O joule ou júlio (do inglês, pronunciado /dʒuːl/ ou /dʒaʊl/; símbolo: J) é a unidade de energia no Sistema Internacional de Unidades (SI). Em termos das unidades básicas do SI, um joule corresponde a um quilograma-metro quadrado por segundo quadrado (1 J = 1 kg⋅m2⋅s−2). Um joule é igual à quantidade de trabalho realizado quando uma força de um newton desloca um corpo por uma distância de um metro na direção dessa força. Também corresponde à energia dissipada na forma de calor quando uma corrente elétrica de um ampere atravessa uma resistência elétrica de um ohm durante um segundo. A unidade recebeu o nome do físico inglês James Prescott Joule (1818–1889).American Heritage Dictionary of the English Language, edição on-line (2009). Houghton Mifflin Co., hospedado por 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.
Definição
O Escritório Internacional de Pesos e Medidas define o joule como "o trabalho realizado quando o ponto de aplicação de 1 unidade MKS de força [newton] se desloca por uma distância de 1 metro na direção da força".MKS é a sigla de metro, quilograma e segundo. O nome vem das três unidades usadas como base desse sistema de medidas.
Em termos das unidades básicas do SI e das unidades derivadas do SI com nomes especiaisUma unidade derivada é formada pela combinação de unidades de base. O joule, por exemplo, pode ser escrito usando quilograma, metro e segundo., o joule é definido como
Símbolo Nome J joule kg quilograma m metro s segundo N newton Pa pascal W watt C coulomb V volt
Relações com outras grandezas físicas
As formas N⋅m, Pa⋅m3, W⋅s e C⋅V expressam a mesma unidade de energia, mas aparecem em relações físicas diferentes. No trabalho mecânico, um joule é transferido quando uma força de 1 N produz um deslocamento de 1 m na direção da força. Em um fluido sob pressão constante, o trabalho associado à expansão ou compressão pode ser escrito como , de modo que Pa⋅m3 também se reduz a joules.
Na eletricidade, um volt equivale a um joule por coulomb. Uma carga de 1 C que atravessa uma diferença de potencial de 1 V corresponde a uma variação de energia de módulo 1 J. A relação com a potência vem de 1 W = 1 J/s. Manter uma potência de 1 W durante 1 s transfere, portanto, 1 J.
Essas equivalências não dizem que força, pressão, potência, carga elétrica e energia sejam a mesma grandeza. Elas mostram que relações físicas diferentes podem chegar à mesma unidade de energia quando suas unidades são combinadas.
Símbolo e escrita
O símbolo do joule é J, com letra maiúscula porque a unidade recebeu o nome de uma pessoa. O nome da unidade começa com minúscula em texto corrido. Como os símbolos das unidades do SI são tratados como entidades matemáticas, eles não recebem plural nem ponto, salvo quando o ponto pertence ao fim da frase. Assim, escrevem-se 1 J e 20 J, enquanto o nome por extenso pode aparecer como 1 joule e 20 joules.
Os prefixos ficam unidos ao símbolo da unidade, sem espaço, como em kJ, MJ e mJ. Entre o valor numérico e o símbolo da unidade há um espaço, de modo que a forma recomendada é 25 J, e não 25J. A mesma regra vale para 3,6 MJ e 500 kJ.
Grandezas expressas com o joule
O joule entra na unidade de grandezas que relacionam energia com massa, volume, quantidade de matéria ou temperatura. O SI emprega, entre outras, as formas abaixo.
Grandeza Unidade do SI Capacidade térmica e entropia J/K Capacidade térmica específica e entropia específica J/(kg⋅K) Energia específica J/kg Densidade de energia J/m3 Energia molar J/mol Entropia molar e capacidade térmica molar J/(mol⋅K)
Em química, energias associadas a uma quantidade de substância aparecem com frequência em quilojoules por mol. Entalpias molares de formação e de combustão, por exemplo, são normalmente tabeladas em kJ/mol.
