Joule

Le joule ( / ˈ dʒ uː l / JOOL , également / ˈ dʒ aʊ l / JOWL ; ^{[1] [2] [3]} symbole : J ) est une unité dérivée d’ énergie dans le Système international d’unités . ^[4] Elle est égale à la quantité de travail effectuée lorsqu’une force de 1 newton déplace une masse sur une distance de 1 mètre dans la direction de la force appliquée. C’est aussi l’énergie dissipée sous forme de chaleur lorsqu’uncourant électrique d’un ampère traverse une résistance d’un ohm pendant une seconde. Il porte le nom du physicien anglais James Prescott Joule (1818-1889). ^{[5] [6] [7]}

Joule
Système d’unité	Unité dérivée SI
Unité de	Énergie
Symbole	J
Nommé après	James Prescott Joule
Conversions
1 J en …	… est égal à …
Unités de base SI	kg ⋅ m 2 ⋅ s −2
Unités CGS	1 × 10 7 erg
watt-secondes	1 W ⋅ s
kilowattheures	≈2,78 × 10 −7 KW⋅h
kilocalories ( thermochimiques )	2,390 × 10 −4 kcal th
BTU	9,48 × 10 −4 BTU
électronvolts	≈6,24 × 10 18 eV

Définition

En termes d’abord d’ unités SI de base , puis en termes d’autres unités SI, un joule est défini comme

J = k g ⋅ m 2 s 2 = N ⋅ m = P a ⋅ m 3 = W ⋅ s = C ⋅ V {displaystyle {begin{alignedat}{3}mathrm {J} ;&=~mathrm {frac {kgcdot m^{2}}{s^{2}}} \[0.7ex ]&=~mathrm {Ncdot m} \[0.7ex]&=~mathrm {Pacdot m^{3}} \[0.7ex]&=~mathrm {Wcdot s} \[0.7ex]&=~mathrm {Ccdot V} \[0.7ex]end{alignedat}}}

Symbole Sens J joule kg kilogramme m mètre s seconde N newton Pennsylvanie pascal O watt C coulomb V volt

Un joule peut également être défini par l’un des éléments suivants :

• Le travail nécessaire pour déplacer une charge électrique d’un coulomb à travers une différence de potentiel électrique d’un volt, ou un coulomb-volt (C⋅V). Cette relation peut être utilisée pour définir le volt.
• Le travail nécessaire pour produire un watt de puissance pendant une seconde, ou un watt-seconde (W⋅s) (comparer kilowatt-heure – 3,6 mégajoules). Cette relation peut être utilisée pour définir le watt.

Le joule porte le nom de James Prescott Joule . Comme pour chaque unité SI nommée pour une personne, son symbole commence par une lettre majuscule (J), mais lorsqu’il est écrit en entier, il suit les règles de capitalisation d’un nom commun ; c’est-à-dire que ” joule ” prend une majuscule au début d’une phrase et dans les titres, mais est autrement en minuscules.

Histoire

Le système cgs avait été déclaré officiel en 1881, lors du premier congrès électrique international . L’ erg a été adopté comme unité d’énergie en 1882. Wilhelm Siemens , dans son discours d’investiture en tant que président de la British Association for the Advancement of Science (23 août 1882) a d’abord proposé le Joule comme unité de chaleur , à dériver de l’électromagnétique unités Ampère et Ohm , en unités cgs équivalentes à10 ⁷ erg . La dénomination de l’unité en l’honneur de James Prescott Joule (1818-1889), alors retraité mais toujours vivant (63 ans), est due à Siemens :

“Une telle unité de chaleur, si elle est jugée acceptable, pourrait avec une grande justesse, je pense, être appelée le Joule, d’après l’homme qui a tant fait pour développer la théorie dynamique de la chaleur.” ^[8]

Lors du deuxième congrès électrique international, le 31 août 1889, le joule est officiellement adopté aux côtés du watt et du quadrant (plus tard rebaptisé henry ). ^[9] Joule mourut la même année, le 11 octobre 1889. Au quatrième congrès (1893), “l’Ampère international” et “l’Ohm international” furent définis, avec de légères modifications dans les spécifications de leur mesure, avec le “international Joule” étant l’unité qui en est dérivée.

