Julio (unidad)

unidad de energía, trabajo y calor del Sistema Internacional de Unidades
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El julio[1]​ o joule[2]​ (pronunciación en inglés: /ˈdʒuːl/; símbolo: J) es la unidad derivada del Sistema Internacional utilizada para medir energía, trabajo y calor.[3]​ Como unidad de trabajo, el julio se define como la cantidad de trabajo realizado por una fuerza constante de un newton en un metro de longitud en la misma dirección de la fuerza.[4]

Julio
Estándar Unidades derivadas del Sistema Internacional
Magnitud Energía, trabajo y calor
Símbolo J
Nombrada en honor de James Prescott Joule
Equivalencias
Unidades básicas del Sistema Internacional 1 J = kg·m2/s2
Sistema CGS 1 J = 107 ergios
Unidades derivadas del SI 1 J = W·s

En esta definición, al ser tan específica, no se consideran tipos de resistencia como el roce del aire.

Su símbolo es J, con mayúscula y sin punto,[5]​ como todos los símbolos de unidades del SI que derivan de nombres de persona.

La unidad julio también se puede definir como:

  • El trabajo necesario para mover una carga de un culombio a través de una tensión (diferencia de potencial) de un voltio. Es decir, un voltio-culombio (V·C). Esta relación se puede utilizar, a su vez, para definir la unidad voltio.[6]
  • El trabajo necesario para producir un vatio de potencia durante un segundo. Es decir, un vatio-segundo (W·s). Esta relación es, además, utilizable para definir el vatio.

También es la energía disipada en forma de calor cuando una corriente eléctrica de un amperio pasa a través de una resistencia de un ohmio durante un segundo.

Puede utilizarse para medir calor, el cual es energía cinética (movimiento en forma de vibraciones) a escala atómica y molecular de un cuerpo.

Toma su nombre en honor del físico inglés James Prescott Joule (1818–1889).[7][8][9][10]

Como todas las unidades del SI que llevan el nombre de una persona, su símbolo comienza con una letra mayúscula (J), pero cuando se escribe completo, sigue las reglas de mayúsculas de un sustantivo común; es decir, "joule" se escribe con mayúsculas al principio de una frase y en los títulos, pero por lo demás va en minúsculas.

Historia editar

El Sistema Cegesimal de Unidades había sido declarado oficial en 1881, en el primer Congreso Internacional de Electricidad. El ergio se adoptó como unidad de energía en 1882. Wilhelm Siemens, en su discurso de toma de posesión como presidente de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia (23 de agosto de 1882) propuso por primera vez el Joule como unidad de calor, que se derivaría de las unidades electromagnéticas amperio y ohmio, en unidades cgs equivalentes a 107 ergios. La denominación de la unidad en honor de James Prescott Joule (1818-1889), en aquel momento jubilado pero aún vivo (63 años), se debe a Siemens:

Una unidad de calor de este tipo, si resulta aceptable, podría llamarse, con gran propiedad, Joule, en honor del hombre que tanto ha contribuido al desarrollo de la teoría dinámica del calor. [11]

En el segundo Congreso Internacional de Electricidad, celebrado el 31 de agosto de 1889, se adoptó oficialmente el joule junto con el vatio y el cuadrante (más tarde rebautizado como henry).[12]​ Joule murió ese mismo año, el 11 de octubre de 1889. En el cuarto congreso (1893), se definieron el "amperio internacional" y el "ohmio internacional", con ligeros cambios en las especificaciones para su medición, siendo el "joule internacional" la unidad derivada de ellos.[13]Actas del Congreso Eléctrico Internacional. Nueva York: Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos. 1894. </ref>.

En 1935, la Comisión Electrotécnica Internacional (como organización sucesora del Congreso Eléctrico Internacional) adoptó el " sistema Giorgi", que al asumir un valor definido para la constante magnética también implicaba una redefinición del joule. El sistema Giorgi fue aprobado por el Comité Internacional de Pesas y Medidas en 1946. El joule ya no se definía basándose en la unidad electromagnética, sino como la unidad de trabajo realizado por una unidad de fuerza (en aquel momento aún no se llamaba newton) en una distancia de 1 metro. El joule se concibió explícitamente como la unidad de energía que se utilizaría tanto en contextos electromagnéticos como mecánicos.[14]​ La ratificación de la definición en la novena Conferencia General de Pesas y Medidas, en 1948, añadió la especificación de que el joule también debía preferirse como unidad de calor en el contexto de la calorimetría, desaprobando así oficialmente el uso de la caloría.[15]​ Esta definición fue la precursora directa del joule tal y como se adoptó en el moderno Sistema Internacional de Unidades en 1960.

La definición del joule como J = kg⋅m2⋅s-2 ha permanecido inalterada desde 1946, pero el joule como unidad derivada ha heredado cambios en las definiciones del segundo (en 1960 y 1967), el metro (en 1983) y el kilogramo (en 2019).

