ジュール
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ジュール
動力の仕事としてのジュールの直感的な表現
一般情報
単位系SI
単位エネルギー
記号J
名にちなんでジェームズ・プレスコット・ジュール
変換
1 Jで ......は...と等しい
   SI基本単位   kg ⋅ m 2 ⋅ s −2
   CGS単位   1 × 10 7エルグ
   ワット秒   1  W ⋅ s
   キロワット時   ≈2.78 × 10 −7  kW⋅h
   キロカロリー（熱化学）   2.390 × 10 -4  kcal / 日
   BTU   9.48 × 10 -4  BTU
   電子ボルト   ≈6.24 × 10 18  eV

ジュール（/ dʒ uː l / JOOLまたは/ dʒ aʊ l / JOWL、記号：J ）は、国際単位系（SI）におけるエネルギーの単位である。[ 1 ] SI基本単位では、1ジュールは1キログラムメートルの平方毎秒に相当します（1 J = 1 kg⋅m 2 ⋅s −2）。1ジュールは、1ニュートンの力が物体をその力の方向に1メートル移動させたときに行われる仕事量に等しい。また、1アンペアの電流が1オームの抵抗を1秒間通過したときに熱として散逸するエネルギーでもある。これは、イギリスの物理学者ジェームズ・プレスコット・ジュール（1818–1889）にちなんで名付けられた。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]

定義

国際度量衡局によると、ジュールは「 1MKS単位の力（ニュートン）の作用点が力の方向に1メートルの距離移動するときに行われる仕事」と定義されています。[ 5 ]

SI基本単位と特別な名称を持つSI組立単位において、ジュールは次のように定義される[ 6 ]。

J＝ kg⋅メートル2⋅秒−2＝ 北⋅メートル＝ Pa⋅メートル3＝ W⋅秒＝ C⋅V{\displaystyle {\begin{alignedat}{3}\mathrm {J} \;&=~\mathrm {kg{\cdot }m^{2}{\cdot }s^{-2}} \\[0.7ex]&=~\mathrm {N{\cdot }m} \\[0.7ex]&=~\mathrm {Pa{\cdot }m^{3}} \\[0.7ex]&=~\mathrm {W{\cdot }s} \\[0.7ex]&=~\mathrm {C{\cdot }V} \\[0.7ex]\end{alignedat}}}

記号 名称
J ジュール
kg キログラム
メートル メートル
秒 秒
N ニュートン
Pa パスカル
W ワット
C クーロン
V ボルト

1ジュールは、次のいずれかに相当します。[ 7 ]

  • 1クーロンの電荷を1ボルトの電位差で移動させるのに必要な仕事、または1クーロンボルト（C⋅V）です。この関係式は電圧を定義するために使用できます。
  • 1ワットの電力を1秒間に生み出すために必要な仕事、つまり1ワット秒（W⋅s）です（キロワット時（3.6メガジュール）と比較してください）。この関係式を用いてワットを定義できます。

ジュールはジェームズ・プレスコット・ジュールにちなんで名付けられました。人名にちなんで名付けられたSI単位のすべてと同様に、ジュールの記号は大文字（J）で始まりますが、フルネームで書く場合は普通名詞の大文字化の規則に従います。つまり、ジュールは文頭とタイトルでは大文字になりますが、それ以外は小文字です。[ 8 ]

歴史

1882年の英国科学協会の会議で、シーメンス会長（左）は、ジェームズ・プレスコット・ジュール（右）にちなんでユニットに名前を付けることを提案しました

CGSシステムは、1881年の第1回国際電気会議で公式に宣言されました。エルグは1882年にエネルギーの単位として採用されました。ヴィルヘルム・ジーメンスは、英国科学振興協会会長就任演説（1882年8月23日）において、電磁気単位のアンペアとオームから導き出されたジュールを熱の単位として初めて提案しました。これはCGS単位系で、10 7  erg 。当時63歳で引退していた ジェームズ・プレスコット・ジュール（1818-1889）に敬意を表して、シーメンスの推奨に従ってユニットが命名されました。

