Joule

Le joule ( / dʒ uː l / JOOL , ou / dʒ aʊ l / JOWL ; symbole : J ) est l'unité d' énergie du Système international d'unités (SI). Il est égal à la quantité de travail effectuée lorsqu'une force d'un newton déplace une masse sur une distance d'un mètre dans la direction de cette force. Il s'agit également de l'énergie dissipée sous forme de chaleur lorsqu'un courant électrique d'un ampère traverse une résistance d'un ohm pendant une seconde. Il doit son nom au physicien anglais James Prescott Joule (1818–1889).

En termes d' unités de base SI et en termes d' unités dérivées SI portant des noms spéciaux , le joule est défini comme

Un joule est également équivalent à l’un des éléments suivants :

• Travail nécessaire pour déplacer une charge électrique d'un coulomb à travers une différence de potentiel électrique d'un volt, ou un coulomb-volt (C⋅V). Cette relation peut être utilisée pour définir le volt.
• Le travail nécessaire pour produire un watt d' énergie pendant une seconde, ou un watt-seconde (W⋅s) (à comparer au kilowattheure , qui vaut 3,6 mégajoules). Cette relation peut être utilisée pour définir le watt.

Le joule doit son nom à James Prescott Joule . Comme pour toute unité SI nommée d'après une personne, son symbole commence par une lettre majuscule (J), mais lorsqu'il est écrit en entier, il suit les règles de majuscule d'un nom commun ; c'est-à-dire que le joule prend une majuscule au début d'une phrase et dans les titres, mais est autrement en minuscule.

Le système CGS a été déclaré officiel en 1881, lors du premier Congrès international d'électricité . L' erg a été adopté comme unité d'énergie en 1882. Wilhelm Siemens , dans son discours d'investiture en tant que président de l' Association britannique pour l'avancement des sciences (23 août 1882), a proposé pour la première fois le joule comme unité de chaleur , dérivée des unités électromagnétiques ampère et ohm , en unités CGS équivalentes à10 ⁷ erg . Le nom de l'unité en l'honneur de James Prescott Joule (1818–1889), à l'époque à la retraite mais toujours en vie (63 ans), a suivi la recommandation de Siemens :

Une telle unité de chaleur, si elle est jugée acceptable, pourrait à juste titre, je pense, être appelée le Joule, du nom de l'homme qui a tant fait pour développer la théorie dynamique de la chaleur.

Lors du deuxième Congrès international d'électricité, le 31 août 1889, le joule fut officiellement adopté aux côtés du watt et du quadrant (rebaptisé plus tard henry ). Le joule mourut la même année, le 11 octobre 1889. Lors du quatrième congrès (1893), l'« ampère international » et l'« ohm international » furent définis, avec de légères modifications dans les spécifications de leur mesure, le « joule international » étant l'unité dérivée de ces deux unités.

En 1935, la Commission électrotechnique internationale (qui succéda au Congrès international de l'électricité) adopta le « système Giorgi », qui, en supposant une valeur définie pour la constante magnétique, impliquait également une redéfinition du joule. Le système Giorgi fut approuvé par le Comité international des poids et mesures en 1946. Le joule n'était désormais plus défini sur la base de l'unité électromagnétique, mais plutôt comme l'unité de travail effectuée par une unité de force (à l'époque pas encore nommée newton ) sur une distance d'un mètre . Le joule était explicitement destiné à être l'unité d'énergie à utiliser dans les contextes électromagnétiques et mécaniques. La ratification de la définition lors de la neuvième Conférence générale des poids et mesures , en 1948, ajouta la spécification selon laquelle le joule devait également être préféré comme unité de chaleur dans le contexte de la calorimétrie , déconseillant ainsi officiellement l'utilisation de la calorie . Il s’agit de la définition déclarée dans le Système international d’unités moderne en 1960.

La définition du joule comme J = kg⋅m ² ⋅s ⁻² est restée inchangée depuis 1946, mais le joule en tant qu'unité dérivée a hérité des changements dans les définitions de la seconde (en 1960 et 1967), du mètre (en 1983) et du kilogramme ( en 2019 ).

Un joule représente (environ) :

• L'énergie typique libérée sous forme de chaleur par une personne au repos toutes les 1/60 s (~16,6667 ms , métabolisme de base ); environ 5 000 kJ (1 200 kcal ) / jour.
• La quantité d'électricité nécessaire pour faire fonctionner unAppareil 1 W pour1 heure .
• L'énergie nécessaire pour accélérer un1 kg de masse à1 m/s ² sur une distance de1 m .
• L' énergie cinétique d'un Masse de 2 kg se déplaçant à1 m/s , ou unMasse de 1 kg se déplaçant à1,41 m/s .
• L'énergie nécessaire pour soulever une pomme de 1 m, en supposant que la pomme a une masse de 101,97 g.
• La chaleur nécessaire pour élever la température de 0,239 g d'eau de 0 °C à 1 °C.
• L' énergie cinétique d'unHumain de 50 kg se déplaçant très lentement (0,2 m/s ou 0,72 km/h).
• L'énergie cinétique d'unBalle de tennis de 56 g se déplaçant à 6 m/s (22 km/h).
• L'énergie alimentaire (kcal) contenue dans un peu plus de la moitié d'un cristal de sucre de taille ordinaire (0,102 mg /cristal).

zeptojoule

160 zeptojoules correspondent à environ 1 électronvolt .L'énergie minimale nécessaire pour modifier un peu de données lors d'un calcul à température ambiante - environ2,75 zJ – est donné par la limite de Landauer .

nanojoule

160 nanojoules représentent environ l' énergie cinétique d'un moustique volant.

microjoule

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) produit des collisions de l'ordre du microjoule (7 TeV) par particule.

