ジュール

ジュール
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
シンボル	J
名前の由来	ジェームズ・プレスコット・ジュール
コンバージョン
1 Jで ...	...は...に等しい
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 ⋅秒
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 キロカロリー
BTU（英国熱量単位）	9.48 × 10 −4 BTU
電子ボルト	≈6.24 × 10 18 電子ボルト

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]ジュールは、1ニュートンの力がその力の方向に質量を1メートル移動させたときに行われる仕事の量に等しい。また、 1アンペアの電流が1秒間に1 オームの抵抗を通過するときに熱として散逸するエネルギーでもある。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]

意味

SI基本単位と特別な名前を持つSI組立単位では、ジュールは次のように定義されます^[5]

1ジュールは次のいずれかに相当します: ^[6]

1クーロンの電荷を 1 ボルトの電位差で移動させるために必要な仕事、つまり 1 クーロンボルト (C⋅V)。この関係を使用してボルトを定義できます。
1 ワットの電力を 1 秒間に生成するために必要な作業、つまり 1 ワット秒 (W⋅s) ( 3.6 メガジュールであるキロワット時と比較してください)。この関係を使用し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すべてのSI単位と同様に、その記号は大文字（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。^[7]

歴史

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・シーメンスは、英国科学振興協会の会長就任演説（1882年8月23日）で、電磁気単位のアンペアとオームから派生した熱の単位としてジュールを初めて提案しました。これはcgs単位では10 ⁷ erg 。当時は引退していたがまだ存命（享年63歳）だったジェームズ・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に命名されました。

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、ジュールと名付けられるのが非常に適切であると私は思う。^[8]

1889年8月31日の第2回国際電気会議で、ワットや象限（後にヘンリーに改名）とともにジュールが正式に採用された。^[9] ジュールは同年1889年10月11日に亡くなった。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、測定仕様が若干変更され、「国際ジュール」はそれらから派生した単位となった。^[10]

1935年、国際電気会議の後継組織である国際電気標準会議は「ジョルジ方式」を採用した。これは、磁気定数に定義された値を仮定することにより、ジュールの再定義も意味した。ジョルジ方式は、 1946年に国際度量衡委員会によって承認された。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名付けられていなかった）によって実行さ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、電磁気的および機械的文脈の両方で使用されるエネルギー単位として明確に意図されていた。^{[11] 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好まれるという規定が追加され、これによりカロリーの使用は公式に廃止された。^[12]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。^[13]

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、組立単位としてのジュールは秒（ 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。^[14]

実例

1 ジュールは（おおよそ）次のものを表します:

人が静止しているときに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。
稼働に必要な電力量は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1.41m /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。[ ^15]
運動エネルギーは体重 50 kg の人間が非常にゆっくりと移動しています (0.2 m/s または 0.72 km/h)。
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。^[16]
普通サイズの砂糖結晶の半分強に含まれる食物エネルギー（kcal）（0.102 mg /結晶）。

倍数

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。
室温付近で計算中に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 – はランダウアー限界によって与えられる。^[要出典]
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。 ^[17]
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。^[要出典]
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をキロジュール（kJ）で表しています。^[18]
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。 ^[19]短距離走中の人間の運動エネルギーは約3kJである。^[20]一方、短距離走中のチーターは時速122km （76マイル）の疾走では約20kJです。^[21]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100マイルで移動するときの運動エネルギーにほぼ相当します。161 km/h (100 mph)。^[要出典]
加熱に必要なエネルギー0℃（32℉）から100℃（212℉）までの一定圧力の液体水10Lはおよそ4.2 MJ . ^{[引用が必要]}
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 (kWh)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。^[22] 2GJはプランクエネルギー単位とほぼ同じです。電気やその他の形態のエネルギーの1メガワット時は3.6GJです。
テラジュール: テラジュールは約0.278 GWh（エネルギー表でよく使われる値）。リトルボーイは63 TJのエネルギーを放出した。^[23]質量約1.5トンの国際宇宙ステーションは、450 メガグラムと軌道速度7700 m/s、^[24]の運動エネルギーはおよそ13 TJ。2017年、ハリケーン・イルマのピーク風力エネルギーは112 TJ。^[25]^[26]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50 メガトンのTNT火薬は、史上最大の人為的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の量です。1テラワット時（電気または他のあらゆる形態のエネルギー）は3.6 PJ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と評価されたエネルギーは1.41 EJ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になります^。[27] 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℃温めるのに必要なエネルギー量よりもいくらか多い。^[28]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 . ^{[引用が必要]}
ヨタジュール: ヨタジュールは、純水と同様の性質を仮定すると、インド洋を1℃温めるのに必要なエネルギー量よりわずかに少ない。 ^[28]太陽の熱出力はおよそ毎秒400YJ ^[29]