このような熱単位が受け入れられるならば、熱の力学理論の発展に多大な貢献をした人物にちなんで、ジュールと呼ばれるのが適切だと私は思う。[ 9 ]

1889年8月31日の第2回国際電気会議において、ジュールはワットおよび象限（後にヘンリーに改名）とともに正式に採用されました。[ 10 ] ジュールは同年1889年10月11日に亡くなりました。第4回会議（1893年）では、「国際アンペア」と「国際オーム」が定義され、測定方法に若干の変更が加えられました。「国際ジュール」はこれらから派生した単位です。[ 11 ]

1935年、国際電気標準会議（国際電気会議の後継組織）は「ジョルジ方式」を採用した。これは、磁気定数の定義値を想定することで、ジュールの再定義も意味していた。ジョルジ方式は1946年に国際度量衡委員会で承認された。ジュールはもはや電磁気単位に基づいて定義されず、 1メートルの距離で1単位の力（当時はまだニュートンと命名されていなかった）によって行われる仕事の単位として定義されるようになった。ジュールは電磁気学と機械学の両方の文脈で使用されるエネルギーの単位として明確に意図されていた。[ 12 ] 1948年の第9回国際度量衡総会での定義の批准により、熱量測定の文脈でもジュールが優先されるべきであるという規定が追加され、これによってカロリーの使用は正式に廃止された。[ 13 ]これは1960年に現代の国際単位系 で宣言された定義である。[ 14 ]

ジュールの定義（J = kg⋅m 2 ⋅s −2）は1946年以来変わっていませんが、ジュールは秒 （ 1960年と1967年）、メートル（1983年）、キログラム（2019年）の定義の変更を受け継いでいます。[ 15 ]

実例

1ジュールは（おおよそ）以下のエネルギーを表します。

  • 静止している人が1/60秒ごとに熱として放出する典型的なエネルギー（約16.6667  ms、基礎代謝量); 約5,000  kJ (1,200  kcal ) /日。
  • 運転に必要な電力量は1W デバイス用1 秒。
  • 加速するために必要なエネルギーは1kg の質量で1  m/s 2の距離を1 メートル。
  • 運動エネルギーは2kg の質量が1  m/s、または1kg の質量が1.41  m/s。
  • リンゴの質量が 101.97 g であると仮定して、リンゴを 1 m 持ち上げるのに必要なエネルギー。
  • 0.239gの水の温度を0℃から1℃に上げるのに必要な熱量。[ 16 ]
  • 運動エネルギーは体重50kgの人間が非常にゆっくり（0.2m/秒または0.72km/h）移動しています。
  • 運動エネルギーは56gのテニスボールが6m/s（22km/h）で動いている。[ 17 ]
  • 普通サイズの砂糖結晶の半分強（0.102  mg /結晶）。

