جول

الجول ( يُلفظ / dʒuːl / JOOL أو / dʒaʊl / JOWL ؛ رمزه: J ) هو وحدة الطاقة في النظام الدولي للوحدات (SI). [ ^{1 ]} وبالنسبة لوحدات النظام الدولي الأساسية ، يُعادل الجول الواحد كيلوغرامًا واحدًا في ^المتر المربع في الثانية المربعة (1 J ⁼ 1 kg⋅m²⋅s⁻² ⁾ . ويُساوي الجول الواحد مقدار الشغل المبذول عندما تُزيح قوة مقدارها نيوتن واحد جسمًا مسافة متر واحد في اتجاه تلك القوة. كما أنه يُساوي الطاقة المُبددة على شكل حرارة عندما يمر تيار كهربائي شدته أمبير واحد عبر مقاومة مقدارها أوم واحد لمدة ثانية واحدة. وقد سُميت هذه الوحدة نسبةً إلى الفيزيائي الإنجليزي جيمس بريسكوت جول (1818-1889). ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

وفقًا للمكتب الدولي للأوزان والمقاييس، يُعرَّف الجول بأنه "الشغل المبذول عندما تتحرك نقطة تطبيق وحدة قوة مقدارها 1 ميجا نيوتن مسافة 1 متر في اتجاه القوة". ^{[ 5 ]}

من حيث وحدات النظام الدولي الأساسية ومن حيث وحدات النظام الدولي المشتقة ذات الأسماء الخاصة ، يتم تعريف الجول على النحو التالي ^{[ 6 ].}

الجول الواحد يعادل أيضًا أيًا مما يلي: ^{[ 7 ]}

• الشغل اللازم لنقل شحنة كهربائية مقدارها كولوم واحد عبر فرق جهد كهربائي مقداره فولت واحد، أو كولوم-فولت واحد (C⋅V). ويمكن استخدام هذه العلاقة لتعريف الفولت.
• الشغل اللازم لإنتاج واط واحد من الطاقة لمدة ثانية واحدة، أو واط-ثانية (W⋅s) (قارن بالكيلوواط-ساعة ، الذي يساوي 3.6 ميغا جول). يمكن استخدام هذه العلاقة لتعريف الواط.

سُميت وحدة الجول نسبةً إلى جيمس بريسكوت جول . وكما هو الحال مع كل وحدة من وحدات النظام الدولي للوحدات (SI) التي سُميت نسبةً إلى شخص، يبدأ رمزها بحرف كبير (J)، ولكن عند كتابتها كاملةً، فإنها تتبع قواعد كتابة الأحرف الكبيرة للأسماء الشائعة ؛ أي أن كلمة "جول" تُكتب بحرف كبير في بداية الجملة وفي العناوين، ولكنها تُكتب بحرف صغير فيما عدا ذلك. ^{[ 8 ]}

في اجتماع الجمعية العلمية البريطانية عام 1882، اقترح رئيس مجلس الإدارة سيمنز (يسار) تسمية الوحدة باسم جيمس بريسكوت جول (يمين).

أُعلن نظام الوحدات السنتيمترية-الجرامية-الثانية (CGS) رسميًا في عام 1881، في المؤتمر الدولي الأول للكهرباء . واعتُمد الإرج (erg) كوحدة للطاقة فيه عام 1882. وفي خطاب تنصيبه رئيسًا للجمعية البريطانية لتقدم العلوم (23 أغسطس 1882)، اقترح فيلهلم سيمنز لأول مرة الجول كوحدة للحرارة ، مشتقة من وحدتي الأمبير والأوم الكهرومغناطيسيتين، في وحدات السنتيمترية - الجرامية-الثانية المكافئة لـ10 ⁷  erg . جاء تسمية الوحدة تكريماً لجيمس بريسكوت جول (1818-1889)، الذي كان متقاعداً آنذاك ويبلغ من العمر 63 عاماً، بناءً على توصية شركة سيمنز:

إذا ثبتت مقبولية وحدة الحرارة هذه، فأعتقد أنه من المناسب جداً تسميتها بالجول، نسبةً إلى الرجل الذي بذل الكثير لتطوير النظرية الديناميكية للحرارة. ^{[ 9 ]}