En 1935, la Commission électrotechnique internationale (en tant qu’organisation successeur du Congrès électrique international) a adopté le ” système Giorgi “, qui, en vertu de l’hypothèse d’une valeur définie pour la constante magnétique, impliquait également une redéfinition du Joule. Le système Giorgi a été approuvé par le Comité international des poids et mesures en 1946. Le joule n’était plus défini sur la base de l’unité électromagnétique, mais plutôt comme l’unité de travail effectuée par une unité de force (à l’époque pas encore nommée newton ) sur la distance de 1 mètre. Le joule a été explicitement conçu comme l’unité d’énergie à utiliser dans des contextes électromagnétiques et mécaniques. ^[10] La ratification de la définition lors de la neuvième Conférence générale des poids et mesures , en 1948, a ajouté la précision que le joule devait également être préféré comme unité de chaleur dans le contexte de la calorimétrie , dépréciant ainsi officiellement l’utilisation du calorique . ^[11] Cette définition était le précurseur direct du joule tel qu’adopté dans le Système international d’unités moderne en 1960.

La définition du joule comme J=kg⋅m ² ⋅s ⁻² est restée inchangée depuis 1946, mais le joule comme unité dérivée a hérité des changements dans les définitions de la seconde (en 1960 et 1967), le mètre (en 1983 ) et le kilogramme ( en 2019 ).

Exemples pratiques

Un joule représente (environ) :

• La quantité d’électricité nécessaire pour faire fonctionner unAppareil 1 W pour1 s .
• L’énergie nécessaire pour accélérer un1 kg de masse à1 m/s ² sur une distance de1m . _
• L’ énergie cinétique d’un Masse de 2 kg se déplaçant à1 m/s , ou unMasse de 1 kg voyageant à1,41 m/s .
• L’énergie nécessaire pour soulever une tomate de taille moyenne jusqu’à 1 mètre (3 pieds 3 pouces), en supposant que la tomate a une masse de 101,97 grammes (3,597 oz).
• La chaleur nécessaire pour élever la température de 0,239 g d’eau de 0 °C à 1 °C, ou de 32 °F à 33,8 °F. ^[12]
• L’énergie typique dégagée sous forme de chaleur par une personne au repos toutes les 1/60 s (17 ms ). ^{[note 1]}
• L’ énergie cinétique d’unHumain de 50 kg se déplaçant très lentement (0,2 m/s soit 0,72 km/h).
• L’énergie cinétique d’unBalle de tennis de 56 g se déplaçant à 6 m/s (22 km/h). ^[13]
• L’énergie alimentaire (kcal) dans un peu plus de la moitié d’un cristal de sucre (0,102 mg /cristal).

Multiples

SI multiples de joule (J) Sous-multiples Multiples Valeur Symbole SI Nom Valeur Symbole SI Nom 10 −1 J DJ décijoule 10 1 J jour J décajoule 10 −2 J cJ centijoule 10 2 J hJ hectojoule 10 −3 J mJ millijoule 10 3 J kJ kilojoule 10 −6 J μJ microjoules 10 6 J MJ Mégajoule 10 −9 J New Jersey nanojoule 10 9 J GJ gigajoule 10 −12 J p j picojoule 10 12 J TJ Térajoule 10 −15 J fJ femtojoule 10 15 J P J pétajoule 10 −18 J un J attojoule 10 18 J JE exajoule 10 −21 J zJ zeptojoule 10 21 J ZJ zettajoule 10 −24 J yJ yoctojoule 10 24 J YJ yottajoule Les multiples communs sont en gras