倍数

ジュール（J）のSI倍数
分数 倍数
値 SI記号 名称 値 SI記号 名称
10 −1  J dJ デシジュール 10 1  J daJ デカジュール
10 −2  J cJ センチジュール 10 2  J hJ ヘクトジュール
10 −3  J mJミリジュール10 3  J kJキロジュール
10 −6 ジュール μJマイクロジュール10 6  J MJメガジュール
10 −9  J nJナノジュール10 9  J GJギガジュール
10 −12  J pJピコジュール10 12  J TJテラジュール
10 −15 ジュール fJ フェムトジュール 10 15  J PJ ペタジュール
10 −18  J aJ アト​​ジュール 10 18  J EJ エクサジュール
10 −21  J zJ ゼプトジュール 10 21  J ZJ ゼタジュール
10 −24 ジュール yJ ヨクトジュール 10 24  J YJ ヨタジュール
10 −27  J rJ ロントジュール 10 27  J RJ ロナジュール
10 −30  J qJ ケクトジュール 10 30  J QJ ケタジュール
公倍数は太字で表示されています
ゼプトジュール
160ゼプトジュールは約1電子ボルトです
室温付近での計算において、1ビットのデータを変更するのに必要な最小エネルギーはおよそ2.75 zJ –ランダウアー限界によって与えられます。
ナノジュール
160ナノジュールは飛んでいる蚊の運動エネルギーとほぼ同じです。 [ 18 ]
マイクロジュール
大型ハドロン衝突型加速器(LHC) は、粒子あたりマイクロジュールオーダー (7 TeV) の衝突を発生させます。
キロジュール
ほとんどの国では、栄養食品の表示ではエネルギーがキロジュール（kJ）で表示されている。[ 19 ]
地球の1平方メートルあたりに降り注ぐ太陽光は約昼間の太陽放射は毎秒1.4キロジュールである。 [ 20 ]短距離走中の人間は約3キロジュールの運動エネルギーを持っているが、[ 21 ]短距離走中のチーターは時速122km（  76mph）の疾走では約20kJのエネルギーがあります。[ 22 ]電気やその他のエネルギーの1ワット時は3.6kJです。
メガジュール
メガジュールは、1メガグラム（トン）の車両が時速1000キログラムで移動する際の運動エネルギーにほぼ相当します時速161km （100mph）。
加熱に必要なエネルギー0℃（32°F）から100℃（212°F）までの一定圧力の液体の水10Lは、およそ4.2MJ 。​
電気またはその他の形態のエネルギーの1キロワット時は 3.6 MJ です。
ギガジュール
6 ギガジュールは、石油1バレル（159リットル）を燃焼させる化学エネルギーとほぼ同じです。[ 23 ] 2GJはプランクエネルギー単位とほぼ同じです。1メガワット時（電力またはその他の形態のエネルギー）は3.6GJです
テラジュール
テラ0.278GWh （エネルギー表でよく使用されます）。約リトルボーイは63  TJのエネルギーを放出した。[ 24 ]質量約450 メガグラムと軌道速度7700  m/s、[ 25 ]の運動エネルギーはおよそ13 TJ。2017年のハリケーン・イルマのピーク風力エネルギーは112 TJ。[ 26 ] [ 27 ]電気やその他のエネルギーの 1ギガワット時は3.6 TJです。
ペタジュール
210ペタジュールは約TNT火薬50 メガトンに相当し、これは史上最大の人工爆発であるツァーリ・ボンバによって放出されたエネルギー量です。1テラワット時（電気またはその他の形態のエネルギー）は3.6PJです
エクサジュール
2011年の東北地方太平洋沖地震と津波はモーメントマグニチュードスケールで9.0と評価されている1.41 EJのエネルギーです。米国の年間エネルギー消費量はおよそ94 EJ、世界の最終エネルギー消費量は2021年には439 EJになりました。 [ 28 ] 1ペタワット時の電気、またはその他の形態のエネルギーは3.6 EJです。
ゼタジュール
ゼタジュールは、純水と同様の性質を仮定すると、バルト海を1℃加熱するのに必要なエネルギー量よりもいくらか大きい。[ 29 ]人類の年間世界エネルギー消費量はおよそ0.5 ZJ。地球の大気の温度を1℃上げるのに必要なエネルギーはおよそ2.2 ZJ
ヨタジュール
ヨタジュールは、純水と同様の性質を仮定した場合、インド洋を1℃加熱するのに必要なエネルギー量よりわずかに少ない。 [ 29 ]太陽の熱出力はおよそ毎秒400YJ [ 30 ]

変換

1ジュールは（特に記載がない限り、おおよその値です）

  • 1.0 × 10 7 エルグ（正確に）
  • 6.24151 × 10 18  eV
  • 9.47817 × 10 −4  BTU
  • 0.737562 ft⋅lb（フィートポンド）
  • 23.7304 ft⋅pdl（フィートパウンダル）

