Dżul jako jednostka pracy i energii
Energia jest skalarną wielkością fizyczną umożliwiającą opis procesów oraz oddziaływań zachodzących w danym układzie fizycznym. Zgodnie z zasadą zachowania energii suma wszystkich rodzajów energii wszystkich cząsteczek danego ciała – energia wewnętrzna (U) – jest stała w czasie; nie może zostać utworzona na nowo ani zostać zniszczona, możliwa jest tylko przemiana jednych form energii w inne.Zgodnie z założeniami I zasady termodynamiki zmiana energii wewnętrznej danego ciała jest równa sumie pracy wykonanej nad tym ciałem przez siłę zewnętrzną oraz ciepła wymienionego przez ciało z otoczeniem:
Jednostką pracy i energii w układzie SI jest dżul (J), nazwany na cześć angielskiego fizyka Jamesa Prescotta Joule'a (1818–1889). 1 dżul (J) równy jest pracy wykonanej nad układem fizycznym przez siłę o wartości 1 niutona (N) w kierunku równoległym do kierunku jej działania, na drodze o długości 1 metra (m):
Energia kinetyczna przemieszczającego się samochodu, fot. shutterstock
- pracy wykonanej przeciwko polu elektrycznemu podczas przenoszenia ładunku elektrycznego o wartości 1 kulomba (C) między punktami o różnicy potencjału elektrycznego wynoszącej 1 wolt (V) zgodnie z poniższą zależnością:
- pracy wymaganej do produkcji mocy o wartości 1 wata (W) w czasie 1 sekundy (s) zgodnie z poniższym wzorem:
James Prescott Joule, źródło: Wikimedia.org
Dżul jako jednostka ciepła
Ciepło jest jednym ze sposobów przekazywania energii pomiędzy układami fizycznymi, pozostającymi ze sobą we wzajemnym kontakcie (układ termodynamiczny). Proces wymiany energii, określany jako wymiana ciepła, polega na przekazywaniu pomiędzy tymi układami energii chaotycznego ruchu ich cząstek (atomów, jonów, cząsteczek).Ciepło (Q) jest wielkością fizyczną określającą ilość energii wewnętrznej przekazywanej pomiędzy układami o różnych temperaturach (nie będących w równowadze termicznej), czego efektem (z wyjątkiem przemian fazowych) jest zmiana ich temperatury (ogrzewanie, schładzanie). Jednostką ciepła w układzie SI jest jednostka energii, czyli dżul (J).
Zgodnie z prawem Joule’a-Lenza ciepło o wartości 1 dżula (J) wydzielane jest podczas przepływu prądu elektrycznego o wartości 1 ampera (A) przez przewodnik elektryczny o oporze elektrycznym o wartości 1 oma (Ω) w czasie 1 sekundy (s). Zależność ta wyraża się wzorem:
Wymiana ciepła, fot. shutterstock
Powiązania dżula z innymi jednostkami
Dżul jest powiązany z innymi jednostkami energii, pracy oraz ciepła spoza układu SI, takimi jak:- elektronowolt (eV) – pozaukładowa jednostka energii, 1 elektronowolt równy jest energii uzyskanej bądź utraconej przez elektron przemieszczający się w polu elektrycznym o różnicy potencjałów wynoszącej 1 wolt (V):
1 J = 6,243 · 10¹⁸ eV
- kaloria (cal), kaloria międzynarodowa (calint) – pozaukładowa jednostka ciepła; ilość ciepła potrzebna do ogrzania 1 g wody o 1°C pod ciśnieniem 1 atmosfery:
1 cal = 4,1868 J, zatem: 1 J = 0,238846 cal
- erg (erg) – jednostka pracy i energii, jednostka pochodna w układzie miar CGS (Centymetr Gram Sekunda); praca, jaką wykonuje siła o wartości 1 dyny podczas przesuwania ciała o 1 cm, zgodnie z kierunkiem swego działania:
1 J = 10⁷ erg
- kilogramometr (kgfm) – jednostka pracy, energii i momentu siły w układach MKS (Metr Kilogram Sekunda) oraz MKSA (Metr Kilogram Sekunda Amper); definiowana jako iloczyn kilograma siły (kgf) i metra (m):
J = 0,10197 kgfm
- kilowatogodzina (kWh) – jednostka pracy, energii i ciepła, wielokrotność jednostki układu SI (dżula definiowanego jako watosekunda: J = W · s); ilość energii zużywanej przez urządzenie o mocy 1 kilowata (kW) w czasie 1 godziny (h):
1 kWh = 1000 W · 3600 s = 3600000 W · s = 3600000 J
1 J = 1/3600000 kWh ≈ 2,7778 · 10⁻⁷ kWh
- stopa·funt-siła (ft ⋅ lbf) – anglosaska jednostka pracy i energii, definiowana jako energia wykonana przez siłę o wartości 1 funta-siły (lbf) podczas przemieszczania ciała na drodze długości 1 stopy (ft):
1 J ≈ 0,738 ft · lbf
- foe (ang. ten to the power of fifty-one ergs – 10 do potęgi 51 ergów) – jednostka energii wykorzystywana do pomiaru ilości energii wyzwalanej podczas wybuchu supernowych:
1 foe = 10⁴⁴ J = 10⁵¹ erg
- gram (g) – zgodnie z koncepcją równoważności masy i energii zakładającej, iż masa obiektu lub układu fizycznego jest miarą zawartej w nim energii:
1 J = 11,1265 · 10⁻¹⁵ g
Energia 1 dżula umożliwia świecenie diody LED o mocy 1 wata przez sekundę, fot. shutterstock
Bibliografia
- Maria Fiałkowska, Krzysztof Fiałkowski, Barbara Sagnowska; “Fizyka”; Wydawnictwo ZamKor, Kraków 2002.;
- Jonathan Law, Richard Rennie; “Oxford Dictionary of Physics”; Oxford University Press, Oxford 2015.;
- Paul A. Tipler, Gene P. Mosca; “Physics for Scientists and Engineers. Vol. 1 – Mechanics, Oscillations and Waves, Thermodynamics ”; Macmillan Education 2007. ;
- David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker.; “Podstawy fizyki T. 1”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2015;
- Ryszard Cach, Antoni Ciszewski, Jan Kołaczkiewicz; “Słownik Fizyka”; Europa, Poznań 2017.;
- promil
