Joule

Origem do nome e adoção

No primeiro Congresso Internacional de Eletricidade, realizado em 1881, o sistema CGS foi declarado oficial. O erg foi adotado como sua unidade de energia em 1882. Wilhelm Siemens, em seu discurso de posse como presidente da Associação Britânica para o Avanço da Ciência, em 23 de agosto de 1882, propôs pela primeira vez o joule como unidade de calor, derivada das unidades eletromagnéticas ampere e ohm, com valor equivalente a 10⁷ erg no sistema CGS. A escolha do nome em homenagem a James Prescott Joule, então aposentado e com 63 anos, seguiu a proposta de Siemens:

"A unidade de calor tem sido tomada até agora de diferentes maneiras, como o calor necessário para elevar uma libra de água no ponto de congelamento em 1° Fahrenheit ou Centígrado, ou ainda o calor necessário para elevar um quilograma de água em 1° Centígrado. A inconveniência de uma unidade tão inteiramente arbitrária é suficientemente evidente para justificar a introdução de uma baseada no sistema eletromagnético, isto é, o calor gerado em um segundo pela corrente de um ampere atravessando a resistência de um ohm. Em medida absoluta, seu valor é 10⁷ unidades CGS e, tomando o equivalente de Joule como 42.000.000, corresponde ao calor necessário para elevar 0,238 grama de água em 1° Centígrado, ou aproximadamente à milésima parte da unidade arbitrária de uma libra de água elevada em 1° Fahrenheit e à quatro milésima parte da de um quilograma de água elevada em 1° Centígrado. Uma unidade de calor desse tipo, se considerada aceitável, poderia, com grande propriedade, creio eu, ser chamada de Joule, em homenagem ao homem que tanto fez para desenvolver a teoria dinâmica do calor."

No segundo Congresso Internacional de Eletricidade, em 31 de agosto de 1889, o joule foi adotado oficialmente junto com o watt e o quadrante, mais tarde chamado de henry. Joule morreu no mesmo ano, em 11 de outubro de 1889.

Do sistema CGS ao SI

No quarto congresso, realizado em Chicago em 1893, foram definidos o "ampere internacional" e o "ohm internacional", com pequenas alterações nas especificações usadas para medi-los. O "joule internacional" era a unidade derivada dessas duas unidades. As definições do ampere internacional e do ohm internacional foram confirmadas pela Conferência Internacional sobre Unidades e Padrões Elétricos, reunida em Londres em 1908.

Na quinta Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM), em 1913, foi apresentada uma proposta de sistema baseado no metro, quilograma e segundo. A unidade coerente de trabalho desse sistema, kg⋅m²⋅s⁻², coincidia com o joule usado pelos eletricistas, enquanto a unidade coerente de potência, kg⋅m²⋅s⁻³, coincidia com o watt. A proposta permitia definir joule e watt diretamente a partir das unidades mecânicas do sistema MKS.

Em 1935, a Comissão Eletrotécnica Internacional adotou o sistema proposto por Giovanni Giorgi, que, ao assumir um valor definido para a constante magnética, também implicava uma redefinição do joule. O sistema Giorgi foi aprovado pelo Comitê Internacional de Pesos e Medidas em 1946. O joule deixou de ser definido com base nas unidades eletromagnéticas e passou a ser a unidade de trabalho realizado por uma unidade de força, que ainda não tinha recebido oficialmente o nome de newton, ao longo da distância de 1 metro. O joule destinava-se explicitamente ao uso como unidade de energia em contextos mecânicos e eletromagnéticos. A substituição das antigas unidades elétricas internacionais pelas unidades absolutas entrou em vigor em 1 de janeiro de 1948.

A nona CGPM, em 1948, ratificou a definição e recomendou que o joule também fosse preferido como unidade de calor em calorimetria, em lugar da caloria. O Sistema Internacional de Unidades estabelecido em 1960 manteve essa definição.

SI desde 2019

A expressão do joule como J = kg⋅m²⋅s⁻² não mudou desde 1946, mas a maneira de definir as unidades que a compõem foi sendo alterada. O segundo passou por novas definições em 1960 e 1967, o metro foi redefinido em 1983 e o quilograma recebeu sua definição atual na revisão do SI que entrou em vigor em 20 de maio de 2019.