ジュールと正確に等価な単位には以下のものがあります

  • 1熱化学カロリー= 4.184  J [ 31 ]
  • 1国際表カロリー = 4.1868  J [ 32 ]
  • 1  W⋅h = 3,600 J; 3.6 kJ
  • 1  kW⋅h = 3.6 × 10 6  J; 3.6 MJ^
  • 1  W⋅s =1 J
  • TNT火薬1トン= 4.184 GJ 
  • 敵1体= 10 44  J [ 33 ]

ニュートンメートルとトルク

力学において、力（ある方向）の概念は、トルク（ある角度について）の概念と密接に類似しています。 [ 34 ] [ 35 ]

直線角度
力トルク
質量慣性モーメント
変位 角度

この類似性の結果、トルクのSI単位はニュートンメートルであり、代数的にはジュールと同じ次元になりますが、互換性はありません。国際度量衡総会はエネルギーの単位にジュールという名前を付けましたが、トルクの単位には特別な名前を付けていません。そのため、トルクは単にニュートンメートル（N⋅m）という、構成要素から派生した複合名です。[ 36 ]トルクにはニュートンメートルを使用し、エネルギーにはジュールを使用することで、誤解や誤ったコミュニケーションを避けることができます。[ 36 ]

この違いは、エネルギーがスカラー量、つまり力のベクトルと変位のベクトルの内積であるという点からも見て取れます。一方、トルクはベクトル、つまり力のベクトルと距離のベクトルの外積です。トルクとエネルギーは、次の式で互いに関連しています。 E＝τθ,{\displaystyle E=\tau \theta \,,}

ここで、Eはエネルギー、τはトルク（のベクトルの大きさ）、θは掃引角度（ラジアン単位）です。平面角は無次元であるため、トルクとエネルギーは同じ次元を持ちます。

ワット秒

ワット秒（記号W・sまたはW・s）は、ジュールに相当するエネルギーの派生単位です。 [ 37 ]ワット秒は、1ワットの電力が1秒間持続するエネルギーに相当します。ワット秒は単位と意味の両方でジュールに相当しますが、写真用フラッシュユニットの定格など、ジュールの代わりに「ワット秒」という用語が使用される文脈もあります。[ 38 ]

参考文献

  1. ^国際度量衡局（2006年）「国際単位系（SI）（PDF）（第8版）」120ページ、ISBN 92-822-2213-6、2021年6月4日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 、 2021年12月16日閲覧
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  3. ^『アメリカン・ヘリテージ辞典』第2版（1985年）ボストン：ホートン・ミフリン社、691ページ。
  4. ^ McGraw-Hill物理学辞典、第5版（1997年）、McGraw-Hill社、p.224。
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  6. ^ 「第4章：SI単位の2つのクラスとSI接頭辞」。特別出版物811：NIST SIガイド。2020年3月4日。
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  10. ^パット・ノートン：現代のメートル法の年代順の歴史、metricationmatters.com、2009年。
  11. ^国際電気会議議事録. ニューヨーク: アメリカ電気学会. 1894年.
  12. ^ CIPM、1946年、決議2、電気単位の定義。bipm.org。
  13. ^第9回CGPM、決議3：水の三重点；単一の固定点を持つ熱力学スケール；熱量の単位（ジュール）。、 bipm.org。
  14. ^国際単位系（PDF）、V3.01（第9版）、国際度量衡局、2024年8月、ISBN 978-92-822-2272-0
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  21. ^ ⁠1/2⁠ × 70 kg × (10 m/s) 2 = 3500 J
  22. ^ ⁠1/2⁠ × 35 kg × (35 m/s) 2 =21 400  J
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  37. ^国際度量衡局（2006年）「国際単位系（SI）（PDF）（第8版）」pp.39-40  , 53, ISBN 92-822-2213-6、2021年6月4日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 、 2021年12月16日閲覧
  38. ^ 「ワット秒とは何か？」 2017年6月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年10月23日閲覧。
  • ウィクショナリーにおけるジュールの辞書定義
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