| Riferimento | Joule (J) | Terajoule (TJ) |
|---|---|---|
| One food calorie (kcal) | 4184 J | 0.000000004184 TJ |
| An AA alkaline battery | 10000 J | 0.00000001 TJ |
| Daily adult food intake | 8368000 J | 0.000008368 TJ |
| One unit on an electricity bill | 3600000 J | 0.0000036 TJ |
| A lightning strike | 1 × 109 J | 0.001 TJ |
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 terajoule è un’unità di energia pari a mille gigajoule, cioè 1 000 000 000 000 joule. Il suo simbolo è TJ. È l’unità con cui i paesi mettono a bilancio la propria energia, e compare assai più nelle statistiche ufficiali che in un catalogo di ingegneria, perché è tagliata sul consumo annuo di un comune e non di una macchina.
La contabilità energetica internazionale gira su di essa. L’Agenzia internazionale per l’energia pubblica i bilanci energetici nazionali in terajoule, e gli inventari dei gas serra presentati nel quadro climatico delle Nazioni Unite dichiarano il consumo di combustibili nella stessa unità. I fattori di emissione sono espressi di conseguenza: bruciare un terajoule di gas naturale libera circa 56 tonnellate di anidride carbonica, di gasolio circa 74 e di carbon fossile circa 95, il che trasforma ogni cifra di energia direttamente in una cifra di emissioni.
Anche la produzione si descrive qui. Un aerogeneratore da tre megawatt che lavori con un fattore di utilizzo realistico produce all’incirca 33 terajoule l’anno. Un solo carico di gas naturale liquefatto su una grande nave racchiude quasi 3800 terajoule, ed è per questo che una singola spedizione può coprire settimane di domanda di gas di un paese piccolo. Le batterie di rete, al contrario, si misurano ancora in frazioni di terajoule.
Anche l’energia distruttiva raggiunge questa scala. Una chilotonnellata di TNT vale esattamente 4,184 terajoule, sicché la bomba sganciata su Hiroshima liberò all’incirca 63 terajoule. Un terremoto di magnitudo cinque irradia circa due terajoule di energia sismica, e ogni gradino intero della scala moltiplica quella cifra per una trentina, il che rende un evento di magnitudo sette mille volte più grande di uno di magnitudo cinque.
L’unità segna inoltre un confine nel modo di parlare di energia. Al di sotto, le quantità appartengono a edifici, veicoli e apparecchi, e si discute di rendimenti. A questo livello e oltre, appartengono alla politica: importazioni di combustibili, meccanismi di sostegno, obiettivi di emissione, pianificazione della rete. Si misura la stessa fisica, ma il terajoule è il punto in cui il discorso smette di essere tecnico e diventa politico.
Sopra il terajoule la scala prosegue con il petajoule, usato per interi settori nazionali, e con l’exajoule, usato per i totali mondiali: il consumo mondiale di energia primaria supera i 600 exajoule l’anno. Rileggere quella scala verso il basso significa spostare la virgola di tre posti per volta.
Un terajoule equivale a 1 000 000 000 000 joule, a circa 277,8 megawattora o a circa 239 gigacalorie.