Desde 2019, todas as unidades do SI podem ser obtidas a partir de sete constantes definidoras cujos valores numéricos são fixados exatamente. Entre elas está a constante de Planck, com ${\displaystyle h=6{,}626\,070\,15\times 10^{-34}\ \mathrm {J\,s} }$, e a carga elementar, com ${\displaystyle e=1{,}602\,176\,634\times 10^{-19}\ \mathrm {C} }$. A mudança retirou do quilograma a dependência do antigo protótipo material e também alterou a base metrológica das unidades derivadas que contêm o quilograma, entre elas o joule. A relação J = kg⋅m²⋅s⁻² permaneceu a mesma.

Na metrologia elétrica de alta precisão, padrões baseados no efeito Josephson e no efeito Hall quântico permitem realizar o volt e o ohm a partir da constante de Planck e da carga elementar. Com os valores dessas constantes fixados no SI, esses padrões passaram a realizar diretamente as unidades do sistema.

Exemplos práticos

Um joule corresponde, aproximadamente, a:

• a energia típica liberada como calor por uma pessoa em repouso a cada 1/60 de segundo, cerca de 16,6667 ms, considerando o metabolismo basal. Isso corresponde a cerca de 5.021 kJ por dia;
• a quantidade de energia necessária para manter um dispositivo de 1 W em funcionamento por 1 s;
• a energia necessária para acelerar uma massa de 1 kg a 1 m/s² ao longo de uma distância de 1 m;
• a energia cinética de uma massa de 2 kg a 1 m/s, ou de uma massa de 1 kg a 1,41 m/s;
• a energia necessária para elevar uma maçã de 101,97 g por 1 m;
• o calor necessário para elevar a temperatura de 0,239 g de água de 0 °C para 1 °C;
• a energia cinética de uma pessoa de 50 kg movendo-se muito lentamente, a 0,2 m/s, ou 0,72 km/h;
• a energia cinética de uma bola de tênis de 56 g movendo-se a 6 m/s, ou 21,6 km/h;
• a energia alimentar, expressa em quilocalorias, contida em pouco mais da metade de um cristal de açúcar de tamanho comum, considerando cerca de 0,102 mg por cristal.

Múltiplos

A 27ª CGPM ampliou a lista de prefixos do SI em 2022. Foram acrescentados ronto (r), para 10⁻²⁷, quecto (q), para 10⁻³⁰, ronna (R), para 10²⁷, e quetta (Q), para 10³⁰. Aplicados ao joule, correspondem a rJ, qJ, RJ e QJ, respectivamente.

zeptojoule

160 zJ equivalem a cerca de 1 eV. A energia mínima necessária para alterar um bit de dados em uma operação computacional por volta da temperatura ambiente, aproximadamente 2,75 zJ, é dada pelo limite de Landauer.

nanojoule

160 nJ correspondem aproximadamente à energia cinética de um mosquito em voo.

microjoule

Durante o Run 3, encerrado em 2026, o Grande Colisor de Hádrons (LHC) operou normalmente com energia de 6,8 TeV por próton em cada feixe, cerca de 1,09 μJ por próton. Duas partículas que colidem nessas condições somam 13,6 TeV no centro de massa, cerca de 2,18 μJ.

quilojoule

Em países como Austrália e Nova Zelândia, os painéis de informação nutricional apresentam a energia em quilojoules, podendo também mostrar quilocalorias. Um metro quadrado da Terra recebe cerca de 1,4 kJ de radiação solar por segundo quando exposto diretamente à luz do Sol. Uma pessoa em uma arrancada tem aproximadamente 3 kJ de energia cinética, enquanto um guepardo correndo a 122 km/h tem aproximadamente 20 kJ. Um watt-hora de eletricidade, ou de qualquer outra forma de energia, equivale a 3,6 kJ.

megajoule

Um megajoule corresponde aproximadamente à energia cinética de um veículo de um megagrama, ou uma tonelada, movendo-se a 44,7 m/s, cerca de 161 km/h. A energia necessária para aquecer 10 litros de água líquida, sob pressão constante, de 0 °C a 100 °C é de aproximadamente 4,2 MJ. Um quilowatt-hora de eletricidade, ou de qualquer outra forma de energia, equivale a 3,6 MJ.