في المؤتمر الدولي الثاني للكهرباء، المنعقد في 31 أغسطس 1889، تم اعتماد الجول رسميًا إلى جانب الواط والربع (الذي سُمي لاحقًا هنري ). ^{[ 10 ]} توفي الجول في العام نفسه، في 11 أكتوبر 1889. وفي المؤتمر الرابع (1893)، تم تعريف "الأمبير الدولي" و"الأوم الدولي"، مع تغييرات طفيفة في مواصفات قياسهما، حيث أصبح "الجول الدولي" الوحدة المشتقة منهما. ^{[ 11 ]}

في عام 1935، اعتمدت اللجنة الكهروتقنية الدولية (التي خلفت المؤتمر الكهربائي الدولي) " نظام جيورجي "، الذي تضمن، بافتراضه قيمة محددة للثابت المغناطيسي ، إعادة تعريف الجول. وقد أقرت اللجنة الدولية للأوزان والمقاييس نظام جيورجي في عام 1946. ولم يعد الجول يُعرَّف بناءً على الوحدة الكهرومغناطيسية، بل كوحدة الشغل المبذول بواسطة وحدة قوة واحدة (لم تكن تُسمى نيوتن آنذاك ) على مسافة متر واحد . وكان الجول مُصمماً صراحةً ليكون وحدة الطاقة المستخدمة في كلٍّ من السياقات الكهرومغناطيسية والميكانيكية. ^{[ 12 ]} وقد أضاف التصديق على هذا التعريف في المؤتمر العام التاسع للأوزان والمقاييس ، عام 1948، شرطاً يقضي بتفضيل الجول كوحدة للحرارة في سياق قياس السعرات الحرارية ، وبذلك تم التخلي رسمياً عن استخدام السعرة الحرارية . ^{[ 13 ]} هذا هو التعريف المعلن في النظام الدولي الحديث للوحدات في عام 1960. ^{[ 14 ]}

ظل تعريف الجول على أنه J  =  kg⋅m ² ⋅s ⁻² دون تغيير منذ عام 1946، ولكن الجول كوحدة مشتقة ورث تغييرات في تعريفات الثانية ( في عامي 1960 و1967)، والمتر ( في عام 1983)، والكيلوغرام ( في عام 2019 ). ^{[ 15 ]}

يمثل الجول الواحد (تقريبًا):

• الطاقة النموذجية المنبعثة على شكل حرارة من شخص في حالة سكون كل 1/60 من الثانية (~16.6667 مللي ثانية  ، معدل الأيض الأساسي )؛ حوالي 5000 كيلوجول (1200 كيلو كالوري ) / يوم.  
• كمية الكهرباء اللازمة لتشغيلجهاز بقوة 1 واط  لـثانية واحدة  .
• الطاقة اللازمة لتسريعكتلة 1 كجم  عند1 م/ث² ^عبر  مسافة1 متر  .
• الطاقة الحركية لـ كتلة 2 كجم تتحرك بسرعة1 م/ث  ، أو أكتلة مقدارها 1 كجم  تتحرك بسرعة1.41 م/  ث
• الطاقة اللازمة لرفع تفاحة مسافة متر واحد، بافتراض أن كتلة التفاحة تبلغ 101.97 غرام.
• الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 0.239  غرام من الماء من 0  درجة مئوية إلى 1  درجة مئوية. ^{[ 16 ]}
• الطاقة الحركية لـإنسان وزنه 50  كجم يتحرك ببطء شديد ( 0.2 م/ث أو 0.72 كم/س ).  
• الطاقة الحركية لـ كرة تنس وزنها 56 غرام تتحرك بسرعة 6 م/ث (22 كم/س) . ^{[ 17 ]}  
• الطاقة الغذائية (كيلو كالوري) في أكثر بقليل من نصف بلورة سكر عادية الحجم (0.102 ملغ  /بلورة).

زيبتوجول

160 زيبتوجول تساوي حوالي 1 إلكترون فولت .  

الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لتغيير جزء صغير من البيانات في الحساب عند درجة حرارة الغرفة تقريبًا -2.75  zJ – تعطى بواسطة حد Landauer .

