| Riferimento | Joule (J) | Calorie (cal) |
|---|---|---|
| One food calorie (kcal) | 4184 J | 1000 cal |
| An AA alkaline battery | 10000 J | 2390.06 cal |
| Daily adult food intake | 8368000 J | 2000000 cal |
| One unit on an electricity bill | 3600000 J | 860421 cal |
| A lightning strike | 1 × 109 J | 239005736 cal |
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.
La caloria è un’unità di energia pari a 4,184 joule. Il suo simbolo è cal. Fu inizialmente definita come il calore necessario ad alzare di un grado Celsius la temperatura di un grammo d’acqua, e non è un’unità SI, benché sopravviva quasi ovunque si parli di alimenti e di calore.
La definizione originaria era scomoda perché la risposta dipende dalla temperatura di partenza. L’acqua richiede un poco più di calore per passare da 14,5 a 15,5 gradi che da 19,5 a 20,5, sicché esistettero più calorie in concorrenza: la caloria a quindici gradi, la caloria media e la caloria delle tavole internazionali del vapore, fra le altre. La caloria termochimica oggi usata è definita semplicemente come esattamente 4,184 joule, recidendo del tutto il legame con l’acqua e ponendo fine all’ambiguità.
La confusione maggiore riguarda la scala. La caloria stampata sulle confezioni alimentari negli Stati Uniti non è affatto questa unità ma la chilocaloria, mille volte più grande, talvolta distinta da una C maiuscola. Un biscotto dichiarato da sessanta calorie ne contiene in realtà sessantamila dell’unità qui descritta. La consuetudine è radicata e difficilmente cambierà, sicché le cifre nutrizionali e quelle fisiche vanno lette in registri diversi.
La chimica conservò la caloria a lungo dopo che la fisica era andata oltre. Le entalpie di reazione, le energie di legame e i calori di formazione furono tabulati in chilocalorie per mole per gran parte del Novecento, e la letteratura più antica e alcuni manuali americani attuali lo fanno ancora. Il valore SI equivalente in chilojoule per mole è maggiore di un fattore 4,184, e sbagliare su quale si intenda produce errori dall’aria plausibile.
La scienza della nutrizione la usa perché il bilancio energetico umano si trova per caso su una scala comoda in chilocalorie, con un fabbisogno giornaliero attorno a duemila. In joule la stessa cifra sfiora gli otto milioni e mezzo, il che è esatto ma più difficile da maneggiare a mente.
In alcuni paesi la climatizzazione e la refrigerazione classificano ancora la resa in chilocalorie all’ora, e i poteri calorifici dei combustibili compaiono in calorie per grammo nelle vecchie tavole tecniche.
Una caloria equivale esattamente a 4,184 joule, a 0,001 chilocalorie o a circa 0,00116 wattora.