gigajoule

Cerca de 6 GJ correspondem à energia química liberada pela combustão de aproximadamente 159 litros de petróleo. Cerca de 2 GJ correspondem à unidade de energia de Planck. Um megawatt-hora de eletricidade, ou de qualquer outra forma de energia, equivale a 3,6 GJ.

terajoule

Um terajoule equivale a cerca de 0,278 GWh, unidade usada com frequência em tabelas de energia. Cerca de 63 TJ de energia foram liberados pela bomba Little Boy. A Estação Espacial Internacional, com massa de aproximadamente 450 megagramas e velocidade orbital de 7.700 m/s, tem energia cinética de aproximadamente 13 TJ. Em 2017, estimou-se que o Furacão Irma atingiu um pico de 112 TJ de energia dos ventos. Um gigawatt-hora de eletricidade, ou de qualquer outra forma de energia, equivale a 3,6 TJ.

petajoule

Cerca de 210 PJ equivalem a aproximadamente 50 megatoneladas de TNT, a quantidade de energia liberada pela Tsar Bomba, a maior explosão produzida pelo ser humano. Um terawatt-hora de eletricidade, ou de qualquer outra forma de energia, equivale a 3,6 PJ.

exajoule

O Sismo e tsunâmi de Tohoku em 2011 liberou 1,41 EJ de energia, com magnitude 9,0 na escala de magnitude de momento. O consumo anual de energia dos Estados Unidos é de aproximadamente 94 EJ, e o consumo final mundial de energia foi de 439 EJ em 2021. Um petawatt-hora de eletricidade, ou de qualquer outra forma de energia, equivale a 3,6 EJ.

zettajoule

Um zettajoule é um pouco mais do que a energia necessária para aquecer o Mar Báltico em 1 °C, supondo propriedades semelhantes às da água pura. O consumo humano anual de energia é de aproximadamente 0,5 ZJ. A energia necessária para elevar a temperatura da atmosfera terrestre em 1 °C é de aproximadamente 2,2 ZJ.

yottajoule

Um yottajoule é um pouco menos do que a energia necessária para aquecer o Oceano Índico em 1 °C, supondo propriedades semelhantes às da água pura. A potência térmica do Sol é de aproximadamente 400 YW.

Conversões

Um joule é igual a, aproximadamente, salvo indicação em contrário:

• 10⁷ erg (exatamente);
• 6,24151 × 10¹⁸ elétron-volts.

Entre as unidades com equivalentes exatos em joules estão:

• 1 caloria termoquímica = 4,184 J;
• 1 caloria da Tabela Internacional = 4,1868 J;
• 1 W⋅h = 3.600 J = 3,6 kJ;
• 1 kW⋅h = 3,6 × 10⁶ J = 3,6 MJ;
• 1 W⋅s = 1 J;
• 1 tonelada de TNT = 4,184 GJ;
• 1 foe = 10⁴⁴ J;
• 1 quilopond-metro = 9,80665 J.

Energia, potência e tempo

Enquanto o joule mede uma quantidade de energia, o watt mede a rapidez com que a energia é transferida: 1 W = 1 J/s. Um aparelho de 1.000 W mantido nessa potência por uma hora transfere 3,6 MJ de energia, o mesmo que 1 kW⋅h. Um aparelho de potência menor pode transferir a mesma energia se permanecer ligado por mais tempo.

Watt-segundo

Um watt-segundo (símbolo W s ou W⋅s) é uma unidade derivada de energia equivalente ao joule. O watt-segundo é a energia correspondente à potência de um watt mantida durante um segundo. Embora watt-segundo e joule sejam equivalentes como unidades e tenham o mesmo significado, há contextos em que o termo "watt-segundo" é usado em vez de "joule", como na especificação de unidades de flash eletrônico fotográfico.

Elétron-volt

Na física atômica e de partículas, o elétron-volt permite escrever energias muito menores que um joule sem recorrer a tantos algarismos. A brochura do SI o inclui entre as unidades fora do SI usadas em disciplinas técnicas especializadas. Desde a redefinição do SI que entrou em vigor em 2019, a equivalência é exata porque o valor da carga elementar foi fixado: 1 eV = 1,602 176 634 × 10⁻¹⁹ J. Valores em keV, MeV, GeV e TeV podem ser convertidos diretamente em joules sem incerteza no fator de conversão.