単位「ジュール(J)」とは?定義やカロリーとの換算方法を徹底解説!

エネルギーイメージ

ジュール(J)。

国際単位系の中で、仕事(エネルギー)を表す単位です。

しかしこのジュールという単位、日常生活ではほとんど登場しないので、どんな単位なのかあまりピンと来ないところ、ありますよね。

そこで今回は、ジュールという単位がどのようなものなのか徹底的にまとめてみました!

合わせて、ジュールという単位の名前の由来や、日常生活で良く使われているエネルギーの単位であるカロリー(cal)の定義と、ジュールとの換算方法もお話していますので、ぜひ最後まで読んでみてくださいね(^^)

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ジュール(J)の定義

それでは、早速ですがジュール(J)の定義からお伝えします。こちらです。

ジュール(J)の定義

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

言葉では若干分かりづらいですので、図にするとこうなります。

1Jの定義

1ニュートンの力で1mほど物体を動かしたときの仕事(エネルギー)が1Jだったのですね。

※ジュールの単位の定義にもなっているニュートンとメートルの定義については、別ページで詳しくお話していますので、気になる方はこちらをご参照ください。

力の単位「ニュートン(N)」とは?定義やkgfとの換算方法を徹底解説!

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1mの定義とは?地球一周の長さや光の速さで決まっている?

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ただ、これで定義は分かりましたが、じゃあ実際にどのくらいの仕事なのかはまだ良く分からないですよね。

そこで実感できる1Jの仕事は、次のような例があります。

1Jの仕事の目安
みかん1個(100g)を1mほど持ち上げる仕事

1Jの例

この表現であれば、どのくらいの仕事なのかとても良く分かりますよね!

100gの物体を1mほど持ち上げるのに必要な仕事が1Jであるのであれば、1Jの仕事はそんなに大きくないですね。

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エネルギーの色々な形

前の章でジュールの定義を学びましたが、物理で言う仕事とはエネルギーと同じもので、エネルギーには他にも様々な形があります。

例えば、下記のようなものです。

エネルギーの様々な形

  • 運動エネルギー
  • 位置エネルギー
  • 化学エネルギー
  • 熱エネルギー
  • 原子核エネルギー
  • 電気エネルギー
  • 光エネルギー

などです。

これらは全てエネルギーが形を変えた姿なので、同じジュールという単位が使えます。

例えば、1Jのエネルギーでできることの例は、下記のようなものがあります。

1Jのエネルギーの例

  • 【運動】50gのテニスボールを23km/hに加速するエネルギー
  • 【位置】100gのみかんを1m持ち上げるエネルギー
  • 【熱】水1gを0.24℃上げるのに必要なエネルギー
  • 【電気】電力10WのLED照明を0.1秒点灯すことができるエネルギー

これだとエネルギーが小さすぎであまりピンと来ないので、1Jの100万倍である1MJのエネルギーでできることの例も見てみたいと思います。

こちらです。

1MJのエネルギーの例

  • 【運動】重さ1トンの車を161km/hに加速するエネルギー
  • 【位置】重さ1トンの車を高さ102mまで持ち上げるエネルギー
  • 【熱】240リットルの水の入ったお風呂を1℃上げるのに必要なエネルギー
  • 【電気】消費電力1kWの電気ストーブを16分40秒使うことのできるエネルギー

こうしてみると、物を動かすときに必要なエネルギー(力学的エネルギー)の一種である運動エネルギーや位置エネルギーは、イメージよりも全然少ないことが分かりますよね。

上の例で言ったら、車を時速161km/hに加速するためのエネルギーや102mの高さまで持ち上げるエネルギーと、お風呂の温度を1℃上げるためのエネルギーや電気ストーブを16分40秒使うときのエネルギーは同じということになりますからね。

ちなみに、一般的な車はガソリンを燃やした時に発生した熱エネルギーや、蓄電池に貯めた電気エネルギーを、エンジンやモーターで力学的エネルギーに変えて走っています。

あんな少しのガソリンや電気で、めちゃくちゃ重たい車を何百キロと走らせることができるのは、このような理由があったからなのですね。

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カロリーの定義

食べ物の世界で良く使われている、もう一つのエネルギーの単位であるカロリー(cal)の定義はこちらです。

カロリー(cal)の定義

水1gの温度を1℃上げるのに必要な熱量(エネルギー)

こちらの単位は、とても分かりやすいですね!すぐにイメージできます。

ただ、厳密にいうと水を1gを1℃上げるために必要なエネルギーはほんのわずかだけ違って、何度の水を1℃上げるのかで微妙に違ってきます。

例えば、0℃の水では4.218J、15℃の水では4.186Jなどです。

このように変わってしまってはなかなか取り扱いが難しいので、日本の計量法は1calの熱量を下記の通りに定義しています。

1cal=4.184J

ちなみに、食べ物に良く使われるキロカロリー(kcal)は、calの1000倍という意味です。

つまり、1kcal=1000calということになりますね。

これは、1リットルの水の温度を1℃上げるのに必要な熱量になります。

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Jとcalの換算式

この章では、ジュールとカロリーの換算方法をお話します。

前章でお話した定義を見てみると、換算する方法はすぐに分かりますよね。1cal=4.184Jなので、J→calの換算では4.184で割れば、cal→Jの換算では4.184を掛ければ良いということになります。

Jとcalの換算式

  • x(J)=x/4.184(cal)≒0.24x(cal)
  • y(cal)=4.184y(J)

また、下記に換算するための計算フォームを作りましたので、いろいろと計算して遊んでみてください。

単位の名前の由来

最後はちょっと余談になりますが、仕事(エネルギー)の単位の名前が「ジュール」になった由来についてお話したいと思います。

ジュールという名前の由来は、イギリスの物理学者「ジェームズ・プレスコット・ジュール」です。

ジュールは19世紀に活躍した物理学者で、ジュールの法則やエネルギー保存則を発見するなど数々の功績を残した物理学者です。

その功績が称えられて、仕事(エネルギー)の単位の名前にジュールの名前が採用されました。

まとめ

以上で、仕事(エネルギー)の単位「ジュール(J)」についての話を終わります。まとめると、下記の通りです。

  • 1Jの定義=物体を1Nの力で1m動かす時の仕事
  • 1Jの目安は、100gのみかんを1m持ち上げる仕事
  • 物理学の仕事は、エネルギーと同じ意味
  • エネルギーには、運動や熱、電気など様々な形がある
  • 1calの定義=水1gを1℃上げるために必要な熱量
  • J→calの換算は、4.184で割る
  • cal→Jの換算は、4.184を掛ける

今まで、中学の理科でいきなり出てきたのは良いけれど、いまいちピンと来なかった仕事(エネルギー)の単位である「ジュール」なのですが、一度分かってしまったら全然難しいものではなかったのですね!

これでもう、ジュールという単位がどのようなものなのか悩みながら生きていくことは無いですね(^^)

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