Equivalencias editar

El julio equivale a:

 

Donde N representa newtons; m, metros; kg: kilogramos; s: segundos.

Un julio equivale a
1 N·m (newton·metro)
1 W·s (vatio·segundo)
6,2415 × 1018 eV (electronvoltio)
1 C·V (culombio·voltio)
0,00987 atm·L (atmósfera·litro)
1 Pa·m³ (pascal·metro cúbico)
0,238902957 cal (caloría)
Equivalencias inversas
1 Wh (vatio-hora) = 3600 J
1 kWh (kilovatio-hora) = 3,6·106 J = 3,6 MJ
1 cal (caloría) = 4,187 J
1 kcal (kilocaloría) = 1000 cal = 4187 J
1 tep (tonelada equivalente de petróleo) = 41,84·109 J = 11 622 kilovatios-hora
1 tec (tonelada equivalente de carbón) = 29,3·109 J = 8138,9 kilovatios-hora
1 g de TNT = 4184 J ≈ 1 kcal

Equivalencias prácticas aproximadas editar

Para tener una idea de la magnitud de un julio, existen varios ejemplos en la vida cotidiana que pueden aportar alguna idea de dicha cantidad de energía. Un julio es, aproximadamente, la:[16]

  • Energía necesaria para lanzar una manzana pequeña un metro hacia arriba.
  • Energía liberada cuando una manzana pequeña cae un metro hacia el suelo.
  • Energía liberada por una persona en reposo en una centésima de segundo.
  • Energía cinética (movimiento) de una bola de tenis de 56 gramos a 22 km/h o 6 m/s.
  • Energía cinética de un humano adulto que se mueve a una velocidad de alrededor de 20 cm/s.
  • Energía necesaria para elevar 0,24 °C la temperatura de un gramo de agua.[17]

La energía mínima necesaria para cambiar un bit de datos en computación a temperatura ambiente - aproximadamente

Múltiplos del SI editar

A continuación se presenta una tabla de los múltiplos y submúltiplos del Sistema Internacional de Unidades.


Múltiplos del Sistema Internacional para julio (J)
Submúltiplos Múltiplos
Valor Símbolo Nombre Valor Símbolo Nombre
10−1 J dJ decijulio 101 J daJ decajulio
10−2 J cJ centijulio 102 J hJ hectojulio
10−3 J mJ milijulio 103 J kJ kilojulio
10−6 J µJ microjulio 106 J MJ megajulio
10−9 J nJ nanojulio 109 J GJ gigajulio
10−12 J pJ picojulio 1012 J TJ terajulio
10−15 J fJ femtojulio 1015 J PJ petajulio
10−18 J aJ attojulio 1018 J EJ exajulio
10−21 J zJ zeptojulio 1021 J ZJ zettajulio
10−24 J yJ yoctojulio 1024 J YJ yottajulio
10−27 J rJ rontojulio 1027 J RJ ronnajulio
10−30 J qJ quectojulio 1030 J QJ quettajulio
Los prefijos más comunes de la unidad están en negritas.
Esta unidad del Sistema Internacional es nombrada así en honor a James Prescott Joule. En las unidades del SI cuyo nombre proviene del nombre propio de una persona, la primera letra del símbolo se escribe con mayúscula (J), en tanto que su nombre siempre empieza con una letra minúscula (julio o joule), salvo en el caso de que inicie una frase o un título.
Basado en The International System of Units, sección 5.2.

Newton-metro y par editar

En mecánica, el concepto de fuerza (en alguna dirección) tiene un análogo cercano en el concepto de par (sobre algún ángulo):

Lineal Angular
Fuerza Par
Masa Momento de inercia
Desplazamiento Ángulo

Como resultado de esta similitud, la unidad del SI para el par es el newton metro, que según el algebraico tiene las mismas [[análisis dimensional]|dimensiones]] que el joule, pero no son intercambiables. La Conferencia General de Pesas y Medidas ha dado a la unidad de energía el nombre de joule, pero no ha dado a la unidad de par ningún nombre especial, por lo que es simplemente el newton-metro (N⋅m) - un nombre compuesto derivado de sus partes constituyentes. El uso de newton-metros para el par pero joules para la energía es útil para evitar malentendidos y falta de comunicación.

La distinción puede verse también en el hecho de que la energía es una cantidad escalar - el producto escalar de un vector vector de fuerza y un vector de desplazamiento. Por el contrario, el par es un vector - el producto cruzado de un vector fuerza y un vector distancia. El par y la energía están relacionados entre sí por la ecuación

 

donde E es la energía, τ es (la magnitud vectorial del) par, y θ es el ángulo barrido (en radianes). Dado que los ángulos planos son adimensionales, se deduce que el par y la energía tienen las mismas dimensiones.

