ジュール: エネルギー、仕事、熱量、電力量の単位

この項目では、単位について説明しています。 イギリスの物理学者については「ジェームズ・プレスコット・ジュール」をご覧ください。 人名については「ジュール (人名)」をご覧ください。 漫画雑誌については「JOURすてきな主婦たち」をご覧ください。

1 ジュールは標準重力の下で 102.0 グラム（ほぼキウイフルーツまたはマンガン乾電池の質量）の物体を 1 メートル持ち上げる時の仕事に相当する（ニュートン (単位)#リンゴによる力の表現を参照）。

国際単位系 (SI) 及び日本の計量法におけるジュール J の定義は以下の通り。

• 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

ジュールはSI組立単位であり、 N⋅m 又はSI基本単位を用いて kg⋅m²⋅s⁻²　と表記される。

ジュールと形式的には同じ単位を力のモーメント（これはエネルギーではない）にも用いることができるが、仕事やエネルギーの単位として「ニュートンメートル」を使用すると混乱を招くおそれがあるため注意が必要である。

1 ジュールは、1 ボルト (V) の電圧の中で 1 クーロン (C) の電荷を動かすのに必要な仕事とも定義できる。

• J = C⋅V

1 秒間に 1 ジュールの仕事が行われるときの仕事率が 1 ワット (W) であり、ワット W はジュール J と秒 s から定義される。

• W = J/s

日本の計量法は、仕事・熱量・電力量の単位として、ジュールとともにワット秒（ジュールと等しい）、ワット時 (= 3600 J) の使用を認めている。

電力量の単位として、1 キロワット (= 1000 J/s) の電力を 1 時間 (= 3600 s) 消費したときの電力量である 1 キロワット時 (= 1 kJ/s × 3600 s = 3.6 MJ) がよく用いられる。

1 ジュールは次のように換算される。

• 1 N·m（ニュートン・メートル）
• 1 C·V（クーロン・ボルト）
• 1 W·s（ワット秒）
• 2.777777...×10⁻⁷ kW⋅h（キロワット時）
• 約 0.2390 cal（カロリー）
• 約 0.000948 Btu（英国熱量単位）
• 10⁷ erg（エルグ）
• 約 0.101972 kgf·m（重量キログラムメートル）
• 約 0.738 ft·lbf（フィート重量ポンド）
• 約 23.7 ft·pdl（フィート・パウンダル）
• 1 J/e = 約 6.241509074×10¹⁸ eV（電子ボルト）
• 1 J/c² = 約 1.11265006×10⁻¹⁷ kg（キログラム） – エネルギーの質量換算。特殊相対性理論参照。

ここで g₀ = 9.80665 m/s² は標準重力加速度、e = 1.602176634×10⁻¹⁹ Cは電気素量であり、c = 299792458 m/s は真空中の光速である。またカロリーは 1 cal = 4.184 J とする計量単位令の定義を用いた。

キロジュール

キロジュール（記号：kJ）は、ジュールの 10³ = 1000 倍である。

• 1 kJ の仕事は、仕事率 1 kWの装置が 1 秒間にする仕事である。
• 1 kJ の熱量で、0 °Cの水（固体）を 3 g 溶かすことができる。
• 1 kJ の熱量で、0 °C、5 g の水（液体）の温度を 50 °C 上げることができる。
• 地球上で 100 kg の物体を 1 m（または 1 kg の物体を 100 m）鉛直方向に持ち上げたときに生じる仕事は 100 kgw·m、約 1 kJ である。
• 1 kJ は、10/36 W·h（約 0.28 W·h）に等しい。

メガジュール

メガジュール（記号：MJ）は、ジュールの 10⁶ = 1000000 倍である。

• 1 MJ の仕事は、仕事率 1 kW で動作する装置が 1000 s（16 分 40 秒間）にする仕事である。
• 1 MJ の熱量で、0 °C の氷を 3 kg 溶かすことができる。
• 1 MJ は、10/36 kW·h（約 0.28 kW·h）に等しい。

ペタジュール

ペタジュール（記号：PJ）は、ジュールの10¹⁵ = 一千兆倍である。エネルギー統計でよく使われる単位で、原油25,800kLの熱量に相当する。

CGS単位系におけるエネルギーの単位として、1882年にエルグ(erg)が導入された。同年8月、イギリス科学振興協会の会長に就任したカール・ウィルヘルム・シーメンス（英語版）は、その就任演説にて、熱量の単位として「ジュール」の導入を初めて提唱した。シーメンスが提唱したジュールは、「1オームの電気抵抗に1アンペアの電流を1秒間流した時に発生する熱量」というもので、10⁷エルグに等しいとされた。ジュールという単位名称もシーメンスがこのとき提唱したものだが、名祖のジェームズ・プレスコット・ジュールは、当時引退はしていたが存命だった。

このような熱量の単位がもし許容されるなら、それは熱力学の発展に貢献した彼の名を取ってジュールと呼ぶべきだろうと思う。

1889年8月31日の第2回国際電気会議にて、電力の単位ワット(watt)、インダクタンスの単位クワドラント(quadrant)（後にヘンリー(henry)に改称）とともにジュールが正式に採用された。名祖のジュールは同年10月11日に亡くなった。1893年の第4回国際電気会議において、従来と現示方法が異なる「国際アンペア」と「国際オーム」が定義され、ジュールも、これらから組み立てられる「国際ジュール」となった。

1935年、国際電気標準会議（国際電気会議の後継）においてジョヴァンニ・ジョルジが提唱したジョルジ単位系が採用され、ジュールは磁気定数に基づいて再定義された。ジョルジ単位系は1946年に国際度量衡委員会で承認され、現行の国際単位系(SI)の元となるMKSA単位系となったが、この際に国際度量衡委員会はジュールを「1メートルの距離で1単位の力が行う仕事の単位」と定義した。1948年の第9回国際度量衡総会でこの定義が採択された。またこの際に、熱量の単位としてもジュールを使用するものとし、それまで熱量の単位とされていたカロリーが正式に廃止された。

注釈

出典

• エネルギーの単位
• エネルギーの比較

• 独立行政法人産業技術総合研究所 計量標準総合センター『国際文書 国際単位系 (SI)』（PDF）（第 8 版日本語版）、2006年。http://www.nmij.jp/library/units/si/R8/SI8J.pdf。 
• “計量単位令（平成四年十一月十八日政令第三百五十七号）”. e-Gov. 2020年1月10日閲覧。