ジュール
ジュール(英: joule、記号:J)は、エネルギー、仕事、熱量、電力量の単位である。ジェームズ・プレスコット・ジュールに因む。
ジュール joule | |
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記号 | J |
系 | 国際単位系 (SI) |
種類 | 組立単位 |
量 | エネルギー・仕事・熱量・電力量 |
組立 | kg·m2· s−2, N· m |
定義 | 1ニュートンの力がその力の方向に物体を1メートル動かすときの仕事[1] |
語源 | ジェームズ・プレスコット・ジュール |
1 ジュールは標準重力の下で 102.0 グラム(ほぼキウイフルーツまたはマンガン乾電池の質量)の物体を 1 メートル持ち上げる時の仕事に相当する(ニュートン (単位)#リンゴによる力の表現を参照)。
定義
国際単位系 (SI) 及び日本の計量法におけるジュール J の定義は以下の通り。
ジュールはSI組立単位であり、 N⋅m 又はSI基本単位を用いて kg⋅m2⋅s−2 と表記される[4]。
ジュールと形式的には同じ単位を力のモーメント[5](これはエネルギーではない)にも用いることができるが、仕事やエネルギーの単位として「ニュートンメートル」を使用すると混乱を招くおそれがあるため注意が必要である[6]。
1 ジュールは、1 ボルト (V) の電圧の中で 1 クーロン (C) の電荷を動かすのに必要な仕事とも定義できる[7]。
- J = C⋅V
1 秒間に 1 ジュールの仕事が行われるときの仕事率が 1 ワット (W) であり、ワット W はジュール J と秒 s から定義される。
- W = J/s
日本の計量法は、仕事・熱量・電力量の単位として、ジュールとともにワット秒(ジュールと等しい)、ワット時 (= 3600 J) の使用を認めている[8]。
電力量の単位として、1 キロワット (= 1000 J/s) の電力を 1 時間 (= 3600 s) 消費したときの電力量である 1 キロワット時 (= 1 kJ/s × 3600 s = 3.6 MJ) がよく用いられる。
他の単位への換算
1 ジュールは次のように換算される。
- 1 N·m(ニュートン・メートル)
- 1 C·V(クーロン・ボルト)
- 1 W·s(ワット秒)
- 2.777777...×10−7 kW⋅h(キロワット時)
- 約 0.2390 cal(カロリー)
- 約 0.000948 Btu(英国熱量単位)
- 107 erg(エルグ)
- 約 0.101972 kgf·m(重量キログラムメートル)
- 約 0.738 ft·lbf(フィート重量ポンド)
- 約 23.7 ft·pdl(フィート・パウンダル)
- 1 J/e = 約 6.241509074×1018 eV(電子ボルト)
- 1 J/c2 = 約 1.11265006×10−17 kg(キログラム) – エネルギーの質量換算。特殊相対性理論参照。
ここで g0 = 9.80665 m/s2 は標準重力加速度、e = 1.602176634×10−19 Cは電気素量であり、c = 299792458 m/s は真空中の光速である。またカロリーは 1 cal = 4.184 J とする計量単位令の定義を用いた[9][注釈 1]。
倍量・分量単位
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キロジュール
キロジュール(記号:kJ)は、ジュールの 103 = 1000 倍である。
- 1 kJ の仕事は、仕事率 1 kWの装置が 1 秒間にする仕事である。
- 1 kJ の熱量で、0 °Cの水(固体)を 3 g 溶かすことができる。
- 1 kJ の熱量で、0 °C、5 g の水(液体)の温度を 50 °C 上げることができる[注釈 2]。
- 地球上で 100 kg の物体を 1 m(または 1 kg の物体を 100 m)鉛直方向に持ち上げたときに生じる仕事は 100 kgw·m、約 1 kJ である。
- 1 kJ は、10/36 W·h(約 0.28 W·h)に等しい。
メガジュール
メガジュール(記号:MJ)は、ジュールの 106 = 1000000 倍である。
- 1 MJ の仕事は、仕事率 1 kW で動作する装置が 1000 s(16 分 40 秒間)にする仕事である。
- 1 MJ の熱量で、0 °C の氷を 3 kg 溶かすことができる。
- 1 MJ は、10/36 kW·h(約 0.28 kW·h)に等しい。
ペタジュール
ペタジュール(記号:PJ)は、ジュールの1015 = 一千兆倍である。エネルギー統計でよく使われる単位で、原油25,800kLの熱量に相当する[10]。
歴史
CGS単位系におけるエネルギーの単位として、1882年にエルグ(erg)が導入された。同年8月、イギリス科学振興協会の会長に就任したカール・ウィルヘルム・シーメンスは、その就任演説にて、熱量の単位として「ジュール」の導入を初めて提唱した。シーメンスが提唱したジュールは、「1オームの電気抵抗に1アンペアの電流を1秒間流した時に発生する熱量」というもので、107エルグに等しいとされた。ジュールという単位名称もシーメンスがこのとき提唱したものだが、名祖のジェームズ・プレスコット・ジュールは、当時引退はしていたが存命だった。
このような熱量の単位がもし許容されるなら、それは熱力学の発展に貢献した彼の名を取ってジュールと呼ぶべきだろうと思う[注釈 3]。
1889年8月31日の第2回国際電気会議にて、電力の単位ワット(watt)、インダクタンスの単位クワドラント(quadrant)(後にヘンリー(henry)に改称)とともにジュールが正式に採用された[11]。名祖のジュールは同年10月11日に亡くなった。1893年の第4回国際電気会議において、従来と現示方法が異なる「国際アンペア」と「国際オーム」が定義され、ジュールも、これらから組み立てられる「国際ジュール」となった[12]。
1935年、国際電気標準会議(国際電気会議の後継)においてジョヴァンニ・ジョルジが提唱したジョルジ単位系が採用され、ジュールは磁気定数に基づいて再定義された。ジョルジ単位系は1946年に国際度量衡委員会で承認され、現行の国際単位系(SI)の元となるMKSA単位系となったが、この際に国際度量衡委員会はジュールを「1メートルの距離で1単位の力[注釈 4]が行う仕事の単位」と定義した[13]。1948年の第9回国際度量衡総会でこの定義が採択された。またこの際に、熱量の単位としてもジュールを使用するものとし、それまで熱量の単位とされていたカロリーが正式に廃止された[14]。
脚注
注釈
出典
関連項目
ジュール (J = kg·m2/s2) | キロワット時 (kW·h) | 電子ボルト (eV) | 重量キログラムメートル (kgf·m) | 国際蒸気表カロリー (calIT) | |
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1 J | = 1 | ≈ 2.778×10−7 | ≈ 6.242×1018 | ≈ 1.020×10−1 | ≈ 2.388×10−1 |
1 kW·h | = 3.6×106 | = 1 | ≈ 2.247×1025 | ≈ 3.671×105 | ≈ 8.598×105 |
1 eV | = 1.602176634×10−19 | ≈ 4.450×10−26 | = 1 | ≈ 1.634×10−20 | ≈ 3.827×10−20 |
1 kgf·m | = 9.80665 | ≈ 2.724×10−6 | ≈ 6.121×1019 | = 1 | ≈ 2.342 |
1 calIT | = 4.1868 | ≈ 1.163×10−6 | ≈ 2.613×1019 | ≈ 4.269×10−1 | = 1 |
参考文献
- 独立行政法人産業技術総合研究所 計量標準総合センター『国際文書 国際単位系 (SI)』(PDF)(第 8 版日本語版)、2006年 。
- “計量単位令(平成四年十一月十八日政令第三百五十七号)”. e-Gov. 2020年1月10日閲覧。