نانو جول

 تبلغ طاقة الحركة لبعوضة طائرة حوالي 160 نانو جول . ^{[ 18 ]}

ميكرو جول

ينتج مصادم الهادرونات الكبير ( LHC) تصادمات من رتبة الميكرو جول (7 تيرا إلكترون فولت) لكل جسيم.

كيلوجول

تُعبّر ملصقات الأغذية الغذائية في معظم البلدان عن الطاقة بالكيلوجول (kJ). ^{[ 19 ]}

يستقبل المتر المربع الواحد من الأرض حوالي1.4  كيلوجول من الإشعاع الشمسي كل ثانية في وضح النهار. ^{[ 20 ]} يمتلك الإنسان أثناء العدو السريع ما يقارب 3  كيلوجول من الطاقة الحركية، ^{[ 21 ]} بينما يمتلك الفهد فيتبلغ طاقة الركض بسرعة 122 كم/ساعة  (76  ميل/ساعة) حوالي 20  كيلوجول. ^{[ 22 ]} تبلغ طاقة الواط ساعة واحدة ، من الكهرباء أو أي شكل آخر من أشكال الطاقة، 3.6 كيلوجول .  

ميغا جول

الميغا جول هي تقريبًا الطاقة الحركية لمركبة وزنها ميغاغرام واحد (طن) تتحرك بسرعة 44.7 متر في الثانية (161 كم/ساعة؛ 100 ميل في الساعة) .  

الطاقة اللازمة للتدفئة10  لترات من الماء السائل عند ضغط ثابت من 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت) إلى 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت) تساوي تقريبًا    4.2 ميغا جول  .

الكيلوواط ساعة الواحدة ، من الكهرباء أو أي شكل آخر من أشكال الطاقة، تساوي 3.6 ميغا جول .  

جيجا جول

 تُعادل 6 جيجا جول الطاقة الكيميائية اللازمة لاحتراق برميل واحد (159 لترًا) من البترول . ^{[ 23 ]} أما 2 جيجا جول فتُعادل وحدة طاقة بلانك . وتُعادل ميغاواط ساعة واحدة ، سواءً من الكهرباء أو أي شكل آخر من أشكال الطاقة، 3.6 جيجا جول .    

تيراجول

التيراجول هو حوالي0.278 جيجاواط ساعة  (وهو رقم يُستخدم غالبًا في جداول الطاقة). حول أطلق ليتل بوي طاقة مقدارها 63 تيرا جول . ^{[ 24 ]} تبلغ كتلة محطة الفضاء الدولية حوالي450 ميغاغرام  وسرعة مدارية لـ تبلغ سرعته 7700 م/ث ، ^{[ 25 ]} وطاقته الحركية تقريبًا13  تيراجول . في عام 2017، قُدِّرت ذروة طاقة الرياح لإعصار إيرما بـ112  تيرا جول . ^{[ 26 ] [ 27 ]} جيجاوات ساعة واحدة ، من الكهرباء أو أي شكل آخر من أشكال الطاقة، هي 3.6 تيرا جول .  

بيتاجول

210  بيتاجول تساوي حواليخمسون ميغاطن  من مادة تي إن تي، وهي كمية الطاقة المنبعثة من قنبلة القيصر ، أكبر انفجار من صنع الإنسان على الإطلاق. يبلغ تيراواط ساعة واحد ، من الكهرباء أو أي شكل آخر من أشكال الطاقة، 3.6 بيتاجول .  

إكساجول

كان زلزال وتسونامي توهوكو في اليابان عام 2011يستهلك 1.41  إكساجول من الطاقة وفقًا لتصنيفه البالغ 9.0 على مقياس العزم الزلزالي . ويبلغ استهلاك الولايات المتحدة السنوي من الطاقة ما يقارب94  إكساجول ، وكان إجمالي استهلاك الطاقة العالمي النهائي 94 إكساجول.439  EJ في عام 2021. ^{[ 28 ]} بيتاواط ساعة واحدة من الكهرباء، أو أي شكل آخر من أشكال الطاقة، تساوي 3.6 EJ . 

زيتاجول

تُعادل وحدة الزيتاجول ما يزيد قليلاً عن كمية الطاقة اللازمة لتسخين بحر البلطيق بمقدار  درجة مئوية واحدة، بافتراض خصائص مماثلة لخصائص الماء النقي . ^{[ 29 ]} يبلغ استهلاك الطاقة العالمي السنوي للبشرية حوالي0.5  زج . الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة الغلاف الجوي للأرض  درجة مئوية واحدة تقريبًا2.2  ZJ .

