| Riferimento | Joule (J) | Microjoule (µJ) |
|---|---|---|
| One food calorie (kcal) | 4184 J | 4.184 × 109 µJ |
| An AA alkaline battery | 10000 J | 1 × 1010 µJ |
| Daily adult food intake | 8368000 J | 8.368 × 1012 µJ |
| One unit on an electricity bill | 3600000 J | 3.6 × 1012 µJ |
| A lightning strike | 1 × 109 J | 1 × 1015 µJ |
Il joule è l’unità SI di energia, lavoro e calore. Il suo simbolo è J. Un joule è il lavoro compiuto quando una forza di un newton sposta il proprio punto di applicazione di un metro, e ugualmente l’energia dissipata quando un watt di potenza scorre per un secondo.
Quella equivalenza è la ragione d’essere dell’unità. Prima dell’Ottocento il calore e il lavoro meccanico erano trattati come cose diverse, misurate in unità diverse, il calore in calorie e il lavoro in piedi-libbra. James Prescott Joule dedicò anni a mostrare che una quantità fissa di lavoro meccanico produce sempre la stessa quantità di calore, soprattutto agitando acqua con una ruota a pale mossa da pesi in caduta e misurando l’aumento di temperatura. Stabilire quel tasso di cambio, l’equivalente meccanico del calore, unificò meccanica e termodinamica in una sola materia.
Poiché si definisce attraverso le unità di base, il joule collega tutto. È un newton metro, un watt secondo, un coulomb volt e un chilogrammo metro quadrato al secondo quadrato, e ciascuna di quelle forme compare nell’uso corrente a seconda del ramo della fisica che sta parlando. Le energie elettrica, meccanica, termica e chimica si contano tutte nella stessa unità, il che rende possibile la contabilità energetica di un intero sistema.
La scala è utilmente a misura d’uomo. Sollevare una mela di un metro costa circa un joule. Un battito cardiaco ne consuma all’incirca uno. Lasciar cadere un manuale da una scrivania ne libera una decina. Al di sotto il joule diventa scomodo e subentrano le unità con prefisso; al di sopra fanno lo stesso il chilojoule e il megajoule.
L’energia degli alimenti si misura propriamente in joule, e le etichette in Australia, Nuova Zelanda e Unione europea riportano chilojoule accanto alle calorie o al loro posto. La caloria sopravvive nell’uso comune soprattutto per abitudine, e la conversione, una caloria pari a 4,184 joule, è fissata per definizione e non misurata.
Nutrizione, balistica, capacità delle batterie, resa dei laser, potenza degli esplosivi ed energia liberata da un terremoto si esprimono tutte in joule o nei suoi multipli, il che consente di confrontare direttamente grandezze provenienti da ambiti del tutto diversi.
Un joule equivale a un newton metro, a un watt secondo, a circa 0,239 calorie o a circa 0,000278 wattora.
Il microjoule è un’unità di energia pari a un milionesimo di joule, cioè 0,000001 joule. Il suo simbolo è µJ. È la scala dei piccoli esseri viventi, degli impulsi laser brevi e dell’elettricità che un sensore spende nel risvegliarsi, ed è la più piccola unità di energia che descriva ancora fatti che una persona può notare senza strumenti.
Qui vivono gli insetti. Una pulce di mezzo milligrammo che salta venti centimetri spende circa un microjoule, e una zanzara in volo orizzontale ne porta poco meno di un quarto. Sollevare un grammo di un decimo di millimetro costa altrettanto. Sono queste quantità a rendere intuitiva l’unità: non invisibili in linea di principio, soltanto troppo piccole per contare, a meno che qualcosa non le ripeta milioni di volte al secondo.
La sicurezza contro l’accensione si scrive in questo intervallo, e i numeri decidono come un apparecchio possa essere costruito. L’energia minima che accende una miscela di idrogeno e aria si aggira sui 17 microjoule; per la maggior parte dei vapori di idrocarburi sono qualche centinaio. Gli apparecchi a sicurezza intrinseca per raffinerie, silos e miniere si certificano dimostrando che nessun guasto può liberare più di quanto la miscela richieda, ed è per questo che i circuiti destinati alle zone pericolose si verificano in microjoule e non in volt.
Gli strumenti a luce impulsata si specificano in microjoule quasi senza eccezione. Un lidar per veicoli spara impulsi di pochi microjoule molte migliaia di volte al secondo, i sistemi di marcatura laser ne usano decine o centinaia, e gli amplificatori a femtosecondi destinati alla microlavorazione occupano la parte alta dell’intervallo. L’energia per impulso stabilisce che cosa il fascio possa tagliare, riprendere o illuminare senza pericolo, e la sola potenza media non risponde a quella domanda.
L’elettronica a basso consumo fa i suoi conti negli stessi termini. Un’etichetta passiva di identificazione a radiofrequenza raccoglie pochi microjoule dal campo del lettore e deve concludere in quelli tutto il proprio scambio. Un annuncio radio a corto raggio costa decine di microjoule, il movimento di un orologio al quarzo circa uno al secondo, e un sensore di temperatura che si sveglia, misura e torna a dormire può spenderne meno di dieci. L’autonomia di questi apparecchi è aritmetica svolta in microjoule.
Sopra subentra il millijoule e gli effetti diventano meccanici: una scintilla che si sente, uno scatto che si ode, un piccolo oggetto che cade. Sotto subentra il nanojoule e gli effetti diventano ottici ed elettronici. Il microjoule occupa la banda stretta di mezzo, ed è per questo che tante discipline che per il resto non condividono nulla convergono sullo stesso prefisso.
Un microjoule equivale a 0,000001 joule, a circa 6,24 × 10¹² elettronvolt o a circa 2,78 × 10⁻¹⁰ wattora.