O joule ou júlio (do inglês, pronunciado /dʒuːl/ ou /dʒaʊl/; símbolo: J) é a unidade de energia no Sistema Internacional de Unidades (SI). Em termos das unidades básicas do SI, um joule corresponde a um quilograma-metro quadrado por segundo quadrado (1 J = 1 kg⋅m2⋅s−2). Um joule é igual à quantidade de trabalho realizado quando uma força de um newton desloca um corpo por uma distância de um metro na direção dessa força. Também corresponde à energia dissipada na forma de calor quando uma corrente elétrica de um ampere atravessa uma resistência elétrica de um ohm durante um segundo. A unidade recebeu o nome do físico inglês James Prescott Joule (1818–1889).
Definição
O Escritório Internacional de Pesos e Medidas define o joule como "o trabalho realizado quando o ponto de aplicação de 1 unidade MKS de força [newton] se desloca por uma distância de 1 metro na direção da força".
Em termos das unidades básicas do SI e das unidades derivadas do SI com nomes especiais, o joule é definido como
As formas N⋅m, Pa⋅m3, W⋅s e C⋅V expressam a mesma unidade de energia, mas aparecem em relações físicas diferentes. No trabalho mecânico, um joule é transferido quando uma força de 1 N produz um deslocamento de 1 m na direção da força. Em um fluido sob pressão constante, o trabalho associado à expansão ou compressão pode ser escrito como , de modo que Pa⋅m3 também se reduz a joules.
Na eletricidade, um volt equivale a um joule por coulomb. Uma carga de 1 C que atravessa uma diferença de potencial de 1 V corresponde a uma variação de energia de módulo 1 J. A relação com a potência vem de 1 W = 1 J/s. Manter uma potência de 1 W durante 1 s transfere, portanto, 1 J.
Essas equivalências não dizem que força, pressão, potência, carga elétrica e energia sejam a mesma grandeza. Elas mostram que relações físicas diferentes podem chegar à mesma unidade de energia quando suas unidades são combinadas.
Símbolo e escrita
O símbolo do joule é J, com letra maiúscula porque a unidade recebeu o nome de uma pessoa. O nome da unidade começa com minúscula em texto corrido. Como os símbolos das unidades do SI são tratados como entidades matemáticas, eles não recebem plural nem ponto, salvo quando o ponto pertence ao fim da frase. Assim, escrevem-se 1 J e 20 J, enquanto o nome por extenso pode aparecer como 1 joule e 20 joules.
Os prefixos ficam unidos ao símbolo da unidade, sem espaço, como em kJ, MJ e mJ. Entre o valor numérico e o símbolo da unidade há um espaço, de modo que a forma recomendada é 25 J, e não 25J. A mesma regra vale para 3,6 MJ e 500 kJ.
Grandezas expressas com o joule
O joule entra na unidade de grandezas que relacionam energia com massa, volume, quantidade de matéria ou temperatura. O SI emprega, entre outras, as formas abaixo.
Em química, energias associadas a uma quantidade de substância aparecem com frequência em quilojoules por mol. Entalpias molares de formação e de combustão, por exemplo, são normalmente tabeladas em kJ/mol.
Capacidade térmica e entropia usam J/K, mas medem propriedades diferentes, de modo que a unidade sozinha não basta para informar qual grandeza está sendo medida. Na radiação ionizante, a dose absorvida recebe uma unidade com nome próprio, o gray, que equivale a 1 J/kg e reduz a possibilidade de confusão com outras grandezas expressas em joules por quilograma.
"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 , e a carga elementar, com . 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 e ordens de magnitude
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.
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 e unidades de uso comum
Embora o joule seja a unidade de energia do SI, outras unidades continuam presentes em áreas específicas e em situações do cotidiano. Expressá-las em joules permite comparar escalas que, à primeira vista, parecem muito diferentes.
Calculadora de conversão
Conversão a partir de joules
Unidade
Valor
Joule (J)
1
Quilojoule (kJ)
0.001 kJ
Megajoule (MJ)
0.000001 MJ
Quilowatt-hora (kW⋅h)
0.0000002777777778 kW⋅h
Quilocaloria termoquímica (kcal)
0.0002390057361 kcal
Elétron-volt (eV)
6241509074460763000 eV
Conversões
Um joule é igual a, aproximadamente, salvo indicação em contrário:
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 Ws 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.
Como consequência dessa correspondência, a unidade do SI para torque é o newton-metro, que algebricamente tem as mesmas dimensões do joule, embora as duas unidades não sejam intercambiáveis. A Conferência Geral de Pesos e Medidas deu à unidade de energia o nome joule, mas não atribuiu nome especial à unidade de torque, que permanece newton-metro (N⋅m). O uso de newton-metros para torque e joules para energia ajuda a distinguir grandezas que têm as mesmas dimensões.