コンバージョン

1 ジュールは、（特に明記しない限りおおよその）次の値に相当します。

1.0 × 10 ⁷ erg（正確に）
6.24151 × 10 ¹⁸ 電子ボルト
9.47817 × 10 ⁻⁴ BTU
0.737562 ft⋅lb (フィートポンド)
23.7304 ft⋅pdl（フィートポンド）

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 ^[30]
1国際表カロリー = 4.1868 J ^[31]
1 W⋅h = 3,600 J; 3.6 kJ
1kW⋅h = 3.6 × 10⁶ J; 3.6 MJ^
1 W⋅s =1 ジェフ
1トンTNT = 4.184 GJ
1敵= 10 ⁴⁴ J ^[32]

ニュートンメートルとトルク

力学では、力（ある方向）の概念は、トルク（ある角度について）の概念とよく似ています。^[要出典]

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を持つことになりますが、これらは互換性がありません。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与えておらず、そのため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合成名になっています。 [33]トルクにニュートンメートルを使用し、エネルギーにジュールを使用することは、誤解や誤ったコミュニケーションを避けるのに役立ちます。 [ ³³^]

この違いは、エネルギーがスカラー量、つまり力ベクトルと変位ベクトルのドット積であるという事実からもわかる。対照的に、トルクはベクトル、つまり力ベクトルと距離ベクトルの外積である。トルクとエネルギーは、次の式で互いに関連している^[^{引用が必要}^] $E=\tau \theta \,,$

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。平面角は無次元なので、トルクとエネルギーは同じ次元になります。^{[引用が必要]}

ワット秒

ワット秒（記号WsまたはW⋅s）は、ジュールと同等のエネルギーの派生単位である。 ^[34]ワット秒は、1ワットの電力が1秒間持続するのと同等のエネルギーである。ワット秒は単位と意味の両方でジュールと同等であるが、写真用フラッシュユニットの定格など、一部の文脈では「ジュール」の代わりに「ワット秒」という用語が使用される。^[35]

参考文献

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外部リンク

ウィクショナリーのジュールの辞書定義

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[1] 国際度量衡局（2006年）「国際単位系（SI）（PDF）（第8版）」p. 120、ISBN 92-822-2213-6、2021年6月4日にオリジナルからアーカイブ（PDF）され、2021年12月16日に取得

[2] American Heritage Dictionary of the English Language、オンライン版 (2009)。Houghton Mifflin Co.、Yahoo! Education がホスト。

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[6] ハリデー、デイビッド、レズニック、ロバート（1974）、物理学の基礎（改訂版）、ニューヨーク：ワイリー、pp.516-517、ISBN 0471344311

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[20] ⁠1/2× 70 kg × (10 m/s) ² = 3500 J

[21] ⁠1/2⁠ × 35 kg × (35 m/s) ² =21 400 ジェー

[22] 「エネルギー単位 - エネルギーの説明、エネルギーを理解するためのガイド - エネルギー情報局」www.eia.gov。

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