Il joule (J) è l’unità di misura dell’energia utilizzata nel Sistema Internazionale di Unità (SI), e quella accettata negli ambienti scientifici. L’unità viene utilizzata in tutte le equazioni e i calcoli che coinvolgono l’energia. Seguendo le convenzioni SI, i joule sono abbreviati con la J maiuscola perché il termine deriva da un nome proprio, anche se, se scritto, non è maiuscolo. Un J è definito come la quantità di energia spesa da una forza di 1 newton che sposta un oggetto di 1 metro nella stessa direzione della forza. Un newton è la forza necessaria per accelerare una massa di 1 chilogrammo (2.2 libbre) a una velocità di 1 metro (3.3 piedi) al secondo al secondo; quindi, l’accelerazione è tale che la velocità della massa aumenta di 1 metro al secondo ogni secondo che passa.
Definizione
La definizione di joule di cui sopra può sembrare complicata, ma il vantaggio delle unità SI è che consentono di quantificare tutte le molte cose che gli scienziati potrebbero voler misurare in termini di un piccolo numero di unità di base. Significa anche che, attenendosi a queste unità, tutti gli scienziati parlano la stessa lingua. Il joule si dice che sia un’unità derivata, in quanto è ottenuto dalle unità di base chilogrammi, metri e secondi.
Può essere considerato un newton-metro – una forza di 1 newton esercitata su una distanza di 1 metro (3.3 piedi). Poiché il newton è esso stesso un’unità derivata, un joule può essere ulteriormente scomposto come metri quadrati per chilogrammi per metri al secondo al secondo:
J = m2kgs-2
Sebbene un joule sia 1 newton-metro, l’energia non è normalmente indicata utilizzando quest’ultima unità, per evitare confusione con l’unità di misura della coppia, o momento della forza, che ha a che fare con il moto rotatorio.
Forza, Lavoro, Energia e Potenza
C’è spesso una certa confusione tra questi termini e le unità utilizzate per misurarli. Una forza è un’influenza che provoca un cambiamento nel movimento di un oggetto; in altre parole, accelerazione. Il lavoro è l’esercizio della forza per produrre movimento, mentre l’energia è il potenziale per fare lavoro e viene spesa quando il lavoro è finito. Ad esempio, spingere un oggetto in una certa direzione implica l’applicazione di una forza, che funziona, e l’energia deve essere consumata. Sia il lavoro che l’energia possono essere misurati in joule.
La potenza è la velocità con cui l’energia viene consumata e viene misurata in watt. L’utilizzo di 1 J di energia per un secondo utilizza 1 watt di potenza, quindi 1 watt è 1 joule al secondo. Una lampadina da 100 watt consuma 100 J di energia al secondo. Il consumo di elettricità delle famiglie è misurato in kilowattora: un kilowatt è 1,000 watt e 1 kilowattora è 3,600,000 J.
Esempi
Per avere un’idea di quanta energia sia effettivamente un joule, aiuta a guardare alcuni esempi quotidiani. Un joule è la quantità di energia necessaria per aumentare la temperatura di 1 grammo di aria fresca e secca di 1.8°F (1.0°C). Una persona media seduta in silenzio produce 100 J di calore ogni secondo. La quantità di energia richiesta per sollevare una piccola mela di 1 metro (3.3 piedi) contro la gravità terrestre è approssimativamente equivalente a 1 J.
History
L’unità prende il nome dal fisico inglese James Prescott Joule, il cui lavoro ha portato alla teoria della conservazione dell’energia e alla prima legge della termodinamica nel XIX secolo. Attraverso i suoi esperimenti, è stato in grado di determinare che l’energia cambia da una forma all’altra quando il lavoro è finito, ma non può essere creata dal nulla o distrutta. Ad esempio, quando l’elettricità viene utilizzata per far girare un motore, parte dell’energia elettrica viene trasformata in movimento e il resto viene convertito in calore. Fu in grado di dimostrare che il movimento più il calore erano equivalenti alla quantità originale di energia elettrica.