Yoctojoules Le yoctojoule (yJ) est égal à 10 ^-24 joules . Zeptojoule Le zeptojoule (zJ) est égal à un sextillionième ( 10 ^-21 ) d’un joule. 160 zJ correspond à environ un électronvolt . L’énergie minimale nécessaire pour changer un peu à température ambiante – environ 2,75 zJ – est donnée par la Limite de Landauer . Attojoulé L’attojoule (aJ) est égal à 10 ^-18 joules . Femtojoule Le femtojoule (fJ) est égal à 10 ^-15 joules . Picojoule Le picojoule (pJ) est égal à un billionième ( 10 ^-12 ) d’un joule. nanojoules Le nanojoule (nJ) est égal à un milliardième ( 10 ^-9 ) d’un joule. 160 nanojoules correspondent à peu près à l’ énergie cinétique d’un moustique volant. ^[14] microjoules Le microjoule (μJ) est égal à un millionième ( 10 ^-6 ) d’un joule. Le Large Hadron Collider (LHC) produit des collisions de l’ordre du microjoule (7 TeV) par particule. millijoule Le millijoule (mJ) est égal à un millième ( 10 ^-3 ) d’un joule. Kilojoule Le kilojoule (kJ) est égal à mille ( 10 ³ ) joule. Les étiquettes nutritionnelles des aliments dans la plupart des pays expriment l’énergie en kilojoules (kJ). ^[15] Un mètre carré de la Terre reçoit environ 1,4 kilojoules de rayonnement solaire par seconde en plein jour. ^[16] Un humain dans un sprint a environ 3 kJ d’énergie cinétique, ^[17] tandis qu’un guépard dans un sprint de 70 mph a environ 20 kJ. ^[18] Mégajoule Le Mégajoule (MJ) est égal à un million ( 10 ⁶ ) joules, ou approximativement l’énergie cinétique d’un véhicule d’un mégagramme (tonne) se déplaçant à 161 km/h (100 mph). L’énergie nécessaire pour chauffer 10 L d’eau liquide à pression constante de 0 °C (32 °F) à 100 °C (212 °F) correspondent à environ 4,2 MJ . Un kilowattheure d’électricité est 3,6 mégajoules . gigajoule Le gigajoule (GJ) est égal à un milliard ( 10 ⁹ ) joules. 6 GJ correspond à peu près à l’ énergie chimique de la combustion d’un baril (159 l) de pétrole . ^[19] 2 GJ est à peu près l’ unité d’énergie de Planck . Térajoule Le Térajoule (TJ) est égal à mille milliards ( 10 ¹² ) joule ; ou environ 0,278 GWh (ce qui est souvent utilisé dans les tableaux d’énergie). Sur 63 TJ d’énergie ont été libérés par Little Boy . ^[20] La Station Spatiale Internationale , d’une masse d’environ 450 Mégagrammes et une vitesse orbitale de 7700 m/s , ^[21] a une énergie cinétique d’environ 13 TJ . En 2017, on a estimé que l’ ouragan Irma avait un pic d’énergie éolienne de 112 TJ . ^{[22] [23]} pétajoule Le pétajoule (PJ) est égal à un quadrillion ( 10 ¹⁵ ) joule. 210 PJ est d’environ 50 Mégatonnes de TNT, soit la quantité d’énergie libérée par le Tsar Bomba , la plus grande explosion jamais créée par l’homme. Exajoule L’exajoule (EJ) est égal à un quintillion ( 10 ¹⁸ ) joule. Le tremblement de terre et le tsunami de Tōhoku au Japon en 2011 ont 1,41 EJ d’énergie selon sa cote de 9,0 sur l’ échelle de magnitude des moments . La consommation annuelle d’énergie aux États-Unis s’élève à environ 94 EJ . Zettajoule Le zettajoule (ZJ) est égal à un sextillion ( 10 ²¹ ) joule. C’est un peu plus que la quantité d’énergie nécessaire pour chauffer la Mer Baltique de 1 °C, en supposant des propriétés similaires à celles de l’eau pure . ^[24] La consommation mondiale annuelle d’énergie humaine est d’environ 0,5 ZJ . L’énergie nécessaire pour élever la température de l’atmosphère terrestre de 1 °C est d’environ 2.2 ZJ . Yottajoule Le yottajoule (YJ) est égal à un septillion ( 10 ²⁴ ) joules. C’est un peu moins que la quantité d’énergie nécessaire pour chauffer l’ océan Indien de 1 °C, en supposant des propriétés similaires à celles de l’eau pure. ^[24] La puissance thermique du Soleil est d’environ 400 YJ par seconde.

