{4 185 500 J = 1 000 000 cal}}.$
• British thermal unit (BTU o edo Btu): ${\text{1 BTU = 1055 J}}$.

• Bestalde, joule batek balio zehatz hau du cgs sistemako unitatetan: ${\text{1 J}}=10^{7}{\text{ erg}}$

• Eta joule batek gutxi gorabeherako balio hau du electronvolt unitatetan (sinboloa, ${\text{eV}}$): ${\text{1 J}}={\text{6,241 506 363 09}}\times 10^{18}{\text{ eV}}.$

Joulearen magnitude-ordena eta eguneroko bizitzako adibide praktikoak

Joulea energia-unitate oso txikia da eguneroko bizitzarako. Kasurako, joule batek adibide praktiko hauetako energien baliokidea da, gutxi gorabehera:

• ${\text{1 m/s}}$-ra doan ${\text{2 kg}}$-ko masa duen objektu baten energia zinetikoa.
• ${\text{100 g}}$ inguruko masako objektu bat ${\text{1 m}}$-ko altuerara jasotzeko energia.
• ${\text{1 kg}}$-ko masari ${\text{1 m}}$ ko distantzian zehar ${\text{1 m s}}^{-2}$-ko azelerazioa emateko energia.
• Uraren ${\text{1 g}}$-ren tenperatura ${\text{0,24 }}^{\circ }{\text{C}}$-an igoarazteko behar den beroa.
• Geldi dagoen pertsona batek ${\text{1/60 s}}$ (${\text{17 ms}}$ inguru) bakoitzean bero gisa askatzen duen energia.
• ${\text{6 m/s}}$-ko (${\text{22 km/h}}$) abiaduraz higitzen ari den ${\text{56 g}}$-ko tenis-pilota baten energia zinetikoa.
• LED bonbila bat segundo bakoitzeko piztuta edukitzeko behar den energia elektrikoa

Joule bat beste unitate batzuetan emanez honako neurrien baliokidea da:

• ${\text{1 N m}}$ (irakurtzean, newton-metro edo newton bider metro).
• ${\text{1 W s}}$ (watt-segundo edo watt bider segundo)
• $6,2415\times 10^{18}{\text{ eV}}$ (elektronvolt)
• ${\text{1 C V}}$ (coulomb-volt edo coulomb bider volt)
• ${\text{0,00987 atm L}}$ (atmosfera-litro edo atmosfera bider litro)
• ${\text{1 Pa m}}^{3}$ (pascal-metro kubiko edo pascal bider metro kubiko)
• ${\text{0,238902957 cal}}$ (kaloria)

Bestetik, honenbeste joule xahutzen dira ekimen arrunt hauetan:

• Kirolari baten ostikada batek ${\text{200 J}}$ inguruko energia izan dezake.
• 8 orduz piztuta dagoen ${\text{20 W}}$-eko bonbilla batek ${\text{600 000 J}}$ inguru gastatzen ditu.
• Eta kontuan izanik ${\text{1 kWh = 3,6 MJ}}$ dela, esan dezakegu ezen familia ertain baten hilabeteko batezbesteko kontsumo elektrikoa ${\text{1 000 000 000 J}}$-koa (${\text{278 kWh}}$ inguru) dela.

Multiploak eta azpimultiploak

Hauexek dira nazioarteko SI sisteman joule unitateak dituen multiplo eta azpimultiploak:

Joule (${\text{J}}$) unitatearen multiplo eta azpimultiploak SI sisteman

Azpimultiploak				Multiploak
Balioa	Sinboloa	Izena		Balioa	Sinboloa	Izena
$10^{-1}{\text{ J}}$	${\text{dJ}}$	dezijoule		$10^{1}{\text{ J}}$	${\text{daJ}}$	dekajoule
$10^{-2}{\text{ J}}$	${\text{cJ}}$	zentijoule		$10^{2}{\text{ J}}$	${\text{hJ}}$	hektojoule
$10^{-3}{\text{ J}}$	${\text{mJ}}$	milijoule		$10^{3}{\text{ J}}$	${\text{kJ}}$	kilojoule
$10^{-6}{\text{ J}}$	$\mu {\text{J}}$	mikrojoule		$10^{6}{\text{ J}}$	${\text{MJ}}$	megajoule
$10^{-9}{\text{ J}}$	${\text{nJ}}$	nanojoule		$10^{9}{\text{ J}}$	${\text{GJ}}$	gigajoule
$10^{-12}{\text{ J}}$	${\text{pJ}}$	pikojoule		$10^{12}{\text{ J}}$	${\text{TJ}}$	terajoule
$10^{-15}{\text{ J}}$	${\text{fJ}}$	femtojoule		$10^{15}{\text{ J}}$	${\text{PJ}}$	petajoule
$10^{-18}{\text{ J}}$	${\text{aJ}}$	atojoule		$10^{18}{\text{ J}}$	${\text{EJ}}$	exajoule
$10^{-21}{\text{ J}}$	${\text{zJ}}$	zeptojoule		$10^{21}{\text{ J}}$	${\text{ZJ}}$	zettajoule
$10^{-24}{\text{ J}}$	${\text{yJ}}$	joktojoule		$10^{24}{\text{ J}}$	${\text{YJ}}$	yotajoule
Letrakera lodiz, gehien erabiltzen direnak.

Bibliografia

• Fishbane, Paul (2008) Fisika zientzialari eta ingeniarientzat. 1. bolumena, (1.etik-21.era Gaiak) Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea ISBN9788490820308 PMC932800438.
• Etxebarria Bilbao, Jose Ramon (arg.) Fisika orokorra (2. argitalpena) UEU, Bilbo (2003) ISBN 9788484380450.
• Marcelo Alonso, Edward J. Finn (1976). Física. Fondo Educativo Interamericano. ISBN 9686630031.

Ikus, gainera

• joule moleko
• kaloria
• Pisuen eta Neurrien Nazioarteko Bulegoa
• IUPAC, Kimika Puru eta Aplikatuko Nazioarteko Batasuna

Kanpo-estekak

• kilowatt-ordu (frantsesez)
• Energia-magnitudeen ordenak. https://fr.wikipedia.org/wiki/Ordres_de_grandeur_d%27%C3%A9nergie (frantsesez)
• Unitateen arteko baliokidetzak. https://fr.wikipedia.org/wiki/Conversion_des_unit%C3%A9s (frantsesez)

• Datuak: Q25269
• Multimedia: Joule (unit)