Capacidade térmica e entropia usam J/K, mas medem propriedades diferentes, de modo que a unidade sozinha não basta para informar qual grandeza está sendo medida. Na radiação ionizante, a dose absorvida recebe uma unidade com nome próprio, o gray, que equivale a 1 J/kg e reduz a possibilidade de confusão com outras grandezas expressas em joules por quilograma.
História
miniatura|Wilhelm Siemens
miniatura|James Prescott Joule
Origem do nome e adoção
miniatura|No aparelho de Joule, trabalho mecânico é transformado em aquecimento da água, permitindo comparar diretamente trabalho e calor.
No primeiro Congresso Internacional de Eletricidade, realizado em 1881, o sistema CGS foi declarado oficial. O erg foi adotado como sua unidade de energia em 1882. Wilhelm Siemens, em seu discurso de posse como presidente da Associação Britânica para o Avanço da Ciência, em 23 de agosto de 1882, propôs pela primeira vez o joule como unidade de calor, derivada das unidades eletromagnéticas ampere e ohm, com valor equivalente a 107 erg no sistema CGS. A escolha do nome em homenagem a James Prescott Joule, então aposentado e com 63 anos, seguiu a proposta de Siemens:
"A unidade de calor tem sido tomada até agora de diferentes maneiras, como o calor necessário para elevar uma libra de água no ponto de congelamento em 1° Fahrenheit ou Centígrado, ou ainda o calor necessário para elevar um quilograma de água em 1° Centígrado. A inconveniência de uma unidade tão inteiramente arbitrária é suficientemente evidente para justificar a introdução de uma baseada no sistema eletromagnético, isto é, o calor gerado em um segundo pela corrente de um ampere atravessando a resistência de um ohm. Em medida absoluta, seu valor é 107 unidades CGS e, tomando o equivalente de Joule como 42.000.000, corresponde ao calor necessário para elevar 0,238 grama de água em 1° Centígrado, ou aproximadamente à milésima parte da unidade arbitrária de uma libra de água elevada em 1° Fahrenheit e à quatro milésima parte da de um quilograma de água elevada em 1° Centígrado. Uma unidade de calor desse tipo, se considerada aceitável, poderia, com grande propriedade, creio eu, ser chamada de Joule, em homenagem ao homem que tanto fez para desenvolver a teoria dinâmica do calor."
No segundo Congresso Internacional de Eletricidade, em 31 de agosto de 1889, o joule foi adotado oficialmente junto com o watt e o quadrante, mais tarde chamado de henry. Joule morreu no mesmo ano, em 11 de outubro de 1889.
Do sistema CGS ao SI
No quarto congresso, realizado em Chicago em 1893, foram definidos o "ampere internacional" e o "ohm internacional", com pequenas alterações nas especificações usadas para medi-los. O "joule internacional" era a unidade derivada dessas duas unidades.A palavra "internacional" nesses nomes indicava padrões práticos adotados por acordo entre países. Eles não eram exatamente iguais às unidades definidas mais tarde no SI. As definições do ampere internacional e do ohm internacional foram confirmadas pela Conferência Internacional sobre Unidades e Padrões Elétricos, reunida em Londres em 1908.
Na quinta Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM), em 1913, foi apresentada uma proposta de sistema baseado no metro, quilograma e segundo. A unidade coerente de trabalhoAqui, "coerente" quer dizer que a unidade pode ser obtida diretamente das unidades de base, sem precisar acrescentar um fator numérico de conversão. desse sistema, kg⋅m2⋅s−2, coincidia com o joule usado pelos eletricistas, enquanto a unidade coerente de potência, kg⋅m2⋅s−3, coincidia com o watt. A proposta permitia definir joule e watt diretamente a partir das unidades mecânicas do sistema MKS.