Conversions

1 joule est égal à (approximativement sauf indication contraire) :

• 10 ⁷ erg (exactement)
• 6.241 509 74 × 10 ¹⁸ eV
• 0,2390 cal (gramme de calories)
• 2,390 × 10 ⁻⁴ kcal (calories alimentaires)
• 9,4782 × 10 ⁻⁴ BTU
• 0,7376 Ft⋅lb (pied-livre)
• 23,7 ft⋅pdl (pied-livre)
• 2,7778 × 10 ⁻⁷ KW⋅h (kilowatt-heure)
• 2,7778 × 10 ⁻⁴ W⋅h (wattheure)
• 9,8692 × 10 ⁻³ latm (litre-atmosphère)
• 11,1265 × 10 ⁻¹⁵ g (par équivalence Masse-énergie )
• 10 ⁻⁴⁴ ennemi (exactement)

Les unités définies exactement en termes de joule comprennent :

• 1 calorie thermochimique = 4,184 J ^[25]
• 1 calorie du tableau international = 4,1868 J ^[26]
• 1 W⋅h = 3600 J (ou 3,6 kJ)
• 1 KW⋅h =3,6 × 10 ⁶ J (ou 3,6 MJ)
• 1 W⋅s =1 J
• 1 Tonne TNT = 4,184 GJ

Newton-mètre et couple

En mécanique , le concept de force (dans une certaine direction) a un analogue proche dans le concept de couple (environ un certain angle) :

Linéaire	Angulaire
Force	Couple
Masse	Moment d’inertie
Déplacement	Angle

Le résultat de cette similitude est que l’unité SI pour le couple est le newton-mètre , qui s’avère algébriquement avoir les mêmes dimensions que le joule, mais ne sont pas interchangeables. La Conférence générale des poids et mesures a donné à l’unité d’ énergie le nom de joule , mais n’a donné à l’unité de couple aucun nom spécial, il s’agit donc simplement du newton-mètre (N⋅m) – un nom composé dérivé de son constituant les pièces. ^[27] L’utilisation de newton-mètres pour le couple et de joules pour l’énergie est utile pour éviter les malentendus et les erreurs de communication. ^[27]

La distinction peut également être vue dans le fait que l’énergie est une quantité scalaire – le produit scalaire d’un vecteur force et d’un vecteur déplacement. En revanche, le couple est un vecteur – le produit croisé d’un vecteur force et d’un vecteur distance. Le couple et l’énergie sont liés l’un à l’autre par l’équation

E = τ θ , {displaystyle E=tau theta ,,}

où E est l’énergie, τ est (l’ amplitude vectorielle du) couple et θ est l’angle balayé (en radians ). Puisque les angles plans sont sans dimension, il s’ensuit que le couple et l’énergie ont les mêmes dimensions.

Watt-seconde

Un watt-seconde (symbole W s ou W·s ) est une unité dérivée d’ énergie équivalente au joule. ^[28] Le watt-seconde est l’énergie équivalente à la puissance d’un watt soutenue pendant une seconde . Alors que le watt-seconde équivaut au joule à la fois dans les unités et dans la signification, il existe certains contextes dans lesquels le terme «watt-seconde» est utilisé à la place de «joule». ^{[ pourquoi ? ]}

La photographie

En photographie, l’unité des flashs est le watt-seconde. Un flash peut être évalué en watt-secondes (par exemple, 300 W⋅s) ou en joules (noms différents pour la même chose), mais historiquement, le terme “watt-seconde” a été utilisé et continue d’être utilisé.