kilojoule

Dans la plupart des pays, les étiquettes nutritionnelles des aliments expriment l’énergie en kilojoules (kJ). Un mètre carré de la Terre reçoit environ1,4 kilojoules de rayonnement solaire chaque seconde en plein jour. Un humain dans un sprint a environ 3 kJ d'énergie cinétique, tandis qu'un guépard dans unUn sprint de 122 km/h (76 mph) consomme environ 20 kJ. Un wattheure , d'électricité ou de toute autre forme d'énergie, équivaut à 3,6 kJ.

mégajoule

Le mégajoule est approximativement l'énergie cinétique d'un véhicule d'un mégagramme (tonne) se déplaçant à161 km/h (100 mph). L'énergie nécessaire pour chauffer10 L d'eau liquide à pression constante de 0 °C (32 °F) à 100 °C (212 °F) représentent environ4,2 MJ . Un kilowattheure , d’électricité ou de toute autre forme d’énergie, équivaut à 3,6 MJ.

gigajoule

6 gigajoules correspondent à peu près à l' énergie chimique nécessaire à la combustion d'un baril (159 L) de pétrole . 2 GJ correspondent à peu près à l' unité d'énergie de Planck . Un mégawattheure , d'électricité ou de toute autre forme d'énergie, équivaut à 3,6 GJ.

térajoule

Le térajoule représente environ0,278 GWh (souvent utilisé dans les tableaux énergétiques).63 TJ d'énergie ont été libérés par Little Boy . La Station spatiale internationale , avec une masse d'environ450 mégagrammes et une vitesse orbitale de7700 m/s , a une énergie cinétique d'environ13 TJ . En 2017, l'ouragan Irma aurait produit une puissance éolienne maximale estimée à112 TJ . Un gigawattheure , d'électricité ou de toute autre forme d'énergie, équivaut à 3,6 TJ.

pétajoule

210 pétajoules représentent environ50 mégatonnes de TNT, soit la quantité d'énergie libérée par la Tsar Bomba , la plus grande explosion artificielle jamais réalisée. Un térawattheure , d'électricité ou de toute autre forme d'énergie, équivaut à 3,6 PJ.

exajoule

Le tremblement de terre et le tsunami de Tōhoku de 2011 au Japon ont1,41 EJ d'énergie selon sa cote de 9,0 sur l' échelle de magnitude des moments . La consommation annuelle d'énergie aux États-Unis s'élève à environ94 EJ , et la consommation finale mondiale d'énergie était439 EJ en 2021. Un pétawattheure d’électricité, ou de toute autre forme d’énergie, équivaut à 3,6 EJ.

zettajoule

Le zettajoule est un peu plus que la quantité d'énergie nécessaire pour chauffer la mer Baltique de 1 °C, en supposant des propriétés similaires à celles de l'eau pure . La consommation mondiale annuelle d'énergie humaine est d'environ0,5 ZJ . L'énergie nécessaire pour augmenter la température de l'atmosphère terrestre de 1 °C est d'environ2.2 ZJ .

yottajoule

Le yottajoule est un peu moins que la quantité d'énergie nécessaire pour chauffer l' océan Indien de 1 °C, en supposant des propriétés similaires à celles de l'eau pure. La production thermique du Soleil est d'environ400 YJ par seconde.

1 joule est égal à (environ, sauf indication contraire) :

• 1,0 × 10 ⁸ erg (exactement)
• 6,24151 × 10 ¹⁸ eV
• 9,47817 × 10 ⁻³ BTU
• 0,737562 pi⋅lb (pied-livre)
• 23,7304 pi⋅pdl (pied-livre-al)

Les unités avec des équivalents exacts en joules incluent :

• 1 calorie thermochimique = 4,184 J
• 1 Tableau international des calories = 4,1868 J
• 1 W⋅h = 3 600 J ; 3,6 kJ
• 1 kWh = 3,6 × 10 ⁶ J; 3,6 MJ^
• 1 W⋅s =1 J
• 1 tonne de TNT = 4,184 GJ
• 1 ennemi =10 ⁴⁴ J

En mécanique , le concept de force (dans une certaine direction) a un analogue proche dans le concept de couple (autour d'un certain angle) :

Cette similitude a pour conséquence que l'unité SI du couple est le newton-mètre , qui a algébriquement les mêmes dimensions que le joule, mais ils ne sont pas interchangeables. La Conférence générale des poids et mesures a donné à l'unité d' énergie le nom de joule , mais n'a pas donné de nom spécial à l'unité de couple, c'est donc simplement le newton-mètre (N⋅m) – un nom composé dérivé de ses parties constitutives. L'utilisation du newton-mètre pour le couple et du joule pour l'énergie est utile pour éviter les malentendus et les problèmes de communication.

La distinction peut également être observée dans le fait que l'énergie est une quantité scalaire – le produit scalaire d'un vecteur de force et d'un vecteur de déplacement. En revanche, le couple est un vecteur – le produit vectoriel d'un vecteur de force et d'un vecteur de distance. Le couple et l'énergie sont liés l'un à l'autre par l'équation

où E est l'énergie, τ est (la grandeur vectorielle du) couple et θ est l'angle balayé (en radians ). Puisque les angles plans sont sans dimension, il s'ensuit que le couple et l'énergie ont les mêmes dimensions.

Un watt-seconde (symbole W s ou W⋅s ) est une unité dérivée d' énergie équivalente au joule. Le watt-seconde est l'énergie équivalente à la puissance d'un watt maintenue pendant une seconde . Bien que le watt-seconde soit équivalent au joule dans les deux unités et dans le sens, il existe certains contextes dans lesquels le terme « watt-seconde » est utilisé à la place de « joule », comme dans l'évaluation des flashs électroniques photographiques .