Vatio segundo editar

Un vatio-segundo (símbolo W s o W⋅s) es una unidad derivada de energía equivalente al julio.[18]​ El vatio-segundo es la energía equivalente a la potencia de un vatio sostenido durante un segundo. Aunque el vatio-segundo es equivalente al joule tanto en unidades como en significado, hay algunos contextos en los que se utiliza el término "vatio-segundo" en lugar de "joule", como en la clasificación de los flashes electrónicos fotográficos. [19]

Orden de magnitud editar

El julio es una unidad de energía muy pequeña para la vida corriente. Aproximadamente, un julio es la cantidad de energía necesaria para levantar 0,1 kg una altura de 1 metro en la superficie terrestre.[20]​ Una patada de un deportista puede tener una energía de unos 200 J; una bombilla (de cualquier tipo) de 20 W encendida durante 8 horas gasta unos 600 000 J; y el consumo eléctrico de una familia media durante un mes puede ser de 1 000 000 000 J (unos 278 kWh).

Véase también editar

Referencias editar

  1. Real Academia Española. «julio». Diccionario de la lengua española (23.ª edición). Consultado el 21 de marzo de 2015. 
  2. Real Academia Española. «joule». Diccionario de la lengua española (23.ª edición). Consultado el 21 de marzo de 2015. 
  3. International Bureau of Weights and Measures (2006), The International System of Units (SI) (8th edición), p. 120, ISBN 92-822-2213-6, archivado desde el original el 4 de junio de 2021, consultado el 16 de diciembre de 2021 .
  4. Lévy, Elie (7 de octubre de 1992). Diccionario Akal de Física. Ediciones AKAL. ISBN 978-84-460-0144-7. Consultado el 25 de noviembre de 2019. 
  5. En el Diccionario de la Lengua Española dice «(símbolo J)», aclarando que este se usa en mayúscula y sin punto.
  6. Donate, Antonio Hermosa (2011-09). Electrónica Aplicada. Marcombo. ISBN 978-84-267-1736-8. Consultado el 25 de noviembre de 2019. 
  7. «joule | Definition & Formula». Encyclopedia Britannica (en inglés). Consultado el 11 de agosto de 2019. 
  8. American Heritage Dictionary of the English Language, Online Edition (2009). Houghton Mifflin Co., hosted by Yahoo! Education.
  9. The American Heritage Dictionary, Second College Edition (1985). Boston: Houghton Mifflin Co., p. 691.
  10. McGraw-Hill Dictionary of Physics, Fifth Edition (1997). McGraw-Hill, Inc., p. 224.
  11. Siemens, Cal Wilhelm (Agosto 1882). «Informe de la 52ª Reunión de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia». Southhampton. pp. 1-33. «La unidad de calor se ha tomado hasta ahora de diversas maneras como el calor necesario para elevar una libra de agua en el punto de congelación a 1° Fahrenheit o Centígrado, o, de nuevo, el calor necesario para elevar un kilogramo de agua 1° Centígrado. La inconveniencia de una unidad tan arbitraria es lo suficientemente evidente como para justificar la introducción de una basada en el sistema electromagnético, a saber, el calor generado en un segundo por la corriente de un Ampère que fluye a través de la resistencia de un Ohm. En medida absoluta, su valor es de 107 unidades C.G.S., y, suponiendo que el equivalente de Joule sea 42.000.000, es el calor necesario para elevar 0 238 gramos de agua 1° Centígrados, o, aproximadamente, la 11000ésima parte de la unidad arbitraria de una libra de agua elevada 1° Fahrenheit y la 14000ésima parte del kilogramo de agua elevado 1° Centígrados. Tal unidad de calor, si se encuentra aceptable, podría con gran propiedad, creo, ser llamado el Joule, después de que el hombre que ha hecho tanto para desarrollar la teoría dinámica del calor. » 
  12. Pat Naughtin: A chronological history of the modern metric system, metricationmatters.com, 2009.
  13. Actas del Congreso Eléctrico Internacional. Nueva York: Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos. 1894. 
  14. CIPM, 1946, Resolución 2, Definiciones de unidades eléctricas. bipm.org.
  15. 9th CGPM, Resolution 3: Triple point of water; thermodynamic scale with a single fixed point; unit of quantity of heat (joule)., bipm.org.
  16. Ristinen, Robert A., and Jack J. Kraushaar. Energy and the Environment. 2nd ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc., 2006.
  17. PASTOR, ANDREA; ESCOBAR, DIONISIO; MAYORAL, ESTHER; RUIZ, FRANCISCO (2015). Ciencias aplicadas II. Ediciones Paraninfo, S.A. ISBN 978-84-283-3741-0. Consultado el 25 de noviembre de 2019. 
  18. . pp. 39-40, 53.  Falta el |título= (ayuda)
  19. «¿Qué es un vatio-segundo?». 
  20. Lectura de prensa y desarrollo de la competencia lectora. Proyecto Mediascopio Prensa. La lectura de la prensa escrita en el aula. Ministerio de Educación. 2009. ISBN 978-84-369-4752-6. Consultado el 25 de noviembre de 2019. 

Enlaces externos editar

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