Energy of a flash in joules = 1 2 ⋅ capacitance in farads ⋅ working voltage 2 {displaystyle {text{Énergie d’un flash en joules}}={dfrac {1}{2}}cdot {text{capacité en farads}}cdot {text{tension de fonctionnement}}^{2 }}

La cote énergétique attribuée à un flash n’est pas une référence fiable pour son rendement lumineux car de nombreux facteurs affectent l’efficacité de la conversion énergétique. Par exemple, la construction du tube affectera l’efficacité, et l’utilisation de réflecteurs et de filtres modifiera la sortie de lumière utilisable vers le sujet. Certaines entreprises spécifient leurs produits en “vraies” watt-secondes, et d’autres spécifient leurs produits en watt-secondes “nominales”. ^[29]

Voir également

• Fluence
• Joules réciproques

Remarques

1. ^ C’est ce qu’on appelle le taux métabolique basal . Cela correspond à environ 5 000 kJ (1 200 kcal) par jour. La Kilocalorie (symbole kcal) est également connue sous le nom de calorie alimentaire .

Références

1. ^ “joule” . Un nouveau dictionnaire anglais sur les principes historiques . La presse de Clarendon. janvier 1901. p. 606.{{cite web}}: CS1 maint: date and year (link)
2. ^ Allen, HS (septembre 1943). “Nature 152, 354 (1943)” . Nature . 152 (3856): 354. doi : 10.1038/152354a0 . S2CID 4182911 .
3. ^ Wells, John (2008). Dictionnaire de prononciation Longman (3e éd.). Pearson Longman. ISBN 978-1-4058-8118-0.
4. ^ Bureau international des poids et mesures (2006), Le système international d’unités (SI) (PDF) (8e éd.), p. 120, ISBN 92-822-2213-6, archivé (PDF) de l’original le 04/06/2021 , récupéré le 16/12/2021
5. ^ Dictionnaire du patrimoine américain de la langue anglaise , édition en ligne (2009). Houghton Mifflin Co., hébergé par Yahoo! Éducation .
6. ^ Le dictionnaire américain du patrimoine , deuxième édition universitaire (1985). Boston : Houghton Mifflin Co., p. 691.
7. ^ Dictionnaire de physique McGraw-Hill , cinquième édition (1997). McGraw-Hill, Inc., p. 224.
8. ↑ “L’unité de chaleur a jusqu’à présent été prise de différentes manières comme la chaleur nécessaire pour élever une livre d’eau au point de congélation jusqu’à 1° Fahrenheit ou centigrade, ou, encore une fois, la chaleur nécessaire pour élever un kilogramme d’eau de 1° centigrade. L’inconvénient d’une unité si entièrement arbitraire est suffisamment apparent pour justifier l’introduction d’une unité basée sur le système électro-magnétique, à savoir la chaleur générée en une seconde par le courant d’un Ampère traversant la résistance d’un Ohm. sa valeur est de 10 ⁷ unités CGS, et, en supposant l’équivalent de Joule comme 42 000 000, c’est la chaleur nécessaire pour élever 0,238 gramme d’eau 1° centigrade, ou, approximativement, le 1 ⁄ 1000ème partie de l’unité arbitraire d’une livre d’eau élevée de 1° Fahrenheit et le 1 ⁄ 4000 ème du kilogramme d’eau élevé de 1° Centigrade. Une telle unité de chaleur, si elle est jugée acceptable, pourrait avec une grande justesse, je pense, être appelée le Joule, d’après l’homme qui a tant fait pour développer la théorie dynamique de la chaleur.” Carl Wilhelm Siemens, Rapport de la Cinquante-deuxième Réunion de l’Association britannique pour l’avancement des sciences S. 6 f.
9. ^ Pat Naughtin : Une histoire chronologique du système métrique moderne. , metricationmatters.com, 2009.
10. ^ CIPM, 1946, Résolution 2, Définitions des unités électriques. bipm.org.
11. ^ 9e CGPM, Résolution 3 : Triple point d’eau ; échelle thermodynamique à un seul point fixe ; unité de quantité de chaleur (joule). , bipm.org.
