Joule

Šablona:Infobox - jednotka Joule (značka J) je hlavní jednotka práce, energie a tepla v soustavě SI. Byla pojmenována na počest anglického fyzika Jamese Prescotta Joulea. Jeden joule je definován jako práce, kterou vykoná síla jednoho newtonu (1 N) působící na těleso po dráze jednoho metru (1 m) ve směru pohybu.

⏳ Historie

Jednotka byla pojmenována na počest anglického fyzika a sládka Jamese Prescotta Joulea (1818–1889), který svými experimenty v 19. století zásadně přispěl k pochopení povahy tepla a jeho vztahu k mechanické práci. Joule prokázal, že teplo je formou energie, a položil základy pro první termodynamický zákon a zákon zachování energie. Jeho precizní měření mechanického ekvivalentu tepla ukázala, že mechanická práce se může přeměnit na teplo a naopak, což byl revoluční objev. Díky jeho přínosu byla na jeho počest pojmenována jednotka energie v soustavě SI.

⚛️ Definice a vztahy

Joule je odvozená jednotka soustavy SI. Lze ji vyjádřit pomocí základních jednotek SI následovně:

1 J = 1 kg⋅m²⋅s⁻²

Základní definice joulu vychází z mechanické práce:

1 J = 1 N⋅m (newton krát metr)

To znamená, že jeden joule je roven práci vykonané silou jednoho newtonu působící po dráze jednoho metru. Ačkoli je newtonmetr (N·m) dimenzionálně ekvivalentní joulu, používá se primárně pro vyjádření momentu síly, zatímco joule se používá pro práci a energii, aby se předešlo záměně.

Další důležitý vztah propojuje joule s výkonem, jehož jednotkou je watt (W):

1 J = 1 W⋅s (wattsekunda)

Tento vztah říká, že jeden joule je energie spotřebovaná zařízením o výkonu jednoho wattu za jednu sekundu.

🔄 Převody na jiné jednotky

V praxi se často používají násobky joulu, jako jsou kilojoule (kJ, 10³ J), megajoule (MJ, 10⁶ J) a gigajoule (GJ, 10⁹ J). Kromě toho existuje řada dalších jednotek energie, na které lze joule převádět:

• Kalorie (cal): Starší jednotka energie, často používaná v potravinářství.
  • 1 cal ≈ 4,187 J
  • 1 J ≈ 0,239 cal
• Kilowatthodina (kWh): Běžná jednotka pro měření spotřeby elektrické energie.
  • 1 kWh = 3 600 000 J = 3,6 MJ
  • 1 J ≈ 2,778 × 10⁻⁷ kWh
• Elektronvolt (eV): Jednotka používaná v atomové a jaderné fyzice pro vyjádření velmi malých množství energie.
  • 1 eV ≈ 1,602 × 10⁻¹⁹ J
• Erg: Jednotka energie v soustavě CGS.
  • 1 erg = 10⁻⁷ J
• Britská tepelná jednotka (BTU): Používaná především v USA.
  • 1 BTU ≈ 1055 J

💡 Využití v praxi

Jelikož je jeden joule poměrně malé množství energie, je užitečné si jeho velikost přiblížit na praktických příkladech:

• Zvednutí malého jablka (o hmotnosti cca 102 gramů) do výšky jednoho metru v tíhovém poli Země vyžaduje práci přibližně 1 J.
• Kinetická energie dospělého člověka (70 kg) kráčejícího velmi pomalu (rychlostí cca 0,5 m/s) je přibližně 9 J.
• Těleso o hmotnosti 2 kg pohybující se rychlostí 1 m/s (3,6 km/h) má kinetickou energii 1 J.
• Běžná 60wattová žárovka spotřebuje 60 joulů elektrické energie každou sekundu.
• Energie uvolněná při spálení jedné hlavičky zápalky je přibližně 1000 J (1 kJ).
• Doporučený denní příjem energie pro dospělou ženu je přibližně 8 000 000 J (8 MJ).

🔬 Joule v různých oborech

• Fyzika: Joule je základní jednotkou pro všechny formy energie, ať už jde o mechanickou práci, kinetickou, potenciální, elektrickou nebo tepelnou energii. Používá se ve vzorcích jako E = mc² nebo v zákonech termodynamiky.
• Chemie: V chemii se jouly (častěji kilojouly na mol) používají k vyjádření energetických změn během chemických reakcí, například entalpie nebo aktivační energie.
• Potravinářství a výživa: Energetická hodnota potravin se udává v kilojoulech (kJ) nebo kilokaloriích (kcal). Světová zdravotnická organizace doporučuje používat kilojouly. Přepočet je přibližně 1 kcal = 4,2 kJ. Energetickou hodnotu dodávají živiny jako tuky (cca 38 kJ/g), bílkoviny (17 kJ/g) a sacharidy (17 kJ/g).

🧒 Pro laiky: Co je to vlastně joule?

Představte si, že energie je jako "palivo" pro všechno, co se děje. Každý pohyb, každé zahřátí, každé rozsvícení světla spotřebuje nějaké palivo. Joule je jednoduše jedna malá "kapka" tohoto paliva.

• Zvedání nákupu: Když zvednete ze země litrovou lahev s vodou (která váží 1 kilogram) na stůl (do výšky asi 1 metru), spotřebujete na to zhruba 10 joulů energie. Je to malá námaha, takže i málo "kapek" paliva.
• Běžící spotřebiče: Mikrovlnná trouba s výkonem 1000 wattů spotřebuje 1000 joulů energie každou sekundu, co je zapnutá. Je to jako byste každou sekundu vylili 1000 kapek energetického paliva.
• Jídlo jako palivo: Když sníte kousek čokolády, vaše tělo získá tisíce joulů energie, které pak může použít na běhání, přemýšlení nebo udržování tělesné teploty.

Joule je tedy základní stavební kámen, kterým měříme, kolik "úsilí" nebo "paliva" stojí jakákoliv činnost ve vesmíru.

Zdroje

Wikipedie: Joule BLUETTI: Understanding Joules vs. Watts TME.eu: Joul (J) - definice Fyzika na Vltavě: James Prescott Joule Khan Academy: Co znamenají pojmy energie a práce? Společnost pro výživu: Energetická hodnota potravin ```