A energia é uma grandeza escalar. No trabalho mecânico, ela envolve o produto escalar de um vetor força e um vetor deslocamento. O torque é um vetor axial obtido a partir do produto vetorial entre o vetor posição e o vetor força. Para um torque constante, o trabalho realizado durante uma rotação é dado por
em que E é a energia transferida pelo trabalho, τ é o módulo do torque constante e θ é o ângulo percorrido, em radianos. Como os ângulos planos são grandezas adimensionais no SI, torque e energia têm as mesmas dimensões.
Newton-metro, unidade de torque com as mesmas dimensões físicas do joule
Energia, grandeza física cuja unidade no SI é o joule
Trabalho (física), transferência de energia pela ação de uma força ao longo de um deslocamento
Potência, taxa com que a energia é transferida ou transformada
Caloria, unidade de energia usada em medições de calor e em alimentação
Elétron-volt, unidade de energia comum na física atômica e de partículas
Quilowatt-hora, unidade de energia muito usada no consumo de eletricidade
Notas
↑MKS é a sigla de metro, quilograma e segundo. O nome vem das três unidades usadas como base desse sistema de medidas.
↑Uma unidade derivada é formada pela combinação de unidades de base. O joule, por exemplo, pode ser escrito usando quilograma, metro e segundo.
↑A palavra "internacional" nesses nomes indicava padrões práticos adotados por acordo entre países. Eles não eram exatamente iguais às unidades definidas mais tarde no SI.
↑Aqui, "coerente" quer dizer que a unidade pode ser obtida diretamente das unidades de base, sem precisar acrescentar um fator numérico de conversão.
↑O sistema de Giorgi reuniu unidades mecânicas e elétricas em um mesmo conjunto coerente. O SI adotado em 1960 manteve essa organização geral.
↑"ms" significa milissegundo. Um milissegundo corresponde a um milésimo de segundo.
↑Prefixos do SI mudam a escala de uma unidade por potências de dez. "Quilo", por exemplo, indica mil vezes a unidade, enquanto "mili" indica a milésima parte.
↑Um bit é a unidade básica da informação digital. Ele pode assumir dois estados, normalmente representados por 0 e 1.
↑TeV significa teraelétron-volt, isto é, 1012 elétron-volts.
↑Um megagrama corresponde a 1.000 kg. É a mesma massa de uma tonelada métrica.
↑Isso quer dizer que a pressão é mantida praticamente igual durante o aquecimento. Se ela mudasse muito, a quantidade de energia necessária também poderia mudar.
↑GWh significa gigawatt-hora. Um gigawatt-hora corresponde a um bilhão de watt-horas.
↑Quando TNT é usado como unidade de energia, a comparação se refere à energia que uma quantidade equivalente do explosivo liberaria. Não quer dizer que aquela massa de TNT tenha sido realmente usada.
↑"Energia final" é a energia que chega ao usuário para ser usada, como eletricidade, gasolina ou gás. Ela não inclui toda a energia perdida antes disso na produção e no transporte.
↑Potência mede a rapidez com que a energia é transferida ou emitida. Por isso, YW é uma unidade de potência, enquanto YJ seria uma unidade de energia.
↑"Exatamente" quer dizer que essa equivalência decorre da definição das unidades, e não de uma medição arredondada.
↑A "caloria da Tabela Internacional" é uma definição histórica da caloria. Seu valor é um pouco diferente do valor da caloria termoquímica usado na linha anterior.
↑O quilopond-metro é uma unidade antiga de trabalho. Ela usa o quilopond, uma unidade de força baseada no peso de uma massa de um quilograma sob a gravidade padrão.
↑Um vetor axial indica um eixo e um sentido de rotação. Ele é usado para grandezas ligadas a movimentos de giro, como o torque.
↑No SI, um ângulo em radianos é tratado como uma razão entre comprimentos. Por isso, ele não acrescenta uma dimensão física como metro ou segundo.
Referências
↑«júlio». Dicionário Caldas Aulete da Língua Portuguesa. www.aulete.com.br. Lexikon Editora Digital
Nota: Este artigo é sobre a unidade de energia. Para o físico que lhe dá nome, veja James Prescott Joule.
![{\displaystyle {\begin{alignedat}{3}\mathrm {J} \;&=~\mathrm {kg{\cdot }m^{2}{\cdot }s^{-2}} \\[0.7ex]&=~\mathrm {N{\cdot }m} \\[0.7ex]&=~\mathrm {Pa{\cdot }m^{3}} \\[0.7ex]&=~\mathrm {W{\cdot }s} \\[0.7ex]&=~\mathrm {C{\cdot }V} \end{alignedat}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/88566949f929ca82b476afa1b18fec2d856121ac)