12. ^ “Unités de chaleur – BTU, Calorie et Joule” . Boîte à outils d’ingénierie . Récupéré le 14/06/2021 .
13. ^ Ristinen, Robert A.; Kraushaar, Jack J. (2006). L’énergie et l’environnement (2e éd.). Hoboken, New Jersey : John Wiley & Sons. ISBN 0-471-73989-8.
14. ^ “Physique – CERN” . public.web.cern.ch . Archivé de l’original le 13/12/2012.
15. ^ “Vous dites calorie, nous disons kilojoule : qui a raison ?” . Récupéré le 2 mai 2017 .
16. ^ “Construction d’une série temporelle d’irradiance solaire totale composite (TSI) de 1978 à aujourd’hui” . Archivé de l’original le 2011-08-30 . Récupéré le 05/10/2005 .
17. ^ 1 2 ⋅ 70 k g ⋅ ( 10 m s ) 2 = 3500 J {displaystyle {frac {1}{2}}cdot 70kgcdot left(10{frac {m}{s}}right)^{2}=3500J}
18. ^ 1 2 ⋅ 35 k g ⋅ ( 35 m s ) 2 = 21 , 400 J {displaystyle {frac {1}{2}}cdot 35kgcdot left(35{frac {m}{s}}right)^{2}=21 400J}
19. ^ “Unités d’énergie – Énergie expliquée, Votre guide pour comprendre l’énergie – Administration de l’information sur l’énergie” . www.eia.gov .
20. ^ Malik, John (septembre 1985). “Rapport LA-8819: Les rendements des explosions nucléaires d’Hiroshima et de Nagasaki” (PDF) . Laboratoire national de Los Alamos . Archivé de l’original (PDF) le 11 octobre 2009 . Récupéré le 18 mars 2015 .
21. ^ “Configuration finale de la Station spatiale internationale” (PDF) . Agence spatiale européenne . Archivé de l’original (PDF) le 21 juillet 2011 . Récupéré le 18 mars 2015 .
22. ^ Bonnie Berkowitz; Laris Karklis; Ruben Fischer-Baum; Chiqui Esteban (11 septembre 2017). “Analyse – Quelle est la taille de l’ouragan Irma?” . Poste de Washington . Récupéré le 2 novembre 2017 .
23. ^ « Irma déchaîne sa fureur sur le sud de la Floride », Financial Times , consulté le 10 septembre 2017 (abonnement requis)
24. ^ ^{un b} “Les volumes des Océans du Monde d’ETOPO1” . noaa.gov . Administration nationale des océans et de l’atmosphère . Récupéré le 8 mars 2022 .
25. ^ L’adoption des joules comme unités d’énergie , Comité ad hoc d’experts FAO / OMS sur l’énergie et les protéines, 1971. Un rapport sur le passage des calories aux joules dans la nutrition.
26. ^ Feynman, Richard (1963). “Unités physiques” . Conférences de Feynman sur la physique . Récupéré le 07/03/2014 .
27. ^ ^{un b} “Unités avec des noms et des symboles spéciaux; unités qui incorporent des noms et des symboles spéciaux” . Bureau international des poids et mesures . Archivé de l’original le 28 juin 2009 . Récupéré le 18 mars 2015 . Une unité dérivée peut souvent être exprimée de différentes manières en combinant des unités de base avec des unités dérivées ayant des noms spéciaux. Joule, par exemple, peut formellement s’écrire newton mètre, ou kilogramme mètre carré par seconde carrée. Ceci, cependant, est une liberté algébrique qui doit être régie par des considérations physiques de bon sens ; dans une situation donnée, certains formulaires peuvent être plus utiles que d’autres. En pratique, avec certaines grandeurs, on privilégie l’utilisation de certains noms d’unités spéciaux, ou combinaisons de noms d’unités, pour faciliter la distinction entre différentes grandeurs ayant la même dimension.
28. ^ Bureau international des poids et mesures (2006), Le système international d’unités (SI) (PDF) (8e éd.), pp. 39-40, 53, ISBN 92-822-2213-6, archivé (PDF) de l’original le 04/06/2021 , récupéré le 16/12/2021
29. ^ “Qu’est-ce qu’un watt seconde?” .

Liens externes

• La définition du dictionnaire de joule au Wiktionnaire