Em 1935, a Comissão Eletrotécnica Internacional adotou o sistema proposto por Giovanni Giorgi, que, ao assumir um valor definido para a constante magnética, também implicava uma redefinição do joule.O sistema de Giorgi reuniu unidades mecânicas e elétricas em um mesmo conjunto coerente. O SI adotado em 1960 manteve essa organização geral. O sistema Giorgi foi aprovado pelo Comitê Internacional de Pesos e Medidas em 1946. O joule deixou de ser definido com base nas unidades eletromagnéticas e passou a ser a unidade de trabalho realizado por uma unidade de força, que ainda não tinha recebido oficialmente o nome de newton, ao longo da distância de 1 metro. O joule destinava-se explicitamente ao uso como unidade de energia em contextos mecânicos e eletromagnéticos. A substituição das antigas unidades elétricas internacionais pelas unidades absolutas entrou em vigor em 1 de janeiro de 1948.
A nona CGPM, em 1948, ratificou a definição e recomendou que o joule também fosse preferido como unidade de calor em calorimetria, em lugar da caloria. O Sistema Internacional de Unidades estabelecido em 1960 manteve essa definição.
SI desde 2019
A expressão do joule como J = kg⋅m2⋅s−2 não mudou desde 1946, mas a maneira de definir as unidades que a compõem foi sendo alterada. O segundo passou por novas definições em 1960 e 1967, o metro foi redefinido em 1983 e o quilograma recebeu sua definição atual na revisão do SI que entrou em vigor em 20 de maio de 2019.
Desde 2019, todas as unidades do SI podem ser obtidas a partir de sete constantes definidoras cujos valores numéricos são fixados exatamente. Entre elas está a constante de Planck, com , e a carga elementar, com . A mudança retirou do quilograma a dependência do antigo protótipo material e também alterou a base metrológica das unidades derivadas que contêm o quilograma, entre elas o joule. A relação J = kg⋅m2⋅s−2 permaneceu a mesma.
Na metrologia elétrica de alta precisão, padrões baseados no efeito Josephson e no efeito Hall quântico permitem realizar o volt e o ohm a partir da constante de Planck e da carga elementar. Com os valores dessas constantes fixados no SI, esses padrões passaram a realizar diretamente as unidades do sistema.
Exemplos e ordens de magnitude
Exemplos práticos Um joule corresponde, aproximadamente, a: a energia típica liberada como calor por uma pessoa em repouso a cada 1/60 de segundo, cerca de 16,6667 ms"ms" significa milissegundo. Um milissegundo corresponde a um milésimo de segundo., considerando o metabolismo basal. Isso corresponde a cerca de 5.021 kJ por dia; a quantidade de energia necessária para manter um dispositivo de 1 W em funcionamento por 1 s; a energia necessária para acelerar uma massa de 1 kg a 1 m/s² ao longo de uma distância de 1 m; a energia cinética de uma massa de 2 kg a 1 m/s, ou de uma massa de 1 kg a 1,41 m/s; a energia necessária para elevar uma maçã de 101,97 g por 1 m; o calor necessário para elevar a temperatura de 0,239 g de água de 0 °C para 1 °C; a energia cinética de uma pessoa de 50 kg movendo-se muito lentamente, a 0,2 m/s, ou 0,72 km/h; a energia cinética de uma bola de tênis de 56 g movendo-se a 6 m/s, ou 21,6 km/h; a energia alimentar, expressa em quilocalorias, contida em pouco mais da metade de um cristal de açúcar de tamanho comum, considerando cerca de 0,102 mg por cristal.
Múltiplos
A 27ª CGPM ampliou a lista de prefixos do SI em 2022.Prefixos do SI mudam a escala de uma unidade por potências de dez. "Quilo", por exemplo, indica mil vezes a unidade, enquanto "mili" indica a milésima parte. Foram acrescentados ronto (r), para 10−27, quecto (q), para 10−30, ronna (R), para 1027, e quetta (Q), para 1030. Aplicados ao joule, correspondem a rJ, qJ, RJ e QJ, respectivamente.
zeptojoule 160 zJ equivalem a cerca de 1 eV. A energia mínima necessária para alterar um bit de dadosUm bit é a unidade básica da informação digital. Ele pode assumir dois estados, normalmente representados por 0 e 1. em uma operação computacional por volta da temperatura ambiente, aproximadamente 2,75 zJ, é dada pelo limite de Landauer. nanojoule 160 nJ correspondem aproximadamente à energia cinética de um mosquito em voo.