يوتاجول

اليوتاجول وحدة طاقة أقل بقليل من كمية الطاقة اللازمة لتسخين المحيط الهندي بمقدار  درجة مئوية واحدة، بافتراض خصائص مشابهة لخصائص الماء النقي. ^{[ 29 ]} يبلغ الناتج الحراري للشمس حوالي 400 يوتاجول في الثانية (400 يوتاجول) . ^{[ 30 ]} 

الجول الواحد يساوي (تقريبًا ما لم يُذكر خلاف ذلك):

• 1.0 × 10 ⁷ إرج (بالضبط) 
• 6.24151 × 10 ¹⁸ إلكترون فولت 
• 9.47817 × 10 ⁻⁴ وحدة حرارية بريطانية 
• 0.737562 قدم -رطل 
• 23.7304 قدم -باوند 

تشمل الوحدات ذات المكافئات الدقيقة بالجول ما يلي:

• 1 سعر حراري كيميائي = 4.184  جول ^{[ 31 ]}
• 1 سعر حراري في الجدول الدولي = 4.1868  جول ^{[ 32 ]}
• 1  واط ساعة = 3600 جول؛ 3.6 كيلو جول  
• 1  كيلوواط ساعة = 3.6 × 10 ^ ⁶ جول؛ 3.6 ميجا جول  
• 1  واط/ثانية =1  J
• طن واحد من مادة تي إن تي = 4.184 جيجا جول  
• عدو واحد = 10 ⁴⁴  J ^{[ 33 ]}
• 1 كيلوبوند متر = 9.80665 جول

في علم الميكانيكا ، يوجد مفهوم القوة (في اتجاه معين) له نظير وثيق في مفهوم عزم الدوران (حول زاوية معينة): ^{[ 34 ] [ 35 ]}

نتيجةً لهذا التشابه، فإن وحدة عزم الدوران في النظام الدولي للوحدات هي نيوتن-متر ، والتي تُحسب جبريًا لتكون لها نفس أبعاد الجول، لكنهما ليستا قابلتين للتبادل. وقد أطلق المؤتمر العام للأوزان والمقاييس اسم الجول على وحدة الطاقة ، لكنه لم يُطلق اسمًا خاصًا على وحدة عزم الدوران، ولذلك فهي ببساطة نيوتن-متر (N⋅m) - وهو اسم مُركب مُشتق من مكوناتها. ^{[ 36 ]} إن استخدام نيوتن-متر لعزم الدوران والجول للطاقة يُساعد على تجنب سوء الفهم وسوء التواصل. ^{[ 36 ]}

يمكن ملاحظة الفرق أيضًا في كون الطاقة كمية قياسية - وهي حاصل الضرب القياسي لمتجه القوة ومتجه الإزاحة. في المقابل، العزم كمية متجهة - وهي حاصل الضرب الاتجاهي لمتجه القوة ومتجه المسافة. ويرتبط العزم والطاقة ببعضهما البعض بالمعادلة التالية:$${\displaystyle E=\tau \theta \,,}$$

حيث E هي الطاقة، وτ هو ( مقدار متجه ) العزم، و θ هي الزاوية المقطوعة ( بالراديان ). وبما أن الزوايا المستوية لا أبعاد لها، فإن العزم والطاقة لهما نفس الأبعاد.

الواط -ثانية (رمزها W  s أو W⋅s ) هي وحدة مشتقة للطاقة تُعادل الجول. ^{[ 37} ] الواط-ثانية هي الطاقة المكافئة لقدرة واط واحد مُستمرة لمدة ثانية واحدة. مع أن الواط-ثانية تُعادل الجول في كلٍ ^من الوحدات والمعنى، إلا أن هناك بعض السياقات التي يُستخدم فيها مصطلح "الواط-ثانية" بدلاً من "الجول"، كما هو الحال في تصنيف وحدات الفلاش الإلكترونية للتصوير الفوتوغرافي . ^{[ 38 ]}

• تعريف كلمة جول في قاموس ويكشنري